改變無線通信前進的方式詳細解說

改變無線通信前進的方式詳細解說

軟件無線電最初起源于軍事研究。1992年5月，MILTRE公司的Joe Mitola在美國國家遠程系統(tǒng)會議上首次作為軍事技術(shù)提出了軟件無線電（Software Radio，簡稱為SWR）的概念，希望用這種新技術(shù)來解決三軍無線電臺多工作頻段、多工作方式的互通問題。從此，對軟件無線電的研究在全球范圍內(nèi)迅速展開。

　　1994年，美軍完成了“易通話”(Speakeasy)軟件無線電的第一期工程。1995年5月，IEEE《通信雜志》出版了軟件無線電專刊，進一步闡述了軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的A/D（模/數(shù)變換器）、DSP（數(shù)字信號處理器）等關(guān)鍵技術(shù)，并給出了可以用于軟件無線電的現(xiàn)有DSP芯片清單，從此拉開了軟件無線電在軍事、商用領(lǐng)域研究的序幕。

軟硬如何分離？

　　所謂軟件無線電，是指構(gòu)造一個具有標準化、模塊化、開放性的硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，同時使寬帶A/D轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以充分實現(xiàn)數(shù)字化，提高可編程性。軟件無線電技術(shù)的重要價值在于：傳統(tǒng)的硬件無線電通信設(shè)備只是作為無線通信的基本平臺，而眾多的通信功能則是由軟件來實現(xiàn)，這打破了有史以來設(shè)備的通信功能的實現(xiàn)僅僅依賴于硬件發(fā)展的格局。軟件無線電技術(shù)的出現(xiàn)是通信領(lǐng)域繼固定通信到移動通信、摸擬通信到數(shù)字通信之后的第三次革命。

　　作為一種新興的技術(shù)，軟件無線電的基本概念就是在一個通用硬件平臺上，通過軟件加載的方式用軟件來實現(xiàn)所有無線電系統(tǒng)的通信功能。軟件無線電的基本思想就是將寬帶模數(shù)變換器(A/D)及數(shù)模變換器(D/A)盡可能地靠近射頻天線，建立一個具有“A/D-DSP-D/A”模型的通用的、開放的硬件平臺，在這個硬件平臺上盡量利用軟件技術(shù)來實現(xiàn)電臺的各種功能模塊。如使用寬帶ADC通過可編程數(shù)字濾波器對信道進行分離；使用數(shù)字信號處理器(DSP)技術(shù)，通過軟件編程來實現(xiàn)各種通信頻段的選擇,如HF、VHF、UHF和SHF等；通過軟件編程來完成傳送信息抽樣、量化、編碼/解碼、運算處理和變換，以實現(xiàn)射頻電臺的收發(fā)功能；通過軟件編程實現(xiàn)不同的信道調(diào)制方式的選擇，如調(diào)幅、調(diào)頻、單邊帶、數(shù)據(jù)、跳頻和擴頻等；通過軟件編程實現(xiàn)不同的保密結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和控制終端功能等。

　　軟件無線電技術(shù)是軟件化、計算密集型的操作形式。為此，軟件無線電以硬件為基本平臺，該平臺具有模塊化和標準化的特點，并以總線方式進行連接。它將使通信具有很大的通用性、靈活性，并使得系統(tǒng)互聯(lián)和升級非常方便。一個典型的軟件無線電平臺可以將硬件單元劃分成射頻、中頻、基帶、信源和信令等各層，它們具有模塊化結(jié)構(gòu)，各層之間的連接通過控制總線和數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)，其基本模型如圖1所示。

如何評價軟件無線電的“軟件化”程度？

　　1997年5月，軟件無線電概念的提出者Joe.Mhola在歐洲召開的軟件無線電會議上首倡用一種特征矢量（N，PDA，HM，SFA）作為衡量軟件無線電系統(tǒng)水平的尺度，矢量中每個參數(shù)的變化值為0～3。其中:

● N為空中接口所能支持的信道數(shù)，分為4類：單一信道（0）、雙信道（1）、多信道（小于6個）（2）以及RF頻段中的所有信道（3）。

● PDA是可編程數(shù)字化接入，指軟件無線電系統(tǒng)中數(shù)字可編程的程度，分為4類：無可編程性（完全模擬或固定功能的數(shù)字無線電）（0）、基帶可編程（1）、中頻可編程（2）以及射頻可編程（3）。

● HM是硬件的模塊化程度，指硬件可編程能力分為4類，無可編程性（0）、系統(tǒng)采用可編程專用模塊（1）、系統(tǒng)采用DSP（2）以及采用FPGA等（3）。

● SFA是軟件模塊化，指軟件的靈活性和支持能力。它也分為4類：無空中接口定義軟件（0）、應(yīng)用于一種硬件平臺的軟件（1）、多種軟件應(yīng)用于一種硬件平臺（2）以及多種軟件應(yīng)用于多種硬件平臺（3）。

　　該參數(shù)表現(xiàn)了能夠提供即插即用軟件模塊的特點。如果在運行的過程中，功能沒有變化，那么由最初制造商提供的應(yīng)用于硬件平臺的軟件可以滿足要求。但當有多個軟件供應(yīng)商都能提供軟件產(chǎn)品時，只適用于一種硬件平臺的軟件無法滿足多種硬件平臺的需要。

　　通過以上參數(shù)的不同組合，可對軟件無線電系統(tǒng)的水平進行劃分。軟件無線電系統(tǒng)的級別分為4級，從0級到3級。目前很多的可編程數(shù)字無線電系統(tǒng)處于級別1，美國軍方的Speakeasy級別為2（如表所示）。

軟件無線電扎根無線電通信領(lǐng)域

　　軟件無線電技術(shù)首先在軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用。由于其優(yōu)良的表現(xiàn)，軟件無線電技術(shù)很快滲透到民用的無線移動通信領(lǐng)域，特別是在即將走向商用的第三代移動通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。軟件無線電從應(yīng)用上看呈現(xiàn)許多特征。

　　軟件無線電（更嚴格地說是軟件和數(shù)字處理硬件的結(jié)合）已經(jīng)存在一段時間了，尤其是這幾年在電子戰(zhàn)方面的應(yīng)用，使人們對軟件無線電技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。冷戰(zhàn)的結(jié)束導(dǎo)致了軍事市場的顯著萎縮，應(yīng)用研究的重點發(fā)生了轉(zhuǎn)移。商業(yè)無線電應(yīng)用需要能提供低價格的、快速應(yīng)用于市場的無線電系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)。軟件無線電有希望成為更便宜、更靈活和用途更廣泛的無線技術(shù)的首選，應(yīng)用于商業(yè)無線電行業(yè)。

　　由于軟件無線電具有現(xiàn)有無線通信體制所不具備的許多優(yōu)點，因此它有著廣泛的應(yīng)用前景。在軍用方面，軟件無線電技術(shù)可實現(xiàn)各種軍用電臺的互連互通；軟件無線電系統(tǒng)可接入各種軍用移動通信網(wǎng)。在民用方面，多頻段多模式移動電話通用手機、多頻段多模式移動電話通用基站、無線局域網(wǎng)及通用網(wǎng)關(guān)等都是軟件無線電的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

　　隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各種無線電功能、組成和設(shè)計規(guī)范不斷出現(xiàn)。特別是未來無縫多模式網(wǎng)絡(luò)要求無線電終端和基站具有靈活的RF頻段、信道接入模式、數(shù)據(jù)速率和應(yīng)用功能。軟件無線電可以通過靈活的應(yīng)變能力提高業(yè)務(wù)質(zhì)量，同時軟件無線電結(jié)構(gòu)簡化了硬件組成，提供了快速適應(yīng)新出現(xiàn)的標準的管理方式。無線電接入點、小區(qū)和無線數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)等這些基本設(shè)施結(jié)構(gòu)可以通過安裝新編程的軟件滿足不斷變化的標準，而不用更換新的硬件設(shè)備。總之，任何一個希望接入多種無線電模式的使用者，都可能成為未來軟件無線電系統(tǒng)的潛在用戶。

　　軟件無線電通過由軟件編程實現(xiàn)通信功能的方式來提高業(yè)務(wù)質(zhì)量和信道接入靈活性。隨著高性能DSP芯片的發(fā)展，軟件無線電正在進入商用移動通信系統(tǒng)。軟件無線電是實現(xiàn)不同多址接入方式兼容的最佳方案。盡管目前數(shù)字信號處理器的運算能力遠達不到軟件無線電的要求，但是隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，這些問題都會得到圓滿的解決。利用軟件無線電技術(shù)開發(fā)新一代的多模移動通信手機，可以實現(xiàn)一機在手，漫游天下的設(shè)想。隨著移動通信和PCS(個人通信服務(wù))業(yè)務(wù)的不斷拓展，軟件無線電必將成為移動通信中的主流技術(shù)。

全球重視軟件無線電研發(fā)

　　目前，軟件無線電在國外得到迅速發(fā)展。1991年10月8日，美國國防部通信會議明確確定了“Speakeasy計劃”。Speakeasy系統(tǒng)的目標是使一個波形可編程的多頻段多模電臺能同時處理多種不同的信號波形（包括從AM到MQAM等）；能兼容美軍15種以上的電臺，占用多種不同的頻段；通信制式、組網(wǎng)方式、調(diào)制方法，以及語音速率和編碼方式以及信息保密方法都用可編程軟件實現(xiàn)。Speakeasy無線電系統(tǒng)工作頻率覆蓋2M～2000MHz，基本上能兼容現(xiàn)有的各類電臺，該電臺能同時處理4種以上不同的調(diào)制波形。1994年8月，Speakeasy一期工程為政府代表做了功能演示，演示的業(yè)務(wù)包括語音、數(shù)據(jù)和視頻圖像等。1995年，美軍啟動Speakeasy二期工程，在1995年7月到1996年9月的15個月里，研制出電臺樣機。

　　此外，歐共體的ACTS FIRST項目和美國RUTGERS大學分別進行了針對軟件無線電應(yīng)用于第三代移動通信系統(tǒng)的研究。ACTS FIRST項目的目標是探討將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用到多波段多模式可編程手機的可能性，目前已取得了一些研究成果，確定了各模塊應(yīng)滿足的性能指標。

　　美國哈里斯公司已研制成功AN/VRC-94（E）多頻段車載收發(fā)信機，可與其他電臺（如AN/PRC-117A和AN/VRC-94A）互通。南非Grinel公司研制成功TR600輕型多頻段多模式電臺。美國馬格納泛斯克公司也研制出AN/GRC-206（V）多頻段多模式電臺，它是一種HF/VHF/UHF綜合通信系統(tǒng)。美國陸軍正在研制新一代三頻段的超高頻戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星通信終端，以實現(xiàn)真正意義上的互通。

　　在我國，軟件無線電技術(shù)受到相當重視，在“九五”和“十五”預(yù)研項目和“863”計劃中都將軟件無線電技術(shù)列為重點研究項目。我國提出的第三代移動通信系統(tǒng)方案TD-SCDMA，就是利用軟件無線電技術(shù)完成設(shè)計的。軟件無線電需要將現(xiàn)代先進的通信技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合在一起，是一個中長期的研究項目，需要很強的綜合實力。

軟件無線電惠顧各方

　　使用軟件無線電概念來設(shè)計和實現(xiàn)下一代的無線通信系統(tǒng)和設(shè)備，與傳統(tǒng)的產(chǎn)品和設(shè)備相比較，具有明顯的優(yōu)勢。它將使得從技術(shù)研究開發(fā)，到設(shè)備制造商，到電信運營商，到每個無線通信最終用戶都得到實惠。

1．對技術(shù)和產(chǎn)品的研究開發(fā)

　　傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)只對單一的標準進行產(chǎn)品開發(fā)，從標準相對穩(wěn)定到設(shè)計和開發(fā)專用芯片，再到產(chǎn)品設(shè)計和實現(xiàn)，是一個以年為單位的過程，開發(fā)周期長，開發(fā)成本高。上述情況導(dǎo)致在標準制定進程中，大多數(shù)新技術(shù)不能被應(yīng)用，限制了新技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致商用產(chǎn)品和當時技術(shù)水平的巨大差異。

　　軟件無線電將提供一個新概念和通用無線通信平臺，在此平臺上，可以基于軟件來實現(xiàn)新業(yè)務(wù)和使用新技術(shù)，大大降低了開發(fā)成本和周期，使產(chǎn)品能跟上技術(shù)發(fā)展的水平。未來的新業(yè)務(wù)將由用戶來開發(fā)，只有使用軟件無線電技術(shù)，才可能讓用戶像使用PC一樣，用軟件無線電設(shè)備去開發(fā)所需的新業(yè)務(wù)。

2．對制造商

　　隨著技術(shù)的進步，目前無線通信產(chǎn)品的生命周期越來越短，因此針對單一產(chǎn)品線的投資風險加大。這要求移動通信設(shè)備制造商有強大的技術(shù)開發(fā)和技術(shù)支持能力，大大增加了產(chǎn)品成本。即便如此，任何在決策上、管理上、市場上的失敗都會導(dǎo)致投資的巨大損失。

軟件無線電是基于產(chǎn)品的，基于軟件無線電產(chǎn)品的生產(chǎn)：

● 將比傳統(tǒng)產(chǎn)品原材料成本低；

● 產(chǎn)品壽命長，意味著投資風險低；

● 由于它采用簡單化及標準化硬件，使得產(chǎn)品容易生產(chǎn)。

　　因此，制造商生產(chǎn)基于軟件無線電技術(shù)的產(chǎn)品，可得到遠大于生產(chǎn)傳統(tǒng)產(chǎn)品的效益。

3．運營商

　　移動通信網(wǎng)建設(shè)需要巨大投資，同時具有很大的風險性。如我國現(xiàn)今一方面由于市場需求，GSM網(wǎng)絡(luò)迅速擴容，增加了大量GPRS設(shè)備；另一方面又處于第三代移動通信即將到來的時期，制定一個成功的投資戰(zhàn)略極為困難。在下階段又將考慮在第三代移動通信的多種標準中如何選擇，也有很大的投資風險。

　　而基于軟件無線電技術(shù)的產(chǎn)品將為運營商帶來利益，它表現(xiàn)在：

● 比傳統(tǒng)產(chǎn)品成本低；

● 投資風險低，同一基站目前可以工作于GSM網(wǎng)絡(luò)，通過軟件升級可提供GPRS業(yè)務(wù)，再升級可工作于任何一個第三代移動通信標準；

● 真正意義上的平滑過渡使得系統(tǒng)設(shè)備的壽命延長；

● 為新業(yè)務(wù)提供了靈活方便的硬件平臺。

顯然，軟件無線電將給運營商帶來比傳統(tǒng)產(chǎn)品更多的利潤。

4.對最終用戶

　　基于軟件無線電技術(shù)的用戶設(shè)備，則是要為用戶提供一個通用的終端設(shè)備平臺。它應(yīng)當能支持多達5～8種國際上通用的標準，而且可以通過空間加載軟件技術(shù)達到用戶設(shè)備升級的目的。只有這樣，用戶才不需要關(guān)心其所在的地區(qū)和運營商的問題而實現(xiàn)真正意義上的全球漫游，用戶也才有可能獲得所希望得到的新業(yè)務(wù)。

表 軟件無線電的級別

級別 (N，PDA，HM，SFA)取值及實例

０ 固定功能，包括模擬無線電(*，0，0，0)，F(xiàn)M和數(shù)字無線電

(*，1，0，0)，尋呼機(1，1，00)

１ 基帶可編程(*，1，>0,>0)

２ 中頻可編程(*，2,>0,>0)，如Speakeasy(1～n,2,2/3,1/2)

３ 射頻可編程，理想的軟件無線電(NN,3,1～3,3)

　　注：*表示可不考慮；n表示參數(shù)N為1、2或少量（＜6）同步空中接口信道的情況；NN表示參數(shù)N為RF頻道中的所有信道情況。

　　在無線通信領(lǐng)域拷貝PC發(fā)展的理念

　　我們不能說，軟件無線電的發(fā)展思路源于PC，但是PC與軟件無線電的發(fā)展思路有驚人相似的一面。說它是巧合也好，是偶然也罷，我們從中可以發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律。

　　軟件無線電與個人電腦在概念上和結(jié)構(gòu)上比較類似。依照無線通信的發(fā)展規(guī)律，我們可以將一個無線通信系統(tǒng)硬件與軟件分離，并形成完成不同功能的層次。圖2就是采用軟件無線電思想，對無線通信系統(tǒng)進行分層，不同的層次完成不同的功能。這與PC產(chǎn)品中模塊化、標準化思路有異曲同功之妙。軟件無線電可能會成為無線通信發(fā)展的一個里程碑。