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第四代移动通信技术之软件无线电技术【摘要】软件无线电是当前无线通信领域在固定至移动、 模拟至数字之后的最新革命, 其正朝着产业化、 全球化的方向发展, 将在4G系统中得到广泛应用。本文主要研究软件无线电技术对通信传输的改进以及4G系统中软件无线技术的应用特点等。一、 引言软件无线电提供了一条满足未来个人通信需要的思路。软件无线电突破了传统的无线电台以功能单一、 可扩展性差的硬件为核心的设计局限性, 强调以开放性的最简硬件为通用平台, 尽可能地用可升级、 可重配置不同的应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路。其中心思想是: 构造一个具有开放性、 标准化、 模块化的通用硬件平台, 将各种功能, 如工作频段、 调制解调类型、 数据格式、 加密模式、 通信协议等用软件来完成, 并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线, 以研制出具有高度灵活性、 开放性的新一代无线通信系统 。图一、 软件无线电原理框图 Error! 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采用数字方法对阵元接收信号进行加权处理, 形成多个波束赋形, 每一个波瓣对应于一个特别的手机用户, 波束也能够动态追踪用户, 使主波束对准用户信号方向; 在干扰信号方向上, 形成天线方向图零陷或功率增益较低, 从而达到抑制干扰的目的。图三3、 4G系统中的软件无线电应用特点 在国外, 软件无线电技术迅速发展, 军用软件无线电技术以美国的军用”易通话”计划为代表, 处于世界软件无线电技术领域的前沿。继而, 在美国防部计划的推动下, 其它一些国防电子公司也纷纷展开了多频段多模式电台研制工作。在欧共体的ACTSFIRST项目中, 软件无线电技术用在设计多频/多模可编程手机中, 可自动检测接入不同的网络信号, 能满足不同接续时间要求; 可用不同软件实现不同无线电设备的各种功能; 可任意改变信道调制方式和接入方式, 利用不同软件即可适应不同标准, 构成多功能基站和多模手机, 且具备高度灵活性。4、 能够预见, 基于软件无线电的4G通信将会具有以下特点: 有自动漫游能力, 并能在不同系统间进行智能切换; 在同一硬件平台上, 能兼容不同系统; 可下载公用软件, 并能进行自身系统的升级; 可支持语音、 数据、 图像和传真等多种业务, 并能根据业务流量, 信道质量等情况, 自动选择合适的传输信道; 可自动选择通信模式, 并能采用合适的通信协议和信号格式实现远端通信。 除此之外, 软件无线电出现了一些新的发展趋势, 主要表现在体系结构分层化、 结构数学分析化、 软件模块化、 计算机化、 面向对象化、 网络化以及安全化方面。软件无线电技术是适应产品多样性的基础。它不但能减少开发风险, 还更易于开发多系列多类型的产品。另外, 它能够减少硅芯片的容量, 从而削减运算器件的价格, 其开放的结构也有利于多方运营商的介入; 同时, 数字信号处理DSP技术的使用, 也弥补了廉价RF( RadioFrequency) 所造成的不足。在实际应用中, RF部分是昂贵而缺乏灵活性的, 宽带的RF是非线性的, 而软件无线电技术可弥补其在灵活性上的不足图四三、 软件无线电的产生软件无线电的概念是1992年作为与军事有关的技术被首次提出的。1992年5月, 在美国电信系统会议上, MITRE公司的JEO MI-TOLA首次明确提出了软件无线电的概念, 之后软件无线电技术即被美国军方用于研制多频段、 多模式电台, 该电台是美军为保证不同设备间的互通性, 使各军种间实现高效、 可靠的协同通信而研制的三军通用软件无线电台基于可编程数字信号处理( DSP) 芯片的多频段、 多方式电台易通话( speakeasy) , 其工作频段覆盖2 MHz, 其目标是与现在15种军用电台兼容。1995年美国国防高级研究计划局( ) 的易通话一期工程的技术工作者对软件无线电的军事应用进行了较系统、 全面的论述。1995年5月IEEE Communication Magazine发表了一期软件无线电专刊, 系统全面地介绍了软件无线电的体系结构, 其中包括与数字无线电的区别、 硬件和软件的实现方法、 性能分析及其功能性结构。该专刊还较为系统地介绍了软件无线电中有关取样、 A/D和D/A变换的基本理论、 DSP处理器的结构特点及现有DSP芯片清单、 软件无线电中多处理器间相互通信的一些理论基础, 所有这些为软件无线电的一些关键技术的研究( 如开放式总线结构、 宽频段多频段天线及射频前端技术、 高速高精度A/D和D/A技术及高速DSP及ASIC的实现通信协议的标准化、 模块化提供了理论基础, 至此以后, 人们便尝试着将软件无线电技术应用于商业领域。1996年, 易通话二期计划促进了多功能模块化信息传输系统( MMTIS) 论坛的发展最近, MMTIS论坛改名为软件无线电论坛, 它预示着软件无线电开放式结构标准开始从军用转向商用。1996年10月, 软件无线电技术被中国列入国家”863”计划的通信研究项目。近年来, 软件无线电的技术被广泛地应用于陆地移动通信、 卫星移动通信与全球通信系统, 软件无线电成为解决数字移动通信中多种不同标准问题的最佳选择方式。四、 4G软件无线电技术的基本思想软件无线电的基本思想是以一个通用、 标准、 模块化的硬件平台为依托, 经过软件编程来实现无线电台的各种功能, 从基于硬件、 面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、 灵活性差的硬件电路, 特别是减少模拟环节, 把数字化处理( A/D和D/A变换) 尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性, 经过软件更新改变硬件配置结构, 实现新的功能。软件无线电采用标准的、 高性能的开放式总线结构, 以利于硬件模块的不断升级和扩展。 软件无线电( software radio) 在一个开放的公共硬件平台上利用不同可编程的软件方法实现所需要的无线电系统。简称SWR。理想的软件无线电应当是一种全部可软件编程的无线电, 并以无线电平台具有最大的灵活性为特征。全部可编程包括可编程射频( RF) 波段、 信道接入方式和信道调制。 一般说来, SWR就是宽带模数及数模变换器( A/D及D/A) 、 大量专用/通用处理器、 数字信号处理器( Digital Signal Proicesser, DSP) 构成尽可能靠近射频天线的一个硬件平台。在硬件平台上尽量利用软件技术来实现无线电的各种功能模块并将功能模块按需要组合成无线电系统。例如: 利用宽带模数变换器( Analog Digital Converter, ADC) , 经过可编程数字滤波器对信道进行分离; 利用数字信号处理技术在数字信号处理器( DSP) 上经过软件编程实现频段( 如短波、 超短波等) 的选择, 完成信息的抽样、 量化、 编码/解码、 运算处理和变换, 实现不同的信道调制方式及选择( 如调幅、 调频、 单边带、 跳频和扩频等) , 实现不同的保密结构、 网络协议和控制终端功能等。 在当前的条件下可实现的软件无线电, 称做软件定义的无线电( Software Defined Radio, SDR) 。SDR被认为仅具有中频可编程数字接入能力。 发展历史 无线电的技术演化过程是: 由模拟电路发展到数字电路; 由分立器件发展到集成器件; 由小规模集成到超大规模集成器件; 由固定集成器件到可编程器件; 由单模式、 单波段、 单功能发展到多模式、 多波段、 多功能; 由各自独立的专用硬件的实现发展到利用通用的硬件平台和个性的编程软件的实现。 20世纪7080年代, 无线电由模拟向数字全面发展, 从无编程向可编程发展, 由少可编程向中等可编程发展, 出现了可编程数字无线电( PDR) 。由于无线电系统, 特别是移动通信系统的领域的扩大和技术复杂度的不断提高, 投入的成本越来越大, 硬件系统也越来越庞大。为了克服技术复杂度带来的问题和满足应用多样性的需求, 特别是军事通信对宽带技术的需求, 提出在通用硬件基础上利用不同软件编程的方法。20世纪80年代初开始的软件无线电的革命, 将把无线电的功能和业务从硬件的束缚中解放出来。 1992年5月在美国通信系统会议上, Jeseph Mitola( 约瑟夫米托拉) 首次提出了”软件无线电”( Software Radio, SWR) 的概念。1995年IEEE通信杂志( Communication Magazine) 出版了软件无线电专集。当时, 涉及软件无线电的计划有军用的SPEAKEASY( 易通话) , 以及为第三代移动通信( 3G) 开发基于软件的空中接口计划, 即灵活可互操作无线电系统与技术( FIRST) 。 1996年3月发起”模块化多功能信息变换系统”( MMITS) 论坛, 1999年6月改名为”软件定义的无线电”( SDR) 论坛。 1996年至1998年间, 国际电信联盟( ITU) 制订第三代移动通信标准的研究组对软件无线电技术进行过讨论, SDR也将成为3G系统实现的技术基础。 从1999年开始, 由理想的SWR转向与当前技术发展相适应的软件无线电, 即软件定义的无线电( Software Defined Radio, SDR) 。1999年4月IEEE JSAC杂志出版一期关于软件无线电的选集。同年, 无线电科学家国际联合会在日本举行软件无线电会议。同年还成立亚洲SDR论坛。1999年以后, 集中关注使SDR的3G成为可能的问题。 功能模型 : 软件无线电的功能模型如图1所示。它将无线电的功能划分为信道集、 信道编/解码、 信息安全、 服务与网络支持、 信源编/解码和信源集。其中, 信道集包括: RF信道、 同时性、 多波段传播、 有线互操作性以及为了控制服务质量( QoS) 自动采用多信道( 或模式) 。服务和网络支持包括: 多路复用, 建立与控制, 数据服务和网络互连( 有线及互连网标准, 包括移动性) 。联合控制包括: 联合信源/信道编码, 动态QoS与本地控制, 处理资源管理( 综合用户和网络接口, 多用户、 多波段、 多模式能力) 。多个性即多波段、 多模式、 灵巧服务以及与传统模式的互操作。SDR的个性包括: 射频( RF) 波段、 信道集( 例如控制和业务信道) 、 空中接口波形及有关功能。演进支持功能能够支持软件及无线电平台的演进。 软件无线电功能接口示于图1中各个功能块之间。其中的射频( RF) 波形即空中接口; 中频( IF) 波形包括大多数空中接口, 但信号被滤波及变换到IF处理。保护比特即加密比特。而明比特是非加密比特。网络比特符合网络协议, 源比特适合解码器。多个性是经过软件对象接口下载到无线电的。这些接口是软件无线电的”横向( 水平) ”接口, 它形成信源和信道之间的信号流与控制流。五、 在软件无线电中的关键技术主要有: ( 1) 宽带/分频段天线: 软件无线电台要求能够从短波到微波相当宽的频段内进行工作, 最好能研究一种新型的全向宽带天线, 能够根据实际需要用软件智能地构造其工作频段和辐射特性。当前的可行性方案是采取组合式多频段天线。( 2) 多载波功率放大器( MCPA) : 理想的软件无线电在发射方向上把多个载波合成一路信号, 经过上变频后, 用一种MCPA对宽带的模拟混合信号进行低噪音放大。因为混合信号中信号与信号的包络幅度相差很大, 因此对放大器的非线性特别敏感, MCPA采用前向反馈技术抑制不需要的互调载波, 得到有效的功率利用。需要很好地选择器件并使用电路CAD优化技术。( 3) 高速宽带A/D, D/A变换: A/D的主要性能是采样速率和采样精度, 理想的软件无线电台是直接在射频上进行A/D变换, 要求必须具有足够的采样速率。根据Nyquist采样定理, 要不失真的反映信号特性, 采样频率fs至少要是模拟信号带宽Wa的两倍。为保证性能, 在实际应用中常进行过采样处理, 要求fs2.5Wa。根据当前研究结果, 其中一种解决方案是, 可用多个高速采样保持电路和ADC, 然后经过并串转换将量化速度降低, 以提高采样分辨率。( 4) 高速并行DSP: 数字信号处理( DSP) 芯片是软件无线电所必须的最基本的器件。软件对数字信号的处理是在芯片上进行的。中频以下主要包括三部分: 基带处理、 比特流处理和信源编码。基带处理主要是完成各种波形的调制解调, 扩频解扩以及信道的自适应均衡和各种同步的数字处理, 每路需要几十到几百个MIPS的处理能力。比特流处理主要完成信道编解码( 软判决译码) 、 复用或分解或交换、 信令、 控制、 操作和管理以及加密解密等功能, 每路需要几十个MIPS的处理能力。信源编码要完成话音、 图像等的编码算法、 每信道需要十几个MIPS的处理能力。要完成如此巨大的信号处理运算, 必须采用高速多个DSP并行处理结构才有可能实现。( 5) 软件无线电的算法: 软件的构造, 自然是把对设备各种功能的物理描述建立起数学模型( 建模) , 再用计算机语言描述的算法, 最后转换成用计算机语言编制的程序。软件无线电中的算法特点: 1、 对信号处理的实时性。对算法的要求在时空上很高; 2、 软件无线电算法应具高度自由化( 便于升级) , 开放性( 模块化, 标准化) ; 3、 当前主要算法为数值法, 但并不排斥其它算法, 或者多种算法的结合。六、 软件无线电发展状况当前, 蜂窝移动通信系统已经发展到第三代, 3G系统进入商业运行一方面需要解决不同标准的系统间的兼容性; 另一方面为了适应技术的飞速发展, 3G无线通信系统要求具有高度的灵活性和扩展升级能力。软件无线电技术无疑是最好的解决方案。作为3G移动通信标准中的两个主要标准, W-CDMA和CDMA 都采用码分多址接入方式, 且具有信道带宽宽, 数据速率多样且支持高速率, 不同业务采用信道编码不同等共性, 同时, 这两种标准之间在码片速率、 信道带宽和信道选择码等方面也存在差异。为了解决这些方面的问题及为了提高系统容量, 在3G中将采用的智能天线技术( SmartAntenna) 、 多用户检测技术( MUD) 等, 使得软件无线电技术在3G系统中有着广泛的应用空间。首先, 智能天线技术在中国的TD-SCDMA的方案中, 利用数字信号处理技术识别用户信号到达方向, 形成天线主波束; 引入空分多址( SDMA) 方式, 根据用户信号不同的空间传播方向, 提供不同的空间信道; 采用数字方法对阵元接收信号进行加权处理, 形成多个波束赋形, 每一个波瓣对应于一个特别的手机用户, 波束也能够动态追踪用户, 使主波束对准用户信号方向, 在干扰信号方向上, 形成天线方向图零陷或功率增益较低, 从而达到抑制干扰的目的。其次, 在欧共体的ACTSFIRST项目中, 软件无线电技术也用到了设计多频/多模可编程手机中。它可自动检测接收信号, 接入不同的网络, 而且能满足不同的接续时间要求。软件无线电技术可用不同软件实现不同无线电设备的各种功能, 可任意改变信道接入方式或调制方式, 利用不同软件即可适应不同标准, 构成多模手机和多功能基站, 具有高度的灵活性。除此之外, 软件无线电出现了一些新的发展趋势: 主要表现在体系结构分层化、 软件模块化、 结构数学分析化、 面向对象化、 计算机化、 网络化和安全化七、 发展趋势软件无线电技术的未来因特网使人类社会及知识迅速地无障碍地流动和交换, 从而大大加速财富产生的过程。然而早期的互联网的主要形态是有线互联, 专家认为现在的通信网络行业正朝着两个方向发展, 一个就是有线宽带互联网络, 该有线网络能够为客户和专业用户提供非常广泛的业务, 经过能够处理语音、 互联网和视频的网络来实现这一点, 即多业务网络, 这主要是为家庭用户对宽带的需求所驱动的; 另一个是无线互联网, 即无论用户身在何处都能享受到无线网络提供的移动数据服务, 而且大多是针对用户具体情况定制的业务。可是在未来的3G时代, 3G手机服务将使有线互联网络和无线互联网络得到整合, 这两个网络将互为补充, 当用户在家里时, 她们会希望能快速接入所需的信息, 而当她们在旅途中时也同样能使用这些业务。到当前为止我们所看到的网络互联业务都是基于早期技术的。未来的3G技术将使用户将宽带业务装在口袋里, 该技术将为用户提供数倍于当前的快速数据连接, 要实现这样的目的, 单纯依靠传统的通信技术来实现将会变得非常繁杂。为此, 不少通信专家都认为很有必要引入软件无线电技术, 并将其作为从第二代移动通信通向第三代和第四代移动通信之桥。软件无线电技术能够将模拟信号的数字化过程尽可能近地接近天线, 即将A/D和D/A转换器尽可能地靠近RF前端, 利用DSP( 数字信号处理器) 技术进行信道分离、 调制解调和信道编译码等工作。软件无线电技术能够为2G系统向3G系统的过渡提供无缝隙解决方案, 旨在建立一个无线电通信平台, 在平台上运行各种软件系统, 以实现多通路、 多层次和多模式的无线通信。当前移动电话芯片组的结构模式为DSPCPU多频(GSM和CDMA等)RF前端。TI公司以无线专用TMS320C54XDSP系列产品为主, 配合其RFIC芯片组等提供全套GSM和CDMA解决方案。Motorola公司则围绕其低电压(1.8V)双内核基带处理器DSP56652, 力推TDMA和无线接入解决方案。在无线通信领域,低电压和低功耗已经成为评价移动电话系统性能好坏的主要标志之一。Rockwell则提出3片基带IC4片RFIC的900MHzGSM移动电话全套解决方案。基带处理器采用ARM7Thumb内核和32位DSP内核,128脚TQFP封装, 可提供Modem控制、 网络接入和人机界面。四片RFIC由RF120/136/122/130组成,其中RF136包括一个完整的GSM收发器、 可变增益放大器、 VCO和I/Q等。Rockwell将为包括900MHz、 1800MHz和北美PCS1900MHz在内的所有的GSM频带提供解决方案,以便提供简易的升级途径,在当前GSM和CDMA系统的基础上提供良好的数据服务。未来的通信在采用软件无线电技术后, 就能提供多向无线连接环境, 未来移动通信运营商推出新型服务后, 用户无需更换手机, 只需下载不同的程序即可, 这就如同当前的PC产品上使用不同操作系统来满足不同应用一样; 因此利用该项技术真正实现各种不同型号、 不同厂商的通信产品的相互通信, 而且可降低制造商、 运营商和消费者的成本负担, 也可提供各种量身订做的应用服务。由于现在的WAP通信产品中的程序均直接固化在手机芯片中, 因此各运营商提供的服务内容也是大同小异, 用户也没有太多的选择空间。到有线与无线网络相互整合后, 用户就能够借核心IP网络软件无线电程序, 使手机与数字电视、 宽带网络家电等通讯产品保持连接, 用户则可经过手机享受定位搜索、 多媒体信息、 个性化信息及移动网内与网外连接等服务。发展趋势图 1八、 总结在4G发展的诸多关键技术中, 软件无线电技术是承载4G发展的桥梁。随着各种先进技术的交叠发展, 更利于降低开发风险, 因此未来发展的4G技术中必须满足各种类型产品的需要, 软件无线电技术恰好满足产品多样性需求, 既可降低开发4G的风险, 又支持更多系列产品的开发。另外, 由于软件无线电技术减少了硅芯片的应用, 可有效降低成本更利于推广使用。在4G技术的网络支持方面, 由于通信系统选择的是基于IP全分组形势基础上的数据传输流, 因此IPv6将成为下一代网络协议。当前在软件无线电技术领域里还有许多挑战, 如数字信号处理器的运算能力还远远达不到软件无线电的要求等, 可是随着微电子技术和计算机通信技术的飞速发展, 相信在不久的将来这些问题将会得到圆满的解决, 软件无线电技术也将在通信领域里大放异彩