3G中軟件無線電技術(shù)可行性及實現(xiàn)所面臨的技術(shù)難題分析 - 全文

當(dāng)前，蜂窩移動通信系統(tǒng)發(fā)展到第三代，3G系統(tǒng)進入商業(yè)運行一方面需要解決不同標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)間的兼容性；另一方面為了適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，3G系統(tǒng)要求具有高度的靈活性和擴展升級能力。軟件無線電技術(shù)無疑是最好的解決方案。

作為3G移動通信標(biāo)準(zhǔn)中的兩個主要標(biāo)準(zhǔn)，W-CDMA和CDMA2000都采用碼分多址接入方式，且具有信道帶寬寬、數(shù)據(jù)速率多樣且支持高速率，不同業(yè)務(wù)采用信道編碼不同等共性;同時，這兩種標(biāo)準(zhǔn)之間在碼片速率、信道帶寬和信道選擇碼等方面也存在差異。這些方面以及為了提高系統(tǒng)容量在3G中將采用的智能天線技術(shù)(Smart Antenna)、多用戶檢測技術(shù)(MUD)等，使得軟件無線電技術(shù)在3G系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用空間，同時也面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

以實現(xiàn)CDMA2000(含IS-95)和W-CDMA雙模軟件無線電系統(tǒng)為例，針對3G移動通信系統(tǒng)的具體情況，我們將分析3G中軟件無線電技術(shù)的可行性及實現(xiàn)所面臨的技術(shù)難題。討論是在傳統(tǒng)的流水線結(jié)構(gòu)上進行的，首先討論傳統(tǒng)單用戶接收機的軟件無線電實現(xiàn)問題，然后討論卷積碼、Turbo碼譯碼的軟件實現(xiàn)，最后討論智能天線技術(shù)和多用戶檢測技術(shù)在軟件無線電實現(xiàn)中所面臨的問題。

多種3G移動通信標(biāo)準(zhǔn)的加入使得本來已經(jīng)十分龐大的移動通信標(biāo)準(zhǔn)族變得更加繁雜。從近期發(fā)展上看，軟件無線電技術(shù)可以解決不同標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，為實現(xiàn)全球漫游提供方便；從長遠(yuǎn)發(fā)展上看，軟件無線電發(fā)展的目標(biāo)是實現(xiàn)具有可以根據(jù)無線電環(huán)境變化而自適應(yīng)地配置收/發(fā)信機的數(shù)據(jù)速率，調(diào)制、解調(diào)方式，信道編、譯碼方式，甚至調(diào)整信道頻率、帶寬以及無線接入方式的智能化無線通信系統(tǒng)，從而更加充分地利用頻譜資源，在滿足用戶QoS要求的基礎(chǔ)上使系統(tǒng)容量最大。當(dāng)然，實現(xiàn)這一美好目標(biāo)有待于理論與應(yīng)用研究的進一步深入。

傳統(tǒng)單用戶接收方式的實現(xiàn)

這里的討論僅限于下行鏈路接收過程中的A/D變換器和數(shù)字處理子系統(tǒng)。討論是從實現(xiàn)各種無線電功能的計算復(fù)雜度這個角度進行的，而且僅討論資源需求中的主要問題，包括成形濾波和RAKE接收等。

首先，標(biāo)準(zhǔn)為實現(xiàn)W-CDMA和CDMA2000雙模無線電系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。為了在移動電臺中支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)，從降低復(fù)雜度和造價等方面考慮，人們希望能用同一個主系統(tǒng)時鐘為每種工作模式產(chǎn)生工作時鐘，這個主時鐘可以是每種模式的時鐘頻率的最小公倍數(shù)。CDMA2000 1X(1.2288M)和W-CDMA(3.84M)碼片速率的最小公倍數(shù)是30.72MHz，CDMA20003X和W-CDMA碼片速率的最小公倍數(shù)是92.16MHz。由于這個公倍數(shù)較小，可用其二倍頻率184.32 MHz作為主系統(tǒng)時鐘，CDMA2000(1X和3X)或W-CDMA各自的時鐘均可由此主時鐘導(dǎo)出。所以說W-CDMA和CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)為W-CDMA/CDMA2000多模移動臺的實現(xiàn)提供了方便。

其次，VLSI器件也為實現(xiàn)提供了有利條件。實現(xiàn)W-CDMA和CDMA2000雙模系統(tǒng)對A/D變換器和可編程DSP處理器提出了要求。

（1）A/D變換器

A/D變換器的采樣率選擇為61.44MHz。選擇的依據(jù)有兩方面:首先是為了滿足采樣定理。無線頻譜資源是十分有限的，這里假設(shè)分配給每個標(biāo)準(zhǔn)的頻譜都是25MHz，采樣定理要求采樣率至少是信號帶寬的2倍，實際中常取為信號帶寬的2.5倍，61.44MHz的采樣率基本滿足要求。

其次61.44MHz采樣率可由184.32 MHz的系統(tǒng)時鐘3倍降采樣直接得到。從最先進的A/D器件水平看，ADI公司的AD6644和AD9244在65MHz采樣率時能提供14bit的精度。其中AD6644在Nyquist頻帶上可提供100dB的FSDR(無寄生動態(tài)范圍指標(biāo))，可滿足要求。

（2）DDC器件

DDC器件可選擇Intersil公司的HSP50214B-65。HSP50214B-65最高輸入樣本速率為65MHz，精度為16bit，并可以進行非整數(shù)倍的降采樣。這樣可以分別確定W-CDMA和CDMA2000的降采樣倍數(shù)。為了使后續(xù)處理部分能更精確地實現(xiàn)碼片同步，降低采樣后的數(shù)據(jù)速率取為碼片速率的4倍。于是得到W-CDMA的降采樣速率為4，CDMA2000 3X降采樣率為4.1667，CDMA2000 1X降采樣率為12.5。降采樣后的數(shù)據(jù)率分別為15.36MSPS(W-CDMA)、4.9152MSPS(CDMA2000 1X)和14.7456MSPS(CDMA2000 3X)。

（3）可編程DSP處理器

● 脈沖成型濾波處理計算量估計。脈沖成型濾波器也是按4采樣速率進行的。3GPP2明確給出了成型濾波器長度(在四采樣時，1X時的濾波器長度為48，3X時的濾波器長度為108)。3GPP協(xié)議中給出的成型濾波器是滾降因子為0.22的根平方升余弦濾波器，長度為25(單采樣率)的根平方升余弦濾波器可以滿足3GPP的要求。脈沖成型濾波器收發(fā)都要用到，而且是I、Q兩路，所以總的計算量仍然很大，對DSP處理能力要求很高，但是用FPGA實現(xiàn)比較方便。

● RAKE接收中的運算量估計。當(dāng)完成精確的碼片同步后，脈沖成型濾波器輸出數(shù)據(jù)速率可以降為碼片速率，此后的計算都是在碼片速率基礎(chǔ)上進行的。RAKE完成解擴、解擾和多徑合并等處理。而解擾、解擴后的數(shù)據(jù)率與擴譜因子有關(guān)，對W-CDMA，擴譜因子取值范圍是4～512，所對應(yīng)的數(shù)據(jù)率為960～7.5 kSPS，因此，最大比合并的計算量為K×0.03～K×3.84MIPS。CDMA2000可以得到相似結(jié)果。

發(fā)射過程的計算復(fù)雜度一般要小于接收過程的計算復(fù)雜度，所以，總的復(fù)雜度一般不會超出接收處理復(fù)雜度的兩倍。但是，應(yīng)該說明的是上面的討論主要考慮的是數(shù)字處理部分中對總計算量起決定作用的功能模塊，而沒有考慮信源編碼及協(xié)議實現(xiàn)等所需要的處理量。目前最先進的DSP器件TMS320C6416的處理能力已經(jīng)達到5.76GIPS。實現(xiàn)上述處理的要求可用兩片TMS320C6416芯片或者用FPGA來實現(xiàn)成型濾波器，用一片TMS320C6416來實現(xiàn)其余處理。

信道譯碼器的實現(xiàn)

CDMA2000和W-CDMA的信道編碼方案中都包括卷積碼和Turbo碼兩種方式。卷積碼采用Viterbi算法實現(xiàn)譯碼；Turbo碼譯碼器可以采用MAP算法和SOVA算法通過迭代實現(xiàn)，由于MAP算法十分復(fù)雜，實際中采用的是降低復(fù)雜度的LOG-MAP算法、MAX-LOG-MAP算法或SOVA算法。

Turbo碼譯碼器的計算復(fù)雜度與采用的算法、編碼器的約束長度和實現(xiàn)的迭代次數(shù)有關(guān)。各種算法中MAP算法復(fù)雜度最高，LOG-MAP算法次之，而SOVA算法復(fù)雜度最低。與這些算法復(fù)雜度依次降低相對應(yīng)的是算法的精度相應(yīng)地也降低了。在CDMA2000和WCDMA標(biāo)準(zhǔn)中，Turbo碼主要用于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和高QoS要求的業(yè)務(wù)。估計中假設(shè)DSP芯片中乘、比較和查表等是在單指令下實現(xiàn)的。這種假設(shè)對于內(nèi)部提供Viterbi算法支持的DSP芯片是成立的，如TMS320C54X信片等。當(dāng)?shù)螖?shù)N為6時，完全滿足CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)中各種速率要求的Turbo碼譯碼器需要的運算量為2.7GIPS。

所以，在可編程DSP上用軟件實現(xiàn)Turbo碼的譯碼算法對DSP提出了很高的要求。一種可行的方案是用DSP+靈活的硬件譯碼器方法實現(xiàn)，DSP對硬件譯碼器進行配置，然后具體的譯碼算法在硬件中實現(xiàn)，解決了靈活性與處理要求高的矛盾。慶幸的是，在部分高級DSP芯片，如TMS320C6416中，針對3G移動通信標(biāo)準(zhǔn)中的信道編碼要求嵌入了高性能的Viterbi譯碼器和Turbo碼譯碼器。這些協(xié)處理器能完全滿足CDMA2000和W-CDMA標(biāo)準(zhǔn)中不同信道的譯碼要求，它們與DSP核心處理器并行工作，通過高性能DMA完成與DSP的數(shù)據(jù)交換。

智能天線的實現(xiàn)

CDMA系統(tǒng)是干擾受限系統(tǒng)，多址干擾(包括同小區(qū)內(nèi)用戶和其他小區(qū)用戶的干擾兩部分)和多徑干擾大大降低了CDMA系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍。智能天線和多用戶檢測技術(shù)是降低多址干擾的兩種關(guān)鍵技術(shù)。圖1中給出了智能天線和多用戶檢測技術(shù)聯(lián)合的一種方式。

智能天線利用信號傳輸?shù)目臻g特性，

自適應(yīng)地調(diào)整天線方向，在跟蹤有用信號的同時減少或抵消干擾，增加信號干擾噪聲比，增加系統(tǒng)容量，提高通信頻譜利用率，降低信號發(fā)射功率，提高通信系統(tǒng)覆蓋范圍。智能天線波束形成算法可分為基于訓(xùn)練序列的算法和盲算法兩大類，這些算法性能通常與通信系統(tǒng)的多址方式有關(guān)，如對于3G標(biāo)準(zhǔn)來說，MDIR算法是優(yōu)選方案。因此，在用軟件無線電實現(xiàn)的可以支持不同頻段、不同多址方式的通信系統(tǒng)中，智能天線處理的體系結(jié)構(gòu)與算法應(yīng)當(dāng)實時地與系統(tǒng)具體采用的標(biāo)準(zhǔn)保持一致。

智能天線處理包括調(diào)整天線陣元權(quán)系數(shù)和利用給定的權(quán)系數(shù)對輸入信號實時處理兩方面的計算。不同的智能天線算法復(fù)雜度不同，同一算法在系統(tǒng)中天線陣元數(shù)不同時復(fù)雜度也不同。對于基于訓(xùn)練序列的智能天線算法，很多技術(shù)文獻中給出了采用LSM、RLS、FTF和LSL等自適應(yīng)算法調(diào)整天線陣元權(quán)矢量的計算復(fù)雜度。相關(guān)文獻給出了適用于3G標(biāo)準(zhǔn)的MDIR算法的復(fù)雜度。結(jié)果表明，當(dāng)基站的智能天線由4個陣元組成時，每個用戶的波束形成需要用一片浮點C67X DSP處理器。可見，對于同時要處理多個用戶信息的基站來說，實現(xiàn)MDIR智能天線算法難度較大。

相關(guān)文獻給出了一種次最優(yōu)的、低運算復(fù)雜度的盲智能天線算法，適用于采用CDMA多址方式的移動通信系統(tǒng)。特點是采用時-空處理結(jié)構(gòu)在解擴之后的基帶進行天線波束形成運算，調(diào)整天線權(quán)系數(shù)和實現(xiàn)陣列處理輸出都以信息符號的速率進行。而基站中采用此低復(fù)雜度智能天線算法的可行性很大。

多用戶檢測的實現(xiàn)

多用戶檢測技術(shù)通過信號處理手段來降低多址干擾、多徑干擾和遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響，從而增加系統(tǒng)容量和覆蓋范圍。多用戶檢測器可分為最優(yōu)的多用戶檢測器(MLSD檢測器)和次優(yōu)型多用戶檢測器，而次優(yōu)型多用戶檢測器又可分為線性多用戶檢測器和非線性多用戶檢測器。MLSD檢測器的復(fù)雜度為高。有關(guān)文獻中給出了部分降低復(fù)雜度的次優(yōu)型多用戶檢測器的復(fù)雜度。復(fù)雜度過高是制約所有多用戶檢測方法使用的決定因素。例如，實現(xiàn)最優(yōu)多用戶檢測器需要幾十至幾百TFLOPS，采用多級硬判決反饋算法的多用戶檢測方法需要至少7GFLOPS(或30GOPS)的處理量才能滿足WCDMA的要求。用當(dāng)前最先進的定點DSP芯片TMS320C6416來實現(xiàn)3G系統(tǒng)的多用戶檢測器，需要至少7～8片并行處理才能實現(xiàn)。對于不受體積、功耗等因素制約的基站來說，采用當(dāng)前最先進的微處理器技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)軟件無線電多用戶檢測器。

當(dāng)前的軟件無線電多用戶檢測器研究尚處于功能實現(xiàn)階段，通常采用全DSP結(jié)構(gòu)或DSP加FPGA的混合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。在采用DSP和FPGA混合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的軟件無線電多用戶檢測器中，用FPGA實現(xiàn)算法中計算量大、實時性要求高的部分，而DSP實現(xiàn)算法中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部分，如矩陣求逆等。已有相關(guān)文獻報道，采用改進的匹配濾波器方式實現(xiàn)了匹配濾波MF接收機、近似解相關(guān)檢測器AD、嚴(yán)格解相關(guān)檢測器DC、最小均平方誤差解相關(guān)器MMSE、連續(xù)干擾對消檢測器SIC、并行干擾對消檢測器PIC等多用戶檢測算法?？筛鶕?jù)業(yè)務(wù)QoS的不同要求，采用不同的多用戶檢測方法。全DSP結(jié)構(gòu)的軟件無線電多用戶檢測器靈活性更高。而采用4片RISC處理器PowerPC G4實現(xiàn)的基于判決反饋算法多級干擾對消的多用戶檢測器，可同時支持128個實時的、同時通話的話音用戶。

典型軟件無線電體系結(jié)構(gòu)

典型的軟件無線電系統(tǒng)包括實時信道處理部分、準(zhǔn)實時的環(huán)境管理部分以及用于開發(fā)增強業(yè)務(wù)的在線和脫機軟件等，圖2給出了典型軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的功能框圖。軟件無線電實現(xiàn)方式多樣，既可以利用ADC、FPGA、DSP和通用CPU形成具有SIMO和MIMO混合結(jié)構(gòu)的流水線方式來實現(xiàn)，也可以在通用的PC機和工作站上實現(xiàn)，甚至可以通過高速網(wǎng)絡(luò)利用網(wǎng)絡(luò)資源實現(xiàn)。