軟件無線電

佘其炯
　　軟件無線電的由來


　　軟件無線電最初是在軍事通信中提出的，軟件無線電作為軍用技術(shù)已有30年以上的歷史，但是由于不同部隊用于不同目的的無線電臺在工作頻段、調(diào)制方式上存在差異而無法互通。如果需要互通，就需要作進(jìn)一步的改進(jìn)，如美國部分推出的JTRS(戰(zhàn)術(shù)合作無線系統(tǒng))的意向合同，其目的就是能實現(xiàn)基于軟件無線電技術(shù)的可以互操作、互工作的系統(tǒng)。在民用通信方面，由于新標(biāo)準(zhǔn)的不斷涌現(xiàn)、新老通信體制共存，不同體制的系統(tǒng)的互聯(lián)變得復(fù)雜與困難，加上各種通信設(shè)備的大量出現(xiàn)、使無線電頻譜越來越擠，傳統(tǒng)的以硬件為基礎(chǔ)的無線通信系統(tǒng)已難以適應(yīng)發(fā)展的需求，軟件無線電正是最好的解決方案。


　　什么是軟件無線電？


　　軟件無線電的基本概念是利用不斷增加的芯片處理速度和不斷的大規(guī)模集成電路技術(shù)，把DSP芯片或通用CPU芯片作為無線通信的基本硬件平臺，將盡可能多的無線通信功能，如調(diào)制技術(shù)、跳頻、糾錯及加密等用軟件實現(xiàn)。這些軟件通常是DSP、ASIC、FPGA(現(xiàn)場可編程序的邏輯序列)里的軟件。上述無線功能可以用軟件升級來改變無線參數(shù)，可以按要求的條件用編程來設(shè)計。這樣就把無線通信系統(tǒng)或產(chǎn)品的某些部分轉(zhuǎn)移到軟件上來，無線通信設(shè)備的價格將與軟件有關(guān)。系統(tǒng)升級基于軟件，其代價小。采用軟件無線電，使不同的系統(tǒng)和設(shè)備容易兼容和互聯(lián)。軟件無線電將被看成是無線通信領(lǐng)域中繼固定到移動、模擬到數(shù)字之后的又一次飛躍，又一次革命。


　　軟件無線電的基本特點


　　軟件無線電在可編程的通用硬件平臺上，利用軟件來定義和實現(xiàn)無線設(shè)備的各部分功能，包括前端接收，中頻處理和信號的基帶處理等。它盡可能在靠近天線的地方通過寬帶模/數(shù)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換器完成信號的數(shù)字化，然后用軟件定義并實現(xiàn)無線設(shè)備的功能。軟件模塊由各種算法庫組成，通過加載軟件算法或是升級軟件就可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能的擴張和采用新的通信標(biāo)準(zhǔn)。所以，軟件無線電具有充分?jǐn)?shù)字化、靈活多編程、模塊化設(shè)計、多頻段轉(zhuǎn)換、多業(yè)務(wù)支持等特點。


　　這里需要特別指出的是，軟件無線電與軟件控制的無線設(shè)備不是一回事。兩者的重要區(qū)別是，軟件無線電的結(jié)構(gòu)和功能是完全可編程的，如可編程的射頻頻段，可編程的信道接入模式，可編程的信號調(diào)制解調(diào)制方式等。而軟件控制的無線設(shè)備則不是這樣。


　　軟件無線電的組成


　　軟件無線電一般由以下幾部分組成。


　　收發(fā)信天線及饋線。采用智能天線，其天線陣的方向圖可以由基帶數(shù)字信號器來控制。


　　射頻發(fā)射機和接收機。由通用平臺和多個射頻發(fā)射機模塊組成。其工作頻率范圍應(yīng)足夠?qū)�，并用�?shù)字頻率合成技術(shù)來設(shè)置，對每種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)能多載波工作。


　　高速數(shù)字鏈路。多條高速數(shù)字鏈路連接射頻和基帶平臺。為支持2G(第二代)和3G(第三代)移動通信標(biāo)準(zhǔn)，該鏈路上的信號傳輸速率將超過1-2Gb/s。


　　通用基帶信號處理平臺。該平臺由多種可編程的數(shù)字電路板組成，完成接口，信息應(yīng)用及控制等功能。


　　各種軟件包。有控制軟件包(如對移動通信的基站進(jìn)行配置、設(shè)置、管理等的軟件)，


　　物理層軟件包，高層軟件包(對應(yīng)于各種標(biāo)準(zhǔn)和制式)和系統(tǒng)接口軟件包(滿足對多種接口的要求)。這些軟件存放在基帶數(shù)字信號處理平臺中，或者通過網(wǎng)絡(luò)加載獲得。


　　軟件無線電的應(yīng)用


　　1.用于設(shè)計多頻多模的移動終端


　　利用不同的軟件適應(yīng)不同的標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)整軟件設(shè)置來改變信道接入方式或調(diào)制方式。軟件無線電技術(shù)可以設(shè)計出靈活的通信終端，使一部終端(手機)能用于不同制式的移動網(wǎng)絡(luò)上，大大方便了用戶，降低了運營商的成本，有利于移動通信技術(shù)的發(fā)展。


　　由于2G，2.5G(第二代半)，3G移動通信的不斷演時，要求手機能是多頻/多模(可兼容GSM，DCS1800，W-CDMA以及現(xiàn)有大多數(shù)的模擬系統(tǒng))的可編程手機，支持GSM/GPRS，IS-95A/B，PDC，IS-136，EDGE、ARIB W-CDMA ETSI UMTS，以及cdma2000 1x等，未來幾年還需要支持TDD接口，如UTRA TDD和TDS-CDMA。顯然，軟件無線電是實現(xiàn)上述要求的最佳解決方案。


　　采用軟件無線電技術(shù)使手機可以自動檢測接收信號，接入不同的網(wǎng)絡(luò)，而且能滿足不同接續(xù)時間的要求。


　　軟件無線電技術(shù)用于終端(手機)的最近的一個例子就是2002年6月由韓日二國共同舉辦的世界杯足球賽。韓國移動電話的制式是cdma One和cdma2000,日本移動電話的制式是PDC，cdma One和ARIB W-CDMA。由于兩國制式不一樣。將不能實現(xiàn)漫游。采用軟件無線電技術(shù)使同樣一部手機，只要自動改變軟件，就可以從GSM網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)移到cdma One或cdma2000網(wǎng)絡(luò)上工作，從而實現(xiàn)了同一部手機可在肉種網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下工作。它將為眾多的觀眾和球迷帶來方便，為廠家和運營商迎來更多的商機。


　　2.支持3G系統(tǒng)實現(xiàn)全球漫游


　　由于種種原因，國際電信聯(lián)盟(ITU)制訂的第三代移動通信系統(tǒng)(3G)的空中接口并未達(dá)成一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前，經(jīng)ITU批準(zhǔn)的主要3G制式有日本及歐洲提出的W-CDMA，美國提出的cdma2000，以及我國提出的TD-SCDMA。不同的標(biāo)準(zhǔn)給移動通信漫游及未來個人通信帶來了限制，軟件無線電技術(shù)則能解決這一問題。


　　在一個完全可以編程的的硬件平臺上，注入不同的軟件就形成 不同標(biāo)準(zhǔn)的移動用戶終端(手機)和基站，從而保證了各種移動設(shè)備之間的無縫集成。已經(jīng)批準(zhǔn)的我國TD-SCDMA就采用了軟件無線電技術(shù)，在TD-SCDMA中，基站和終端設(shè)備采用高速DSP和高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等軟件無線電技術(shù)。其實現(xiàn)的功能有直接序列碼分多址(DS/CDMA)的調(diào)制和解調(diào)，速率為8kb/s的G.729語音編碼標(biāo)準(zhǔn)，同步檢測和控制，以及頻率發(fā)射功能，接收增益和時延的自動控制，用戶基站方位和距離的確定等。


　　3.便于推出新業(yè)務(wù)


　　軟件無線電技術(shù)便于運營商能降低成本地開發(fā)一些具有潛力的新業(yè)務(wù)，如多媒體短信息，信息內(nèi)容下載和移動因特網(wǎng)接入等。


　　4.可加強自適應(yīng)頻率管理


　　眾所周知、無線電頻譜資源十分寶貴，而目前許多頻段分配給了實際使用率較低的系統(tǒng)。軟件無線電通過自適應(yīng)頻譜管理(ASM)可以改變這種狀況。自適應(yīng)頻譜管理包括動態(tài)協(xié)調(diào)頻率和空間的利用，能優(yōu)化空中接口使之與發(fā)射功率和調(diào)制方式相適應(yīng)。通過對不同的無線頻譜合理及協(xié)調(diào)地運作，大大提高了無線頻譜的綜合利用效率。


　　軟件無線電發(fā)展中的問題


　　1.軟件無線電的技術(shù)復(fù)雜性及需求不確定性


　　例如在3G的應(yīng)用中，需要解決如何充分有效地利用頻譜，但是它超出了現(xiàn)有處理器體系結(jié)構(gòu)的能力，因而研究開發(fā)進(jìn)展較慢。如ARIB W-CDMA在其單個信道384Kb/S速率產(chǎn)時需要7900MOPS(每秒百萬個操作)，目前DSP尚不能處理這樣的要求，預(yù)計需要五年才能達(dá)到。


　　ASIC可以達(dá)到上述MOPS的水平，但至少需要兩年的時間設(shè)計和開發(fā)，而且一旦完成程后，卻非常不靈活。FPGA會好些，F(xiàn)PGA能為DSP算法提高10～50倍的處理能力。但是由于FPGA具有高靈活性和高功率的特點，它比DSP或ASIC需要更多的功率操作，加上其用于信號處理技術(shù)尚處于開始階段，因而一些行家對于FPGA是否能與軟件無線電協(xié)調(diào)地工作尚缺乏信心。


　　2.手機的體積與重量問題


　　目前軍隊所用的軟件無線電終端是公文包那樣的大小，由于重量較重，需用背包攜帶。而用于手機的目標(biāo)是把軟件無線電技術(shù)溶入到現(xiàn)代的80克重量、細(xì)長型的小蜂窩手機里，而且價格要合理。手機上功率消耗的問題比基站更麻煩。3G手機在沒有引入軟件無線電技術(shù)時，其功率消耗已經(jīng)面臨了挑戰(zhàn)。


　　迄今為止的鎳鎘電池尚不能達(dá)到容量需求，和處理器的性能以及算法先進(jìn)性的發(fā)展相比，電池容量的進(jìn)步顯然太慢了。這樣，為了解決這一問題，設(shè)計得只能盡量減少手機內(nèi)部部件電能的消耗，并盡可能地把不少功能從基帶處理器、發(fā)射機和接收器中移走。


　　3.標(biāo)準(zhǔn)問題


　　迄今為止，大多數(shù)行業(yè)管理部門尚沒有制訂出軟件無線電用于無線技術(shù)的有關(guān)規(guī)定，使得各運營商由于標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一在運營中不方便。
　　由于軟件無線電允許運營商根據(jù)需要改變參數(shù)或自動地進(jìn)行一些操作，從而破壞了通常的一些操作程序。在老的行業(yè)法規(guī)中，廠商或運營商在改變設(shè)備參數(shù)時，必需要向行業(yè)主管部門提出申請。而美國FCC(聯(lián)邦通信委員會)于2001年9月的補充規(guī)定則有利于軟件無線電的發(fā)展。FCC對有關(guān)設(shè)備批準(zhǔn)補充的內(nèi)容是：“允許設(shè)備生產(chǎn)廠對該類無線設(shè)備改變其頻率、功率和調(diào)制參數(shù)、無需再提出新的申請批準(zhǔn)”。該新規(guī)定還允許電子標(biāo)簽、即第三方可以修改無線設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，而無需返回原生產(chǎn)廠家重新標(biāo)簽。


　　作為行業(yè)協(xié)會的SDR(軟件無線電)論壇將為軟件無線電技術(shù)制訂標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以便使設(shè)計者和生產(chǎn)者要以采用軟件無線電技術(shù)用為其核心平臺的技術(shù)，但是由于軟件無線電技術(shù)的復(fù)雜性，因而該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范很難在2005年前完成。


　　在標(biāo)準(zhǔn)前進(jìn)的道路上，SDR論壇尚有很長的路要走。2002年將是論壇五個工作組繁忙的年份，它將開發(fā)SDR的企業(yè)案例，制訂像無線API(應(yīng)用程序接口)那樣的技術(shù)規(guī)范(包括支持面向目標(biāo)的JAVA和CORBA等協(xié)議)，并且還要特別關(guān)注安全體系結(jié)構(gòu)和下載的進(jìn)程和程序。


　　4.軟件無線電的安全問題


　　軟件無線電應(yīng)用中的動態(tài)下載及在基站或終端變更軟件往往都會帶來安全問題，黑客也可能截取信息。為此，SDR論壇打算向FCC提出相關(guān)保護(hù)措施的報告。隨著軟件無線電技術(shù)的廣泛采用、更多的無線傳輸將會遇到信息被截取的問題。三位DES加密算法將會轉(zhuǎn)向AES加密，以提高安全性。此外，與軟件無線電有關(guān)的無線標(biāo)準(zhǔn)的制訂也將增加安全的有關(guān)規(guī)定。


　　軟件無線電的市場與前景


　　最早進(jìn)行軟件無線電商用化的是AirNet和ArrayComm公司。目前已有一些廠商利用軟件無線電技術(shù)減少為建立不同的無線系統(tǒng)所需的平臺，以及當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)時容易升級，如Xilinx,Spectrumcell,Tropian等公司正在設(shè)計和開發(fā)相關(guān)的軟件無線電產(chǎn)品。澳大利亞先進(jìn)通信技術(shù)(ACT)公司最近演示了其在Spectrucell SDR基站上的雙向話音通話，該產(chǎn)品可以通過軟件配置支持GSM，CDMA，UMTS和W-CDMA。ACT公司打算于今年晚些時候在美國進(jìn)行該產(chǎn)品及技術(shù)的現(xiàn)場試驗。


日本NTT公司有SDR基站的樣機，可同時支持PHS和無線LAN接口，并打算使該基站還可支持其它移動通信制式。


　　綜上所述，目前全球軟件無線電的參與者正致力于確定軟件無線電技術(shù)在產(chǎn)業(yè)價值鏈中的定位，尤其是在移動通信方面。軟件無線電的許多潛在優(yōu)勢及效益正將在不同的產(chǎn)品上體現(xiàn)。


　　由于今后更多的功能將在軟件上開發(fā)、新業(yè)務(wù)的推出和升級要在軟件上實現(xiàn)，軟件無線電技術(shù)的廣泛應(yīng)用將會為廠商和運營商帶來新的機遇，作為無線通信領(lǐng)域中，又一次飛躍和革命的新技術(shù)，軟件無線電前景美好。



摘自《通信市場》