第1-软件无线电概述.pptx

第一章第一章 概论概论1.1 引言1.2 无线电技术的起源1.3软件无线电的概念1.4软件无线电的关键技术1.5软件无线电的研究现状和应用前景第一章第一章 概述概述1.1 引言v通信是伴随人类进步的推动力 2000多年以前现代文明还未启动，人类已经进行做大量远距离通信的探索，看看远古的烽火台吧！v电的发明推动现代通信诞生电的发现与现代通信电的发现与现代通信Benjamin Franklin(1706-1790)Michael Faraday(1791-1867）Samuel Morse(1791-1872)Alexander Graham BellThomas Edisons Telephonev电磁磁场电磁波理磁波理论推推动无无线通信通信无线通信发展无线通信发展James Clerk Maxwell(1831-1879)Heinrich Hertz(1857-1894)made the first radio transmitter and demonstrated the existence of radio waves in 1887.v电磁磁场电磁波理磁波理论推推动无无线通信通信On December 1901,Marconi proved to the world that it was possible to send messages across continents when he sent the letter S in Morse from Cornwall,England to St.Johns,Newfoundland in Canada.无线通信在军事和民用上迅速发展无线通信在军事和民用上迅速发展v军事上：电台，雷达等v民用上：广播/电视/无线通信/卫星通信等无线通信在军事和民用上迅速发展无线通信在军事和民用上迅速发展Early RADAR from the UK无线通信在军事和民用上迅速发展无线通信在军事和民用上迅速发展移动通信发展的历史移动通信发展的历史移动通信的历史可以追溯到19世纪未期,1897年,意大利科学家马可尼开启了移动通信发展的大门。移动通信最早开始于海上救难,并被应用于船舶、航空、警车等专用无线电通信系统。同于由于晶体管技术的诞生,1964年,美国率先推出了一种改进型的移动电话系统。进入20世纪70年代,一些发达国家进入了民用移动电话的时代。第一代系统第一代系统第二代系统第二代系统第三代系统第三代系统时间时间1970199619902001业务业务模拟移动电话数据模拟移动电话数据数字语音、消息数字语音、消息高速数据、宽带视频、多媒高速数据、宽带视频、多媒体体结构结构宏蜂窝宏蜂窝微蜂窝、微微蜂窝、无线本地环微蜂窝、微微蜂窝、无线本地环路路无线技无线技术术模拟调制模拟调制数字调制、数字调制、CDMA、使用、使用TDD和和FDD的的TDMACDMA、可能与、可能与TDMA结合或者与结合或者与TDD和和FDD结合结合频段频段800MHz800M和和1900MHz2GHz实例实例AMPS、TACSETACS、NTTNMT450/900JTACS/NTACSGSM/DCS1900cdmaOne(IS-95)USTDMAIS-136PACS、PHScdma2000WCDMATDS-CDMA第一代模拟蜂窝移动通信系统第一代模拟蜂窝移动通信系统v历史回顾：1978年，美国的贝尔实验室成功开发了AMPS（AdvanceMobilePhoneService）系统，实现了真正意义上的可以随时随地通信的大容量的蜂窝移动通信系统。1987年，中国首个TACS制式模拟移动电话系统建成商用，之后AMPS也曾被引入中国。v主要标准：美国的AMPS、欧洲的TACS、英国的ETACS、欧洲的NMT-450和NMT-900、日本的NTT和JTACS/NTACSv主要特点：v用户的接入方式采用频分多址（FDMA），当一个呼叫建立后，该用户在其呼叫结束以前一直占用一个频段v调制方式：FMv业务的种类单一，主要是话音业务v系统的保密性较差v频谱效率较低，有限频谱资源和无限用户v容量之间的矛盾十分突出频分多址（频分多址（FDMAFDMA）技术）技术v含义：每个用户占用一个频率v用户识别：频道号v特点：v简单，容易实现，适用于模拟和数字信号v以频率复用为基础，以频带划分各种v小区需要严格的频率规划，是频率受限和干扰受限系统v以频道区分用户地址，一个频道传输一路模拟/数字话路v对功控的要求不严，硬件设备取决于频率规划和频道设置v基站由多部不同载波频率的发射机同时工作v不适宜大容量系统使用v应用：模拟/数字蜂窝移动通信系统PowerFrequencyTimeFDMA第二代移动通信技术第二代移动通信技术-GSM-GSMv历史回顾：1992年，第一个数字蜂窝移动通信系统欧洲的GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）网络在欧洲开始铺设，由于其优越的性能，在全球范围内以惊人的速度得以扩张，目前已是全球最大的蜂窝通信系统。1993年，中国的第一个全数字移动电话GSM系统建成开通，之后中国电信和中国联通都采用了GSM。v主要特点：v微蜂窝小区结构v数字化技术-语音信号数字化v新的调制方式-GMSK、QPSK等vFDMA/TDMAv频谱利用率高，系统容量大v便于实现通信安全保密图频分复用系统组成框图时分多址（时分多址（TDMATDMA）技术）技术v含义：每个用户占用一个时隙v用户识别：时隙v特点：v以频率复用为基础，小区内以时隙区分用户v每个时隙传输一路数字信号，软件对时隙动态配置v系统要求严格的系统定时同步v对功控的要求不严v是时隙受限和干扰受限系统vTDD模式下，上下型信道信息可以共享v应用：GSM系统FrequencyPowerTimeFDMA/TDMA第三代第三代移动通信技术移动通信技术-CDMA-CDMAv历史回顾：1995年，美国的高通公司（Qualcomm）提出了一种采用码分多址（CDMA)方式的数字蜂窝系统技术解决方案（IS-95CDMA)，目前已分别在中国香港、韩国、北美等国家和地区投入使用，用户反映良好。vCDMA系统的主要特点：v用户的接入方式采用码分多址（CDMA）v软容量、软切换，系统容量大v抗多径衰落v可运用话音激活、分集接收等先进技术码分多址（码分多址（CDMACDMA）技术）技术v含义：每个用户使用一个码型，频率/时间共享v用户识别：码型v特点：v每个基站只需一个射频系统v每个码传输一路数字信号v每个用户共享时间和频率v是一个多址干扰受限系统v需要严格的功率控制v需要定时同步v软容量、软切换，系统容量大v抗衰落、抗多径能力强v应用：IS-95CDMA系统、cdma2000系统、WCDMA系统FrequencyCDMAPowerTime移动通信系统演进移动通信系统演进过程示意图过程示意图(Long Term Evolution)移动通信系统演进移动通信系统演进20移动通信系统演进移动通信系统演进21移动通信发展的方向移动通信发展的方向蜂窝、无绳、寻呼和集群等各种移动通信系统将在第三代中，以全球通用系统综合作为基本出发点逐步融合，力图建立一个全球的移动综合业务数字网。各种低、中、高轨道卫星移动通信系统纷纷推出，借以解决全球覆盖、三维空间的个人移动性。低轨道卫星移动通信的铱系统、全球星系统和中轨道卫星移动通信的ICO系统、奥德赛系统，均将陆续投入运行，GMPCS（全球卫星移动个人通信）成了ITU的热门议题。移动通信网作为一种理想的智能接入网未来必然要与固定通信网综合成全球一网，为达到个人通信的理想奠定基础。移动通信的现状移动通信的现状当前移动通信市场,多种体制并存,新体制不断涌现是当前移动市场的突出特点。它体现在以下几下方面：新的通信体制的不断和“标准”不断提出，通信产品的生存期缩短,开发费用上升。各种通信体制的并存，对多种体制互联的要求也日益强烈,这一点在军事通信中表现尤为突出。由于军事通信的特点,不同军种、不同用途的通信设备的种类非常多,多体制使各设备互相组网很困难甚至不可能。无线频带越来越拥挤,对通信系统的频带利用率和抗干扰能力要求不断提高,而多体制的存在,现在很难对重新规划,若采用新的抗干扰方法,需要对系统结构做较大改动。软件无线电思想：在一个通用的硬平台上,通过软件加载的方式用软件实现所有无线电台的功能。无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置，被广泛应用于商业、气象、军事、民用等领域。然而，大家可曾知道v“沙漠风暴”行动和格林纳冲突，美军各种通信设备的不兼容性暴露无疑，不得不借助许多额外的无线电台，才能保障高效的通信联络。1.2 软件无线电的软件无线电的起源起源v欧洲第一代模拟网：加入欧洲邮电会议(CEPT)的16个国家，分别共使用6种不同的制式。这些模拟通信体系的制式，频率各不相同，不能互通、兼容。那些喜欢到邻国旅游的人们，车一出国门电话就不通了，带来了极大的不便。v矛盾的核心：互通性v为了解决互通性的问题，各国军方积极探索，提出一种研制多频段、多功能电台，用一个系列的电台来解决互通问题的方案。但是，其庞大的开支，短暂的寿命，使这种设想并没有发挥多大作用。1992年，MILTRE公司的Joseph Mitola首次明确提出了软件无线电的概念。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。v成功吗？（1）很强的灵活性（2）较强的开放性这使得软件无线电这一概念一经提出，就得到了全世界无线电领域的广泛关注。1.软件无线电的概念软件无线电的概念由于技术的变化和应用的扩展,有关软件无线电的概念、结构、实现、用途等都在发展之中,目前还很难给出一个严格而全面的定义。软件无线电可以这样定义：将模块化、标准化的单元以总线方式连接构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。软件无线电的关健思想：将A/D/A尽可能接近天线用软件来完成尽可能多的无线电功能对软件无线电的认识应注意：第一,软件无线电并不是不要硬件,而是把硬件作为一个基本平台。这相平台具有两个特点：标准化、模块化；以总线方式连接;一个典型的软件无线电平台可以将硬件单元划分为射频、中频、基带、信源和信令各层。第二,软件无线电与数字无线电有本质的区别软件无线电是要使通信系统摆脱硬件结构束缚；数字无线电更多依赖硬件和系统结构；第三,软件无线电是一种开放的体系结构。这种开放表现在三个方面：使用的开放性；生产的开放性；研制的开放性；软件无线电的优势：灵活性,可以任意的改变信道接入方式,改变调制方式或接收不同系统的信号。集中性,多个信道享有其同的射频前端与宽带A/D/A转换器，以获取每个信道相对廉价的信号处理性能。1.4 软件无线电技术的关键技术软件无线电技术的关键技术1、软件无线电基本平台设计 一般说来，软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和数字信号处理以及各种软件组成，理想的软件无线电的组成结构如下图：窄带窄带A/D_D/A转换器转换器实时、准实时实时、准实时处理软件处理软件DSP宽带宽带A/D_D/A转换器转换器射频前端射频前端模块模块电话电话图像图像数据数据传真传真1.4.1 1.4.1 开放式总线结构及实现开放式总线结构及实现v目前，软件无线电的结构基本上可以分为三种：-射频低通采样数字化结构；-射频带通采样数字化结构；-宽带中频带通采样数字化结构。说明：关于软件无线电的结构，将在以后章进行详细分析，并从数学模型角度进行讨论。2、硬件功能的模块化设计 软件无线电的硬件具有开放性，其硬件必将采用总线结构。采用标准的、高性能的开放式总线结构便于硬件模块的不断升级和扩展。工业控制总线的总线标准很多，例如ISA、PCI、VME等。其中，针对多处理系统而设计的VME总线被广泛的应用于工业控制之中。也是软件无线电选择的总线之一。下面给出一个基于VME总线的简单的软件无线电硬件结构图示：宽宽 带带 射射 频频板板 存存 储储 器器 板板并并行行DSP板板高高速速A/DD/A板板 VME 主主机机板板 用用 户户 接接 口口 板板音频音频视频视频传真传真数据数据VME总线总线 多路耦合器多路耦合器 高速数据总线高速数据总线硬件功能的模块化和开放性 软件无线电硬件的模块化结构可以参看SDR论坛，对SDR设备的抽象层次结构功能模型，通过三个不同层面的视图表示。最上一层是最抽象的表示为一个信息传输线程。左边接口代表空中接口，右边接口代表人机接口。第二层通过四个重要的功能领域表示一个基本顺序的功能流：1）前端处理包括物理的空中接口，前端无线电频率处理，变频处理，还有调制、解调制处理；2）信息安全提供用户私有，特权，和信息保护；3）信号处理负责解析处理信息中的数据、控制、和时间信息；4）控制负责系统的配置和管理。第三层显示了系统的主要功能模块。硬件功能的模块化和开放性信息传输线程信息传输线程RFModem可选的连可选的连接处理器接处理器通讯通讯安全安全编码编码信号协议信号协议InternetworkingI/OETE安全安全前端处理前端处理信息安全信息安全信息处理和信息处理和I/O 控制控制 控制控制1233、软件的模块化设计和面向对象编程：软件无线电的软件应具有开放性，可以不断更新或者升级，而软件的加载可以通过空中接口实现，使用起来快捷方便。同时，应根据API来进行区分，进行模块化。采用通用对象请求代理（CORBA）技术，以面向对象方法为基础，为分布环境中各类网络互相访问、协同工作提供了一个一致的服务平台。CORBA能够无缝的共享应用数据，它提供了一种软总线。概念说明 CORBA-是一种规范，用于解决面向对象的异构应用之间的互操作问题，提供分布式计算所需要的一些其他服务。使用CORBA IDL可以描述CORBA中间件接口。软件的模块化设计和面向对象编程：软件模块软件模块软件模块软件模块软件模块软件模块软件模块软件模块层间通信层间通信垂直接口垂直接口 传统软件层次结构传统软件层次结构1234软件的模块化设计和面向对象编程：软件模块软件模块1软件模块软件模块2软件模块软件模块3软件模块软件模块4CORBA软总线软总线基于基于CORBA的软件结构的软件结构软件的模块化设计和面向对象编程：说明：基于软件通信结构的工具开发、软件模块设计、操作系统设计、网络应用软件开发、分布计算实现等等，是目前软件无线电技术研究的热点之一。4、软件化及软件化程度的评价、软件化及软件化程度的评价v我们知道软件无线电是要在通用的硬 件平台上，靠软件来完成各式各样的功能。因此，软件化的程度是一个很重要的指标。1997年Joe Mitola 提出用矢量V(N，PDA，HM，SFA)表示软件化程度，每个参量的取值均为03。1.4.2智能天线技术智能天线技术v我们知道软件无线电是要实现多波段、多制式电台的互通互连，必然要引入多天线技术。软件无线电技术与数字多波束形成（DBF）相结合的完美产物就是智能天线技术。实际上智能天线技术已经成为下一代移动通信系统的关键技术。1.4.3模数转换部份 软件无线电对A/D/A转换器的要求是很高的,对它们的要求采样速率和采样精度。采集速率主要由信号带宽决定，一般要大于信号带宽的2.5倍。其主要的技术指标如下：1）分辩率(Resolution)指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。2）转换速率(ConversionRate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(SampleRate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次。3）量化误差(QuantizingError)由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。4）偏移误差(OffsetError)输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。5）满刻度误差(FullScaleError)满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。6）线性度(Linearity)实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。其他指标还有：绝对精度(AbsoluteAccuracy)，相对精度(RelativeAccuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（TotalHarmonicDistotortion缩写THD）和积分非线性。1.4.4数字下变频部份数字变频技术是软件无线电的核心技术之一。与模拟变频器相比，数字变频不存在模拟变频器中混频器的非线性和模拟本地振荡器的频率稳定度、边带、相位噪声、温度漂移、转换速率等人们关心但是难以彻底解决的问题，而且数字变频中频率步进和频率间隔也具有理想的性能，并且数字变频器的控制和修改比较容易，实现比较简单。影响数字变频器性能的主要因素有两个：表示数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差；数字本振相位分辨率不够大而引起的数字本振样本数值的近似取值。数字变频器由数字混频器、数字控制振荡器（NCO）和低通滤波器三部分组成。1.4.5高速信号处理部份主要完成基带处理、调制解调、比特流处理和编译码等工作。这部份工作由高速处理器（DSP）完成，这是软件无线电的一个核心部份,但也是一个主要瓶颈。由于单DSP处理器能力有限,采用多DSP联合处理。1.4.6信令处理部份信令是通信网络的神经系统，无线资源管理、移动性管理、呼叫连接控制、补充业务、短消息业务及与固定网连接与信令息息相关。在现在的移动通信中,信令部份已经由软件完成,软件无线电的任务是将通信协议及将软件标准化、通用化和模块化。无线接入是无线通信的重要内容,其协议的主体部份是空中接口,目前已形成许多不同的标准。这就需要开发通用的信令框架。1.5 软件无线电的研究现状和应用软件无线电的研究现状和应用前景前景软件无线电技术的发现软件无线电技术的发现MBMMR SPEAKeasy Phase1SPEAKeasy Phase21、1991年Joseph Mitola III提出软件无线电概念，并各到广泛认可。I coined the term Software Radio in 1991 to signal the shift from hardware intensive digital radios of the 1980s to the multiband multimode software-defined radios of the year 2000 and beyond.Last year,I coined the term Cognitive Radio to refer to that class of software radio that employs model-based reasoning and at least a chess-program level of sophistication in using,planning,and creating radio etiquettes.Cognitive radio is an emerging topic within software radio.现代许多技术发展总是从军事需求的推动，软件无线电技术更是典型代表。2、美国军方开始的Speakeasy（易通话）研发，代表软件无线电技术的研究全面开展。易通话电台试图通过全数字、软件可编程、基带信号处理、多频段、小功率射频收发信机、大功率放大器和天线分系统来实现各种功能。目前，易通话已经完成了第一阶段和第二阶段的研究。易通话的两个研发阶段易通话的两个研发阶段1）易通话工程的第一阶段）易通话工程的第一阶段 第一阶段主要验证软件无线电概念的正确性、可行性。由美国国防部支持和Hazeltine,TRW,Lockheed-Martin,Motorola,and Rockwell-Collins等公司赞助，完成：-两个可编程信道的电台实现。VME bus architecture Texas Instrument quad-TMS320C40 multi-chip module for digital signal processing SUN Sparc 10 工作站作为主机接口。-采用模块设计，19标准机箱。语音语音/数数据接口据接口通信保密通信保密波形波形合成合成传输传输保密保密数字信数字信号处理号处理高速信号高速信号预处理预处理频率变换频率变换滤波放大滤波放大天线分系统天线分系统终端控制终端控制人机接口人机接口电源分系统电源分系统时钟分系统时钟分系统易通话电台信号处理流程易通话电台信号处理流程2）易通话工程的第二阶段）易通话工程的第二阶段 在第一阶段成功完成理论验证基础上，研制演示系统，达到下列目标：-真正开放式结构 -功能软件可编程 -能与TF-XXI AWE F,Irwin,March 97等电 台互通 -支持HF,VHF,UHF 多频段易通话第二阶段的功能模块易通话第二阶段的功能模块天线天线耦合耦合器器发射发射接收接收信道信道A/DD/A预处预处理器理器(ASIC)波形波形处理器处理器(DSP)信息信息安全安全控制控制多媒多媒体接体接入入路路由由器器GPS控制控制处理器处理器参考参考时钟时钟蜂窝电话蜂窝电话射频前端射频前端信号处理信号处理信息安全信息安全网络互联网络互联控制控制外部接口外部接口人机人机接口接口MBMMR电台的组成电台的组成易通话第二阶段的功能模块易通话第二阶段的功能模块SPEAKEASY MULTIBAND,MULTIMODE SPEAKEASY MULTIBAND,MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINALCOMMUNICATIONS TERMINAL易通话第二阶段的功能模块易通话第二阶段的功能模块SPEAKEASY MULTIBAND,MULTIMODE SPEAKEASY MULTIBAND,MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINALCOMMUNICATIONS TERMINAL3、联合战术无线电系统（、联合战术无线电系统（JTRS）JTRS是美军为了适应三军联合作战的需要，在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。系统构成的基础是基于MBMMR的战术无线电台（JTR）。JTR系列电台与常规电台的最大不同点是具有很强的网络功能和信息安全处理能力。另外，JTR比MBMMR电台支持更加广泛的信号波形，它还能适应技术发展进行快捷高效的波形升级。3、联合战术无线电系统（、联合战术无线电系统（JTRS）JTR系统除2MHz2GHz工作频率外，具有以下技术特性：v即插即用通用性；v模块化硬件可现场配置；v波形软件可现场编程；v嵌入式定位：自动向网络输送态势感知；v保密的数据网络功能；v3个或更多个其他网络模式；3、联合战术无线电系统（、联合战术无线电系统（JTRS）v自动区域或互联网路由选择；v动态网络连接、寻址和带宽分配；v模拟选定的传统无线电台；v“动中通”功能；v开放式物理结构和软件结构；v应未来技术、系统和支援作战结构（可扩展性）。联合战术无线电系统（联合战术无线电系统（JTRS）射频射频前端前端调制调制解调解调信号信号处理处理信息信息安全安全网络网络互联互联系统系统控制控制人机人机接口接口内部互连总线内部互连总线(黑黑)用户接口用户接口(用于信息安全用于信息安全)天线天线接口接口内部互连总线内部互连总线(红红)用户接口用户接口网络接口网络接口4、JTRS提出的软件通信结构提出的软件通信结构SCAv首先提出SCA的是美军联合战术无线电系统（JTRS），目的是建立独立于设备的结构框架。其目标是确保软件和硬件的可移植性和可配置性，并确保根据SCA开发的产品之间的互通。之后，软件定义无线电（SDR）论坛也接受SCA规范，并正在把SCA发展为商业应用的标准。JTRS提出的软件通信结构提出的软件通信结构SCASCA要达到的八个目标v通用的和开放的结构v支持多种设备系统和设备运行环境v多波段多模式v与现有系统兼容v新技术的引入具有开放性v保密性v网络化软件重用/通用的波形软件基于基于SCA的无线通信系统的无线通信系统 在SCA 中，根据通信功能的划分，所有的资源通过软件平台分别加载到相应的硬件模块中，从而完成用户通信功能。从OSI（开放系统互连）模型来看，这些通信功能包括了物理层的数字信号处理、链路层的协议处理、网络层的协议处理、网络间的路由转发、信息的安全传送、外部输入输出访问等。下图是基于SCA 的无线通信系统方框图。信信息息源源加加密密器器编编码码器器调调制制器器信信道道解解调调器器译译码码器器解解密密器器受受信信者者信信息息信信息息噪声源噪声源HW：射频：射频/调制解调模块调制解调模块SW：调制解调资源：调制解调资源/数据链路资源数据链路资源黑边子系统黑边子系统HW：黑边处理模块：黑边处理模块SW：调制解调资源：调制解调资源/网络信息资源网络信息资源SW：网络信息资源网络信息资源/数据链路资源数据链路资源HW：信息安全模块（通信保密模块）：信息安全模块（通信保密模块）加密子系统加密子系统HW：红边处理模块：红边处理模块HW：输入输出模块：输入输出模块SW：输入输出资源输入输出资源SW：信息安全资源：信息安全资源红边子系统红边子系统红边子系统红边子系统基于基于SCA的无线通信系统方框图的无线通信系统方框图SCA的软件结构的软件结构vSCA的软件结构定义了一个运行环境（OE：Operating Environment），还包括一系列CF业务和结构化的软件（主板支持软件包、操作系统和服务、CORBA中间件）。vSCA使用的是面向对象的开发方法，其开发过程不仅可以用于框架的定义，还可以用于产品的开发。SCA使用联合建模语言UML对接口进行图示建模，使用接口定义语言CORBA IDL对接口进行定义。5.JTRS的关键技术JTRS的实施将有赖于几项关键的启动技术，为此，美国国防高级研究计划局（DARPA）正在寻求解决一些关键技术，包括：1)射频微机电系统（MEMS）MEMS是采用整体表面微切削加工集成电路处理技术装配的电子或机械设备。射频MEMS技术提供了一种方式，可在一块芯片上产生小型的、可调的、高性能的无源元件，可彻底改革RF信号的处理。该技术将有可能实现真正的高性能、低成本的单芯片射频系统。2)先进的射频专用集成电路（RFASIC）尽管现代ASIC技术在窄带、单模式、蜂窝手机等方面的应用已达到较高级的集成，但仍难以支持多模式、多信道、宽带的JTRS要求，因此迫切需要开发低功耗、大容量、更小型的电子设备。先进的射频专用集成电路（ASIC）技术将可能使JTRS的硬件获得彻底改变。3)可编程射频（RF）前端DARPA正在研究可编程RF前端接收机原理，把新的射频电路、模/数变换器（ADC）、数字信号处理（DSP）以及封装技术最佳组合，设计出一种新型、高度通用的接收机系统。这种接收机组合了以可调谐RF滤波器和软件可编程DSP为基础的微机电系统（MEMS），提供高度灵活性和可编程能力，并降低成本。4)模/数（A/D）变换器模/数变换器（ADC）正在向以较高的速率把信号数字化的方向发展。这种演变使新的、高度灵活的JTRS成为可能。其它ADC技术的发展允许在较高的输入频率直接进行数字化大大简化了射频前端的设计。5)可编程调制解调器（Modem）可编程Modem负责把信息（话音和数据）映射到射频载波。有关专用波形的大部分处理都在这里完成，因此大部分软件复用也是在这里实现。工业部门正在加大力度研制功能更强、功耗更低的数字信号处理器。6)可编程信息安全（INFOSEC）研制可编程信息安全（INFOSEC）模块是JTRSSRM成功的一个关键部件。不研制这种模块，JTRS系统的灵活性及成长性就会受到传统加密设备的限制，或者要对硬件进行改进。目前正在利用全部可编程的超标量结构研制INFOSEC模块，同时支持多个处理。这些模块可支持多种传统加密算法以及未来的高数据率算法。7)先进的组网技术JTRS系统的应用包括陆、海、空军，因此要开发先进的组网技术，包括无线信道上的数据组网。传统上组网技术是为有线通信基础设施研制的，在这种环境中，现有网络协议是最佳的。但是，当前军/民航空应用还应包括无线通信信道上的数据组网。这些信道的特性与有线基础设施不同，误码率高且可变、传输时延长以及不断变化的连接拓扑结构。这些特性就要求修改或扩充现有协议标准，而且，如果要求有线网络与无线网络互通，那么也必须修改那些端-端协议。除了协议必须修改外，军事用户还有其它网络需求，应能规定业务质量（QOS），如延迟范围等。8)实现软件技术JTRS概念中对系统的实时操作系统和应用软件有严格的时间要求。同时需要高档的开发环境以便快速地进行应用规模的测定、原型设计、开发调试和实现复用。目前，正在发展的JTRS操作系统是基于WindowsNT中Win32API的实时内核。v在民用方面，软件无线电也取得了很大的发展。如：已经研制成功的220MHz地震遥测系统，采用16QAM的调制方式，信道带宽为20kHz，频带利用率为3b/(s*Hz)。利用这种设备,不但降低了成本，还提高了系统的灵活性。又比如3G/4G中的应用。、军事上成功，是软件无线电技术迅、军事上成功，是软件无线电技术迅 速在民用上推广速在民用上推广.软件无线电在移动通信中的优势软件无线电在移动通信中的优势使用SDR概念来设计和实现下一代的无线通信系统和设备，与传统的产品和设备相比较，具有明显的优势。它将使得从技术研究开发，到设备制造商、电信运营商，再到每个无线通信最终用户都受益。具体如下：1)为技术和产品的研究开发提供一个新概念和通用无线通信平台，大大降低了开发成本和周期。对技术和产品的研究开发而言，传统的无线通信系统只对单一的标准进行产品开发，从标准相对稳定到设计和开发专用芯片，再到产品设计和实现是一个以年为单位的过程，开发周期长、开发成本高。上述情况导致在标准制定进程中，大多数新技术不能被应用，限制了新技术的发展和应用，导致商用产品和当时技术水平的巨大差异。SDR将提供一个新概念和通用无线通信平台，在此平台上，可能基于软件来实现新业务和使用新技术，大大降低了开发成本和周期，使产品能跟上技术发展的水平。未来的新业务将由用户来开发，只有使用SDR的概念，才可能让用户像使用PC一样，用SDR设备去开发所需的新业务。2)设备制造商降低投资风险，提高经济效益对制造商来说，随着技术的进步，目前无线通信产品的生命周期越来越短，因此针对单一产品线的投资风险很大。基于SDR产品的生产将比传统产品原材料成本低，且产品寿命长，这就意味着投资风险低。同时，由于它简单化及标准化硬件使得产品容易生产。因此，制造商生产基于SDR技术的产品，可得到远大于生产传统产品的效益。)为运营商降低投资风险对运营商来说，移动通信网建设需要巨大投资，同时具有很大风险性。我国现今一方面由于市场需求，GSM网络迅速扩容，增加GPRS设备；另一方面又面临第三代移动通信即将到来的时期，制定一个成功的投资战略极为困难。在下阶段又将考虑在第三代移动通信的多种标准中如何选择，也有很大的投资风险。软件无线电从某种程度上就可降低这种风险。4)为最终用户提供了一个通用的终端设备平台从最终用户的角度看，基于SDR技术用户的设备，是为用户提供了一个通用的终端设备平台。它应当能支持多达58种国际上通用的标准，而且可以通过空间加载软件技术达到用户设备升级的目的。只有这样，用户才不需要关心他所在的地区和运营商的问题，从而实现真正意义的全世界漫游。用户也有可能获得他所希望得到的新业务。1.6 认知无线电认知无线电94无线频谱现状：频谱资源紧张，很多国家差不多已经将可用频谱资源分配完毕。留给新系统、业务和技术的频谱很少甚至没有频谱可分配。2024/4/8 周一95认知无线电的发展背景上图是美国纽约的频谱利用情况：频谱利用率仅15%-20%（授权频谱）。2024/4/8 周一96认知无线电的发展背景u频分复用u时分复用u蜂窝小区如何才能提高频谱利用率呢？2024/4/8 周一97认知无线电的发展背景传统技术在一定程度上提高频谱利用率和传输容量，即便如此，频率资源问题仍旧突出。认知无线电的提出在一定程度上减缓了频率资源短缺问题。2024/4/8 周一98认知无线电的概念和特点概念的提出：u认知无线电(CognitiveRadio)这个术语首先是JosephMitola在软件无线电概念的基础上提出的。u其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。2024/4/8 周一99认知无线电的概念和特点两个概念：uFCC认为：“CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”uSimonHaykin则从信号处理的角度出发，认为：“CR是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。”2024/4/8 周一100认知无线电的基本原理与关键技术v基本原理 CRCR设备对周围环境感知、探测、分析，这种探测和感知是全方位的，应对地形、气象等综合信息也有所了解。由此图也可得出，CRCR是高智能设备，应包含一个智能收发器。有了足够的人工智能，它就能吸取过去的经验对实际情况进行响应，过去的经验包括对死区、干扰和使用模式等的了解。它的学习能力是使它从概念走向应用的真正原因。2024/4/8 周一101认知无线电的基本原理与关键技术u关键技术p频谱检测匹配滤波器法能量检测法循环平衡特定检测法p自适应传输技术OFDMUWBp频谱管理目前各种基于CR的频谱管理思想和管理规则仍在研究之中。2024/4/8 周一102认知无线电的发展现状u目前，认知无线电技术炙手可热，应用前景一片大好。有报道称具有认知功能的无线局域网产品将在近一两年内问世，但是要真正实现CR技术还需解决包括频谱检测技术、自适应频谱资源分配技术和无线频谱管理技术等关键技术问题。u最引人关注的项目是IEEE802.22工作组的工作，该工作组制订了利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化活动。2024/4/8 周一103认知无线电系统的定义uITU-RWP1B的定义：认知无线电系统是引进如下技术的无线电系统：允许系统获取关于自身运行环境和地理环境，已建立政策以及自身内部状态的有关信息；根据已获信息动态自主地调整运行参数和礼仪来达到预期目标；学习获得的结果。2024/4/8 周一104认知无线电系统的基本特性u从以上对认知无线电系统的定义我们可以得出其基本特性：获取信息；动态自主的调整自身运行参数和礼仪；从先前的调整结果中学习来改善自身性能。2024/4/8 周一105认知无线电系统的基本特性认知无线电系统框图2024/4/8 周一106CRS基本特性-获取信息u获取信息的基本成分：CRS运行无线电环境：例如，当前频谱使用情况，指示可用无线电系统，使用中的分配频段，无线通信系统的覆盖范围，干扰水平等。CRS地理环境：例如，CRS或其他无线电系统设备的位置和其天线方向，CRS用户