淺談軟件無(wú)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(wú)線電技術(shù)被普遍認(rèn)為是3G基站未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，其可為3G提供通用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能實(shí)現(xiàn)靈活、系統(tǒng)改進(jìn)與升級(jí)很方便，利用統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，不同的軟件來(lái)滿足不同標(biāo)準(zhǔn)的需求。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)主要是由軟件來(lái)實(shí)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(chǎng)變化，降低更新?lián)Q代的成本。

　　二、軟件無(wú)線電概述及關(guān)鍵技術(shù)

　　軟件無(wú)線電（SWR）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(wú)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(wú)線及個(gè)人通信功能。

　　軟件無(wú)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(wú)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(wú)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。實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)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。理想軟件無(wú)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(gè)波段甚至覆蓋整個(gè)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(shí)現(xiàn)，但可以用軟件對(duì)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(wú)線電與傳統(tǒng)數(shù)字無(wú)線電的主要區(qū)別之一。在軟件定義無(wú)線電中，A/D-D/A變換器放在中頻對(duì)大帶寬范圍內(nèi)的多路信號(hào)進(jìn)行采樣。根據(jù)Nyqist定理，大輸入信號(hào)帶寬要求A/D變換有很高的采樣率；另一方面由多路信號(hào)間的遠(yuǎn)近效應(yīng)而要求A/D變換器有大的動(dòng)態(tài)范圍與取樣精度。當(dāng)A/D技術(shù)不能滿足要求時(shí)，有多種解決方案。如，把整個(gè)接收帶寬分成多個(gè)子帶，用多個(gè)窄帶A/D對(duì)各個(gè)子帶并行采樣；用對(duì)數(shù)壓縮等方法控制或抑制輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍；量化與信號(hào)預(yù)測(cè)相結(jié)合，量化預(yù)測(cè)誤差信號(hào)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(hào)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(shí)現(xiàn)上、下變頻所要求的運(yùn)算量很大，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中最困難的部分。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，基站和移動(dòng)臺(tái)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(shí)處理多個(gè)來(lái)自不同頻帶的信號(hào)，因此，理想的方式是采用寬帶接收機(jī)，利用多速率信號(hào)處理技術(shù)來(lái)提高計(jì)算效率，例如使用基于FFT的信道劃分技術(shù)來(lái)提取所有信道。對(duì)于移動(dòng)臺(tái)和手機(jī)，由于只接收自身的一路信號(hào)，因此一般可采用專用器件來(lái)實(shí)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(hào)基帶可編程處理。包括調(diào)制/解調(diào)、編/譯碼、交織/去交織、擴(kuò)頻/解擴(kuò)、加/解密處理、信道均衡，定時(shí)、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(diǎn)。雖然數(shù)據(jù)速率比中頻低，但對(duì)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(shí)，信道譯碼方法、RAKE接收、多用戶檢測(cè)算法和智能天線技術(shù)等運(yùn)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(shí)現(xiàn)。如何進(jìn)行無(wú)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(diǎn)的器件上(FPGA的靈活性比DSP和通用CPU差，但具有分布特點(diǎn)的大計(jì)算量算法適合在FPGA上實(shí)現(xiàn))，決定了整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能。

　　(4) 軟件技術(shù)

　　實(shí)現(xiàn)SWR術(shù)要求軟件具有對(duì)硬件平臺(tái)的獨(dú)立性。實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)硬件獨(dú)立的方式之一是建立介于硬件和軟件之間的中間插件，實(shí)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(gè)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(jī)實(shí)現(xiàn)軟件下載有三種方式：通過使用智能卡編程等來(lái)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(lái)預(yù)先配置終端，以適應(yīng)一組特定的協(xié)議、應(yīng)用和無(wú)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(dòng)態(tài)軟件下載方式。目前考慮的將軟件傳送到軟件無(wú)線電手機(jī)的接口有三種:手機(jī)與智能卡間的接口，它對(duì)應(yīng)的是靜態(tài)軟件下載方式;手機(jī)與外設(shè)間的接口，它對(duì)應(yīng)的也是靜態(tài)軟件下載方式，其中外設(shè)是具有擴(kuò)展存儲(chǔ)器和足夠處理能力的計(jì)算機(jī)；手機(jī)與基站之間的無(wú)線接口，此接口與偽靜態(tài)方式和動(dòng)態(tài)軟件下載方式相對(duì)應(yīng)。

　　軟件無(wú)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(wú)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(wú)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(duì)結(jié)構(gòu)靈活、開放、可擴(kuò)展軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)非常重要。

　　三、3G系統(tǒng)中的軟件無(wú)線電技術(shù)

　　在3G系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)與系統(tǒng)的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)包含水、陸、空的全球覆蓋。因而它要求實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)的綜合：無(wú)線網(wǎng)與有線網(wǎng)的綜合，移動(dòng)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(wú)縫覆蓋，為用戶提供在無(wú)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(dòng)通信系統(tǒng)兼容，便于平滑升級(jí)。對(duì)于通信終端而言，它面對(duì)的是多種網(wǎng)絡(luò)的綜合系統(tǒng)，因而需要實(shí)現(xiàn)多頻多模式終端（手機(jī)）。3G系統(tǒng)可支持的速率為室內(nèi)靜止2Mbit／s，步行移動(dòng)384kbit／s，車速移動(dòng)144kbit／s，衛(wèi)星移動(dòng)9.6kbit／s，所以手機(jī)要適應(yīng)寬帶多業(yè)務(wù)的要求。軟件無(wú)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(tái)，不同的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。只有軟件無(wú)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(lái)制定比較現(xiàn)實(shí)的過渡方法，并在1997年3月的中間會(huì)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(duì)這種情況, 我們認(rèn)為應(yīng)該在第三代移動(dòng)通信發(fā)展中引入軟件無(wú)線電, 充分利用軟件無(wú)線電技術(shù)帶來(lái)的系統(tǒng)靈活性和通用性, 實(shí)現(xiàn)第三代移動(dòng)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(duì)將來(lái)新的通信標(biāo)準(zhǔn)的引入和升級(jí)帶來(lái)非常大的便利, 同時(shí)保護(hù)運(yùn)營(yíng)商和用戶的利益，軟件無(wú)線電是解決基站問題的利器。具體他講，軟件無(wú)線電技術(shù)在3G系統(tǒng)中的應(yīng)用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　�。�1）為第三代移動(dòng)通信手機(jī)與基站提供了一個(gè)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(shí)現(xiàn)，空間特征矢量包括DOA（來(lái)波方向估計(jì)）的獲得、每射頻通道權(quán)重的計(jì)算和天線波束賦形； 　　
　�。�3）各種信號(hào)處理軟件的實(shí)現(xiàn)，包括各類無(wú)線信令規(guī)則與處理軟件、信號(hào)流變換軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件、信道糾錯(cuò)編碼軟件、信源編碼軟件算法等。

　　軟件無(wú)線電技術(shù)是當(dāng)今計(jì)算技術(shù)，超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在無(wú)線電通信中應(yīng)用的產(chǎn)物。它在我國(guó)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(wàn)次，全部基帶信號(hào)處理和變換都用軟件來(lái)完成。在SCDMA中軟件無(wú)線電將實(shí)現(xiàn)如下功能：
　　
�。�1）提供一個(gè)開放的模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 　　
�。�2）智能天線的實(shí)現(xiàn)； 　　
�牐�3）同步檢測(cè)、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(cè)和發(fā)射功率控制的實(shí)現(xiàn)；
�。�6）接收通道的電平檢測(cè)和接收增益控制； 　　
�牐�7）擴(kuò)頻調(diào)制和解調(diào)，包括WALSH（沃什）碼和PN（偽隨機(jī)）碼的產(chǎn)生；
　（8）語(yǔ)音編譯碼； 　　
�牐�9）DTMF（雙音多頻），MFC（多頻編碼）及各種信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)； 　　
�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(cuò)檢測(cè)； 　　
�牐�13）接收信令的差錯(cuò)檢測(cè)； 　　
�牐�14）發(fā)射通道的數(shù)字預(yù)失真； 　　
�牐�15）基站收發(fā)信機(jī)的校準(zhǔn)。

　　在第三代系統(tǒng)中引入軟件無(wú)線電技術(shù), 特別是利用軟件無(wú)線電技術(shù)建造第三代多模多媒體終端, 對(duì)軟件無(wú)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(wú)線電技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ), 對(duì)于第三代移動(dòng)通信,已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)程度上的軟件無(wú)線電: 理想的軟件無(wú)線電系統(tǒng)的天線部分應(yīng)該能夠覆蓋全部無(wú)線通信頻段, 這對(duì)天線技術(shù)提出了較高的要求。對(duì)于第三代移動(dòng)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(shí)現(xiàn)覆蓋的。

　　從上面可以看出軟件無(wú)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(wú)線電技術(shù)才能解決3G系統(tǒng)中的多頻多模手機(jī)與基站問題。

　　四：結(jié)束語(yǔ)

　　軟件無(wú)線電(SWR)技術(shù)是近年來(lái)提出的一種實(shí)現(xiàn)無(wú)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(wú)線通信的基本平臺(tái)，而把盡可能多的無(wú)線通信及個(gè)人通信功能用軟件實(shí)現(xiàn)。這樣無(wú)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(lái)，而無(wú)線通信的產(chǎn)品價(jià)值將越來(lái)越多地體現(xiàn)在軟件上。這是無(wú)線通信領(lǐng)域繼固定到移動(dòng)、模擬到數(shù)字之后的第三次革命，軟件無(wú)線電已成為第三代移動(dòng)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(gè)世紀(jì)形成和計(jì)算機(jī)及程控交換相當(dāng)?shù)木薮螽a(chǎn)業(yè)。