軟件無線電及其在無線通信中的應(yīng)用

軟件無線電及其在無線通信中的應(yīng)用

引言

　　軟件無線電是實(shí)現(xiàn)通信的新概念和新體制，它被視為繼模擬和數(shù)字技術(shù)后的又一次電子技術(shù)革命。軟件無線電采用模塊化設(shè)計(jì)原則，具有開放的ＩＳＯ／ＯＳＩ體系結(jié)構(gòu)、良好的功能可編程性和軟件可移植性，支持寬頻段、高速率、多模式的無線通信。

軟件無線電概述

　　軟件無線電（Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｒａｄｉｏ）的概念是由美國(guó)科學(xué)家Ｊｏｅ．Ｍｉｔｏｌａ于１９９２年５月在美國(guó)電信系統(tǒng)會(huì)議上首次明確提出的。其基本概念是將硬件作為無線通信的基本通用平臺(tái)，而用軟件實(shí)現(xiàn)盡可能多的無線及個(gè)人通信功能。

　　靈活性和開放性是軟件無線電的主要特點(diǎn)。靈活性是指軟件無線電系統(tǒng)可以與其它任何電臺(tái)進(jìn)行通信，可以作為其它電臺(tái)的射頻中繼，可以通過無線加載的方法來增加軟件模塊或更新軟件。開放性是指軟件無線電系統(tǒng)由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的結(jié)構(gòu)，其硬件可以隨著器件和技術(shù)的發(fā)展而更新或擴(kuò)展，軟件也可以隨需要而不斷升級(jí)，實(shí)現(xiàn)不同體制、電臺(tái)的兼容。

　　軟件無線電的基本思想是將Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ變換盡量靠近射頻前端，應(yīng)用寬帶天線或多頻段天線，將整個(gè)ＲＦ段或中頻段進(jìn)行Ａ／Ｄ變換，這之后的處理均由通用處理器或ＤＳＰ器件完成。其硬件結(jié)構(gòu)使軟件無線電具有整體的可編程性：ＲＦ頻段可編程、信道訪問模式可編程、信道編碼和調(diào)制可編程。同時(shí)由于其開放的體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能的改變只需軟件做適應(yīng)調(diào)整，則不需重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)，特別是硬件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)源輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過信源編碼（如ＪＰＥＧ編碼）后，再進(jìn)行信道編碼。多路訪問可使用多種方法，如ＴＤＭＡ、ＣＤＭＡ等；不同的系統(tǒng)的調(diào)制方式不同，軟件無線電系統(tǒng)應(yīng)該能兼容它們，如ＱＰＳＫ、ＦＳＫ等，多路訪問和調(diào)制部分還包括定時(shí)信息的處理，如幀同步、比特同步、碼元同步等。最后經(jīng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換、上變頻送至射頻（ＲＦ）前端，由寬帶天線發(fā)射出去。若是接收，則過程與上相反。

　　在軟件無線電系統(tǒng)中，由于信號(hào)占據(jù)很寬的頻帶范圍（從幾十ＫＨｚ到幾千ＭＨｚ），加上不同體制之間的編碼、復(fù)用、調(diào)制方式不同，從而要求軟件無線電系統(tǒng)有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和快速輸入輸出（Ｉ／Ｏ）能力。軟件無線電系統(tǒng)要能達(dá)到不同系統(tǒng)、體制間的互聯(lián)互通，要傳輸包括視頻數(shù)據(jù)在內(nèi)的多媒體信息，對(duì)系統(tǒng)各方面的要求將相當(dāng)高。

　　實(shí)現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)主要有：射頻天線、寬帶ＡＤＣ轉(zhuǎn)換、高速數(shù)字信號(hào)處理和高性能的總線結(jié)構(gòu)等方面。

　　軟件無線電的射頻段應(yīng)具備接入多個(gè)波段甚至覆蓋全波段的功能，它具有頻率高、帶寬的兩大特點(diǎn)。我們可以采用多頻段組合式天線和智能天線來實(shí)現(xiàn)。多頻段組合式天線是在全頻段甚至每個(gè)頻段使用幾付天線組合起來以形成寬帶天線。智能天線（Ｓｍａｒｔ Ａｎｔｅｎｎａ）的思想是：天線以多個(gè)高增益的動(dòng)態(tài)窄波束分別跟蹤多個(gè)用戶，窄波束對(duì)準(zhǔn)期望用戶，波瓣零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)以外的干擾信號(hào)，以達(dá)到信干比最大。

　　軟件無線電的發(fā)展方向是ＡＤＣ和ＤＡＣ盡量靠近ＲＦ端，這樣高頻寬帶信號(hào)的數(shù)字化對(duì)采樣頻率、位數(shù)及動(dòng)態(tài)范圍就提出了較高的要求。目前，由于受Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的成本和分辨率的限制以及受ＤＳＰ芯片處理速度的影響，要在ＲＦ端對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化有很大困難，所以優(yōu)先考慮在ＩＦ上進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。我們可以采用多個(gè)高速采樣保持電路和ＡＤＣ，通過并串變換，將量化速度降低，以提高采樣分辨率。

　　在目前，數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字控制的方案大致有：數(shù)字信號(hào)處理器（ＤＳＰ）、可編程邏輯器件（ＦＰＧＡ）、可由參數(shù)控制的硬件電路、用戶定制集成電路（ＡＳＩＣ）。對(duì)于以上４種方法，可編程性能為ＤＳＰ最高（可用匯編或Ｃ語言），后者依次降低，ＡＳＩＣ不具編程能力；運(yùn)算速度則相反，以ＡＳＩＣ為最高，ＤＳＰ最低；功耗以ＤＳＰ為最高，ＡＳＩＣ最低。在軟件無線電的設(shè)計(jì)中，要綜合考慮器件性能和特點(diǎn)，構(gòu)架可編程性能高、運(yùn)算速度快、功耗低的系統(tǒng)。另外，虛擬無線電（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒａｄｉｏｓ）也是可供選擇的一種方法，其思想是使用高速ＡＤＣ作為數(shù)字與模擬的接口，處理器的核心使用高性能的工作站硬件。這種方案使得用戶可以利用工作站的硬件和軟件設(shè)計(jì)新的算法，并且可以在工作站上方便地進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)。

　　由于軟件無線電需要進(jìn)行高速的Ａ／Ｄ／Ａ變換及數(shù)字信號(hào)處理，必須使用多個(gè)ＣＰＵ并行處理；其次，數(shù)字信號(hào)處理的數(shù)據(jù)要高速交換，系統(tǒng)總線必須具有極高的Ｉ／Ｏ傳輸速率。在符合要求的系統(tǒng)總線中，ＶＭＥ總線技術(shù)最成熟、通用性最好、得到的支持最廣泛，是軟件無線電的首選總線方式。但總線結(jié)構(gòu)采用時(shí)分機(jī)制，實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，但在無線通信系統(tǒng)中各個(gè)相鄰功能模塊間的數(shù)據(jù)流是一種接力機(jī)制，應(yīng)用總線結(jié)構(gòu)就顯得帶寬過窄和控制復(fù)雜，吞吐率較低，其可擴(kuò)展性也受到限制。軟件無線電的高速網(wǎng)絡(luò)交換方式是重要的發(fā)展方向，清華大學(xué)在國(guó)家“８６３”軟件無線電項(xiàng)目中提出了一種基于交換的硬件平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)采用適配交換網(wǎng)為各功能模塊提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，各個(gè)功能模塊都是由ＤＳＰ組成的功能板，遵循相同的通信接口和協(xié)議，它們之間的耦合很弱，能夠極大地提高平臺(tái)的靈活性，可以適應(yīng)于多種無線電通信系統(tǒng)，并已證明具有更好的吞吐率和實(shí)時(shí)性能。

軟件無線電在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

　　第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)各國(guó)提出了多種不同的標(biāo)準(zhǔn)，要統(tǒng)一這些標(biāo)準(zhǔn)是非常困難的，ＩＭＴ－２０００的發(fā)展策略已經(jīng)改變過去“統(tǒng)一”的概念，而注意到以各地區(qū)現(xiàn)有第二代系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)來制定比較現(xiàn)實(shí)的過渡方案，提出了“ＩＭＴ－２０００家族”的概念。它放棄了在空中接口、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面一致性的努力，而致力于制定網(wǎng)絡(luò)接口的標(biāo)準(zhǔn)和互通方案。因此，在未來的第三代移動(dòng)通信中存在著多頻、多模操作，各體制間的互通問題、同第二代系統(tǒng)的兼容問題以及通信標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展等問題，都為軟件無線電技術(shù)的應(yīng)用提出了切實(shí)的需求。

　?。保浖o線電在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，若基站和移動(dòng)終端都采用軟件無線電結(jié)構(gòu)，則系統(tǒng)的硬件平臺(tái)可由標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊搭建，硬件功能由軟件定義。射頻頻段、信道訪問模式及信道調(diào)制都可編程。軟件無線電通過硬件平臺(tái)安裝不同的軟件，完成不同的功能，因此可在不改變硬件設(shè)備的條件下，通過軟件升級(jí)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

　　在我國(guó)向ＩＴＵ提交的第三代移動(dòng)通信提案ＴＤ－ＳＣＤＭＡ中就采用了軟件無線電技術(shù)。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ結(jié)合了軟件無線電、智能天線、聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)及全質(zhì)量話音壓縮編碼技術(shù)等通信新技術(shù)，具有先進(jìn)性。軟件無線電技術(shù)在ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)包括：直接序列碼分多址的調(diào)制和解調(diào)；聯(lián)合檢測(cè)和控制；采用ＩＳ－９５或Ｇ．７２９標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)編碼速率８ｋｂｐｓ；智能天線；用戶定位；空中接口物理層；基帶預(yù)失真，以降低對(duì)收發(fā)信機(jī)線性的要求；自動(dòng)控制頻率、發(fā)射功率、接收增益和時(shí)延。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統(tǒng)的基站和終端設(shè)備采用高速ＤＳＰ和高速Ａ／Ｄ變換器。

　?。玻浖o線電與聯(lián)合檢測(cè)

　　ＴＤ－ＳＣＤＭＡ中實(shí)現(xiàn)了軟件無線電結(jié)構(gòu)的智能天線和聯(lián)合檢測(cè)（ＪＤ：Ｊｏｉｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。目前，我國(guó)大唐電信和德國(guó)西門子聯(lián)合開發(fā)的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ試驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)研發(fā)成功。

　　聯(lián)合檢測(cè)的過程是：首先分別對(duì)８元天線陣接收信號(hào)利用專門定義的訓(xùn)練序列ｍｉｄａｍｂｌｅ來做解相關(guān)，得到對(duì)移動(dòng)信道的估計(jì)，然后對(duì)每個(gè)時(shí)隙中的所有擴(kuò)頻用戶單元信號(hào)同時(shí)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)消除ＭＡＩ。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統(tǒng)基站ＢＴＳ接收端相當(dāng)于使用了一個(gè)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的時(shí)空域自適應(yīng)濾波器，系統(tǒng)的抗干擾性能有很大提高。

　　考慮到智能天線波束賦形速度的要求和具體的系統(tǒng)性能要求等因素，上行鏈路沒有使用自適應(yīng)波束賦形算法，而是簡(jiǎn)單地采用了等增益合并法，實(shí)際上這也能起到一定的空間濾波作用。又因在ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統(tǒng)中，上行鏈路和下行鏈路具有相似的信道特性，所以ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統(tǒng)能夠把上行鏈路聯(lián)合檢測(cè)過程中獲得的沖擊響應(yīng)估計(jì)值應(yīng)用于下行鏈路，用類似于最大功率合成的方法實(shí)現(xiàn)下行智能天線自適應(yīng)波束賦形算法。

　　３．軟件無線電的分層體系結(jié)構(gòu)

　?。剩铮螅澹穑?Ｍｉｔｏｌａ提出了一種基于隧道的軟件無線電分層虛擬機(jī)參考模型，最底層的硬件平臺(tái)由普通處理器與具有指令集的ＡＳＩＣ及ＦＰＧＡ組成，它包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)、中斷子程序、任務(wù)控制、資源分配與相關(guān)的操作系統(tǒng)服務(wù)。無線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層支撐著資源管理、定時(shí)和頻率分配、中間件和隧道，允許獨(dú)立的電腦軟件（如Ｊａｖａ）模塊在系統(tǒng)平臺(tái)上升級(jí)，同時(shí)隧道技術(shù)使軟件模塊可方便地載入ＡＳＩＣ和ＦＰＧＡ。無線應(yīng)用層包括代理、同級(jí)控制算法，信道狀態(tài)機(jī)控制靜音、同步、保密和數(shù)據(jù)傳輸，可以方便地接入各種無線工作模式。通信服務(wù)層通過建立連接和插入代理實(shí)現(xiàn)。這種軟件無線電分層虛擬機(jī)提供了向理想軟件無線電發(fā)展的基礎(chǔ)。

結(jié)束語

　　未來理想的網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，包括有線網(wǎng)與無線網(wǎng)，它將容納各種標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，適應(yīng)各種物理和傳播環(huán)境，提供更加開放的接口，提供各種不同的服務(wù)。軟件無線電的通用性和靈活性決定了它的發(fā)展將在一定程度上決定或改變無線通信發(fā)展的方向，它的使用，將使無線通信具有更加廣闊的市場(chǎng)，并最終使人類實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)可以與任何人以任意方式通信的全時(shí)空信息交換的個(gè)人通信的夢(mèng)想。