淺談軟件無線電技術(shù)及在3G中的應(yīng)用

　　一、引言

　　以開放的、模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為核心的軟件無線電技術(shù)被普遍認(rèn)為是3G基站未來的發(fā)展趨勢，其可為3G提供通用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能實現(xiàn)靈活、系統(tǒng)改進(jìn)與升級很方便，利用統(tǒng)一的硬件平臺，不同的軟件來滿足不同標(biāo)準(zhǔn)的需求。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的實現(xiàn)主要是由軟件來實現(xiàn)的，軟件的生存周期決定了通信系統(tǒng)的生存期，這樣就能更快地跟蹤市場變化，降低更新?lián)Q代的成本。

　　二、軟件無線電概述及關(guān)鍵技術(shù)

　　軟件無線電（SWR）的概念是由美國科學(xué)家Joe．Mitola于1992年5月在美國電信系統(tǒng)會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，而用軟件實現(xiàn)盡可能多的無線及個人通信功能。

　　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。實現(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)字信號處理和高性能的總線結(jié)構(gòu)等方面。理想軟件無線電的組成結(jié)構(gòu)如圖所示:

　　(1) 天線及射頻轉(zhuǎn)換部分的關(guān)鍵技術(shù)

　　射頻段要求能夠接入多個波段甚至覆蓋整個波段。主要包括組合式多頻段天線及智能化天線技術(shù)，模塊化、通用化收發(fā)雙工技術(shù)、多倍頻程寬帶低噪聲接收放大器技術(shù)，線性高功率放大器技術(shù)和寬帶上下變頻器技術(shù)。這部分只能用高頻模擬器件實現(xiàn)，但可以用軟件對其功能和參數(shù)進(jìn)行控制。

　　(2) A/D-D/A與高速、高精度中頻數(shù)字處理段關(guān)鍵技術(shù)

　　把A/D-D/A變換器放置在盡可能靠近天線的位置上是軟件無線電與傳統(tǒng)數(shù)字無線電的主要區(qū)別之一。在軟件定義無線電中，A/D-D/A變換器放在中頻對大帶寬范圍內(nèi)的多路信號進(jìn)行采樣。根據(jù)Nyqist定理，大輸入信號帶寬要求A/D變換有很高的采樣率；另一方面由多路信號間的遠(yuǎn)近效應(yīng)而要求A/D變換器有大的動態(tài)范圍與取樣精度。當(dāng)A/D技術(shù)不能滿足要求時，有多種解決方案。如，把整個接收帶寬分成多個子帶，用多個窄帶A/D對各個子帶并行采樣；用對數(shù)壓縮等方法控制或抑制輸入信號動態(tài)范圍；量化與信號預(yù)測相結(jié)合，量化預(yù)測誤差信號等。

　　數(shù)字下變頻的任務(wù)是將A/D輸出的含有多路信道的高速數(shù)字信號進(jìn)行信道劃分與提取，包括變頻、濾波和降采樣等處理。數(shù)字上變頻是其逆過程。實現(xiàn)上、下變頻所要求的運算量很大，是系統(tǒng)實現(xiàn)中最困難的部分。在移動通信系統(tǒng)中，基站和移動臺在中頻處理部分面臨的問題和采用的技術(shù)不完全相同。由于基站一般要求同時處理多個來自不同頻帶的信號，因此，理想的方式是采用寬帶接收機，利用多速率信號處理技術(shù)來提高計算效率，例如使用基于FFT的信道劃分技術(shù)來提取所有信道。對于移動臺和手機，由于只接收自身的一路信號，因此一般可采用專用器件來實現(xiàn)數(shù)字下變頻，如Harris公司的HSP50214B等。

　　(3) 基帶與比特流處理部分關(guān)鍵技術(shù)

　　基帶與比特流處理部分主要完成單一信道信號基帶可編程處理。包括調(diào)制/解調(diào)、編/譯碼、交織/去交織、擴頻/解擴、加/解密處理、信道均衡，定時、同步甚至信源編碼等。這部分要求具有高度的可編程、可重新配置特點。雖然數(shù)據(jù)速率比中頻低，但對于3G標(biāo)準(zhǔn)(如W-CDMA和CDMA2000)，由于數(shù)據(jù)速率本身較高(W-CDMA最低為3.84Mbit/s，CDMA2000最低為1.2288Mbit/s)，同時，信道譯碼方法、RAKE接收、多用戶檢測算法和智能天線技術(shù)等運算量都很大，產(chǎn)生所謂DSP瓶頸。解決DSP瓶頸的方法是采用樹型結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多處理器技術(shù)�；鶐�處理部分由可編程器件如FPGA、DSP和通用CPU等結(jié)合實現(xiàn)。如何進(jìn)行無線電功能的劃分及將劃分后的功能映射到具有不同靈活性和處理特點的器件上(FPGA的靈活性比DSP和通用CPU差，但具有分布特點的大計算量算法適合在FPGA上實現(xiàn))，決定了整個系統(tǒng)的綜合性能。

　　(4) 軟件技術(shù)

　　實現(xiàn)SWR術(shù)要求軟件具有對硬件平臺的獨立性。實現(xiàn)軟件對硬件獨立的方式之一是建立介于硬件和軟件之間的中間插件，實現(xiàn)硬件、軟件和中間插件的層次結(jié)構(gòu)。軟件技術(shù)中另一個關(guān)鍵問題是軟件下載,包括軟件下載方式、接口方式和軟件下載的認(rèn)證、安全和協(xié)議等。手機實現(xiàn)軟件下載有三種方式：通過使用智能卡編程等來支持某特定標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)下載方式；通過空中(OTA)下載來預(yù)先配置終端，以適應(yīng)一組特定的協(xié)議、應(yīng)用和無線電接口的偽靜態(tài)方式；在通話過程中通過OTA重新配置軟件的動態(tài)軟件下載方式。目前考慮的將軟件傳送到軟件無線電手機的接口有三種:手機與智能卡間的接口，它對應(yīng)的是靜態(tài)軟件下載方式;手機與外設(shè)間的接口，它對應(yīng)的也是靜態(tài)軟件下載方式，其中外設(shè)是具有擴展存儲器和足夠處理能力的計算機；手機與基站之間的無線接口，此接口與偽靜態(tài)方式和動態(tài)軟件下載方式相對應(yīng)。

　　軟件無線電中的關(guān)鍵技術(shù)還包括開放式高速、寬帶數(shù)據(jù)傳送技術(shù)。為了適應(yīng)軟件無線電的發(fā)展，需要速度更高、帶寬更大的新型開放總線�；�于網(wǎng)絡(luò)的軟件無線電要求高于10Gbit/s超高速網(wǎng)絡(luò)。因此，開放式高速、寬帶數(shù)據(jù)傳送技術(shù)對結(jié)構(gòu)靈活、開放、可擴展軟件無線電實現(xiàn)非常重要。

　　三、3G系統(tǒng)中的軟件無線電技術(shù)

　　在3G系統(tǒng)所要實現(xiàn)的目標(biāo)與系統(tǒng)的特點中，最核心的問題是提供不同環(huán)境下的多媒體業(yè)務(wù)及實現(xiàn)包含水、陸、空的全球覆蓋。因而它要求實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)的綜合：無線網(wǎng)與有線網(wǎng)的綜合，移動網(wǎng)與固定網(wǎng)的綜合，陸地網(wǎng)與衛(wèi)星網(wǎng)的綜合。這樣可以提供全球無縫覆蓋，為用戶提供在無線與有線環(huán)境下統(tǒng)一的業(yè)務(wù)使用方式，又適應(yīng)多種業(yè)務(wù)環(huán)境，且與第二代移動通信系統(tǒng)兼容，便于平滑升級。對于通信終端而言，它面對的是多種網(wǎng)絡(luò)的綜合系統(tǒng)，因而需要實現(xiàn)多頻多模式終端（手機）。3G系統(tǒng)可支持的速率為室內(nèi)靜止2Mbit／s，步行移動384kbit／s，車速移動144kbit／s，衛(wèi)星移動9.6kbit／s，所以手機要適應(yīng)寬帶多業(yè)務(wù)的要求。軟件無線電為通信系統(tǒng)提供一種新型的結(jié)構(gòu)，那就是利用統(tǒng)一的硬件平臺，不同的軟件來實現(xiàn)不同的功能。只有軟件無線電技術(shù)才能解決多頻多模式多業(yè)務(wù)終端問題。

　　由于3G的標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一是非常困難的，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)基礎(chǔ)為參考來制定比較現(xiàn)實的過渡方法，并在1997年3月的中間會議上一致通過了"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，也存在多頻多模多業(yè)務(wù)基站問題，針對這種情況, 我們認(rèn)為應(yīng)該在第三代移動通信發(fā)展中引入軟件無線電, 充分利用軟件無線電技術(shù)帶來的系統(tǒng)靈活性和通用性, 實現(xiàn)第三代移動通信中多種空中接口的并存, 以及第三代與GSM系統(tǒng)的兼容, 并對將來新的通信標(biāo)準(zhǔn)的引入和升級帶來非常大的便利, 同時保護運營商和用戶的利益，軟件無線電是解決基站問題的利器。具體他講，軟件無線電技術(shù)在3G系統(tǒng)中的應(yīng)用體現(xiàn)在以下幾個方面：

　�。�1）為第三代移動通信手機與基站提供了一個開放的，模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；
　�。�2）智能天線結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，空間特征矢量包括DOA（來波方向估計）的獲得、每射頻通道權(quán)重的計算和天線波束賦形； 　　
　�。�3）各種信號處理軟件的實現(xiàn)，包括各類無線信令規(guī)則與處理軟件、信號流變換軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件、信道糾錯編碼軟件、信源編碼軟件算法等。

　　軟件無線電技術(shù)是當(dāng)今計算技術(shù)，超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術(shù)在無線電通信中應(yīng)用的產(chǎn)物。它在我國提出的3G系統(tǒng)SCDMA中，應(yīng)用就更廣泛了。SCDMA系統(tǒng)的基站和終端都采用了高速數(shù)字處理器和高速A/D變換器，處理速度高于每秒5千萬次，全部基帶信號處理和變換都用軟件來完成。在SCDMA中軟件無線電將實現(xiàn)如下功能：
　　
�。�1）提供一個開放的模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 　　
�。�2）智能天線的實現(xiàn)； 　　
�牐�3）同步檢測、建立和保持； 　　
�牐�4）用戶終端口D-QPSK（差分正交移相鍵控）解調(diào)器中的載波恢復(fù)、頻率校準(zhǔn)和跟蹤； 　　
�牐�5）每碼道功率的檢測和發(fā)射功率控制的實現(xiàn)；
�。�6）接收通道的電平檢測和接收增益控制； 　　
�牐�7）擴頻調(diào)制和解調(diào)，包括WALSH（沃什）碼和PN（偽隨機）碼的產(chǎn)生；
�。�8）語音編譯碼； 　　
�牐�9）DTMF（雙音多頻），MFC（多頻編碼）及各種信號的產(chǎn)生和檢測； 　　
�牐�10）信道編碼、復(fù)接和分接； 　　
�牐�11）發(fā)射脈沖成形濾波； 　　
�牐�12）SWAP（交換）信令的差錯檢測； 　　
�牐�13）接收信令的差錯檢測； 　　
�牐�14）發(fā)射通道的數(shù)字預(yù)失真； 　　
�牐�15）基站收發(fā)信機的校準(zhǔn)。

　　在第三代系統(tǒng)中引入軟件無線電技術(shù), 特別是利用軟件無線電技術(shù)建造第三代多模多媒體終端, 對軟件無線電的相關(guān)技術(shù)提出了非常高的要求。然而我們認(rèn)為目前技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)為采用軟件無線電技術(shù)提供了堅實的基礎(chǔ), 對于第三代移動通信,已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)程度上的軟件無線電: 理想的軟件無線電系統(tǒng)的天線部分應(yīng)該能夠覆蓋全部無線通信頻段, 這對天線技術(shù)提出了較高的要求。對于第三代移動通信, 一般認(rèn)為其頻帶寬180MHz～230MHz。利用組合式多頻段天線是能實現(xiàn)覆蓋的。

　　從上面可以看出軟件無線電技術(shù)在3G系統(tǒng)中的應(yīng)用是非常廣泛的，而且只有軟件無線電技術(shù)才能解決3G系統(tǒng)中的多頻多模手機與基站問題。

　　四：結(jié)束語

　　軟件無線電(SWR)技術(shù)是近年來提出的一種實現(xiàn)無線通信的新的體系結(jié)構(gòu)，它的基本概念是把硬件作為無線通信的基本平臺，而把盡可能多的無線通信及個人通信功能用軟件實現(xiàn)。這樣無線通信新系統(tǒng)、新產(chǎn)品的開發(fā)將逐步轉(zhuǎn)到軟件上來，而無線通信的產(chǎn)品價值將越來越多地體現(xiàn)在軟件上。這是無線通信領(lǐng)域繼固定到移動、模擬到數(shù)字之后的第三次革命，軟件無線電已成為第三代移動通信(3G)的戰(zhàn)略基礎(chǔ)，并正繼續(xù)朝產(chǎn)業(yè)化、全球化的方向發(fā)展，將在下個世紀(jì)形成和計算機及程控交換相當(dāng)?shù)木薮螽a(chǎn)業(yè)。