软件无线电及其在无线通信中的应用

软件无线电及其在无线通信中的应用

引言

　　软件无线电是实现通信的新概念和新体制，它被视为继模拟和数字技术后的又一次电子技术革命。软件无线电采用模块化设计原则，具有开放的ＩＳＯ／ＯＳＩ体系结构、良好的功能可编程性和软件可移植性，支持宽频段、高速率、多模式的无线通信。

软件无线电概述

　　软件无线电（Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｒａｄｉｏ）的概念是由美国科学家Ｊｏｅ．Ｍｉｔｏｌａ于１９９２年５月在美国电信系统会议上首次明确提出的。其基本概念是将硬件作为无线通信的基本通用平台，而用软件实现尽可能多的无线及个人通信功能。

　　灵活性和开放性是软件无线电的主要特点。灵活性是指软件无线电系统可以与其它任何电台进行通信，可以作为其它电台的射频中继，可以通过无线加载的方法来增加软件模块或更新软件。开放性是指软件无线电系统由于采用了标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升级，实现不同体制、电台的兼容。

　　软件无线电的基本思想是将Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ变换尽量靠近射频前端，应用宽带天线或多频段天线，将整个ＲＦ段或中频段进行Ａ／Ｄ变换，这之后的处理均由通用处理器或ＤＳＰ器件完成。其硬件结构使软件无线电具有整体的可编程性：ＲＦ频段可编程、信道访问模式可编程、信道编码和调制可编程。同时由于其开放的体系结构，系统功能的改变只需软件做适应调整，则不需重新设计系统，特别是硬件系统。数据源输出的数据经过信源编码（如ＪＰＥＧ编码）后，再进行信道编码。多路访问可使用多种方法，如ＴＤＭＡ、ＣＤＭＡ等；不同的系统的调制方式不同，软件无线电系统应该能兼容它们，如ＱＰＳＫ、ＦＳＫ等，多路访问和调制部分还包括定时信息的处理，如帧同步、比特同步、码元同步等。最后经Ａ／Ｄ转换、上变频送至射频（ＲＦ）前端，由宽带天线发射出去。若是接收，则过程与上相反。

　　在软件无线电系统中，由于信号占据很宽的频带范围（从几十ＫＨｚ到几千ＭＨｚ），加上不同体制之间的编码、复用、调制方式不同，从而要求软件无线电系统有很强的数据处理能力和快速输入输出（Ｉ／Ｏ）能力。软件无线电系统要能达到不同系统、体制间的互联互通，要传输包括视频数据在内的多媒体信息，对系统各方面的要求将相当高。

　　实现软件无线电的关键技术主要有：射频天线、宽带ＡＤＣ转换、高速数字信号处理和高性能的总线结构等方面。

　　软件无线电的射频段应具备接入多个波段甚至覆盖全波段的功能，它具有频率高、带宽的两大特点。我们可以采用多频段组合式天线和智能天线来实现。多频段组合式天线是在全频段甚至每个频段使用几付天线组合起来以形成宽带天线。智能天线（Ｓｍａｒｔ Ａｎｔｅｎｎａ）的思想是：天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个用户，窄波束对准期望用户，波瓣零点对准期望信号以外的干扰信号，以达到信干比最大。

　　软件无线电的发展方向是ＡＤＣ和ＤＡＣ尽量靠近ＲＦ端，这样高频宽带信号的数字化对采样频率、位数及动态范围就提出了较高的要求。目前，由于受Ａ／Ｄ转换器的成本和分辨率的限制以及受ＤＳＰ芯片处理速度的影响，要在ＲＦ端对信号进行数字化有很大困难，所以优先考虑在ＩＦ上进行Ａ／Ｄ转换。我们可以采用多个高速采样保持电路和ＡＤＣ，通过并串变换，将量化速度降低，以提高采样分辨率。

　　在目前，数字信号处理和数字控制的方案大致有：数字信号处理器（ＤＳＰ）、可编程逻辑器件（ＦＰＧＡ）、可由参数控制的硬件电路、用户定制集成电路（ＡＳＩＣ）。对于以上４种方法，可编程性能为ＤＳＰ最高（可用汇编或Ｃ语言），后者依次降低，ＡＳＩＣ不具编程能力；运算速度则相反，以ＡＳＩＣ为最高，ＤＳＰ最低；功耗以ＤＳＰ为最高，ＡＳＩＣ最低。在软件无线电的设计中，要综合考虑器件性能和特点，构架可编程性能高、运算速度快、功耗低的系统。另外，虚拟无线电（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒａｄｉｏｓ）也是可供选择的一种方法，其思想是使用高速ＡＤＣ作为数字与模拟的接口，处理器的核心使用高性能的工作站硬件。这种方案使得用户可以利用工作站的硬件和软件设计新的算法，并且可以在工作站上方便地进行系统结构的试验。

　　由于软件无线电需要进行高速的Ａ／Ｄ／Ａ变换及数字信号处理，必须使用多个ＣＰＵ并行处理；其次，数字信号处理的数据要高速交换，系统总线必须具有极高的Ｉ／Ｏ传输速率。在符合要求的系统总线中，ＶＭＥ总线技术最成熟、通用性最好、得到的支持最广泛，是软件无线电的首选总线方式。但总线结构采用时分机制，实现起来比较简单，但在无线通信系统中各个相邻功能模块间的数据流是一种接力机制，应用总线结构就显得带宽过窄和控制复杂，吞吐率较低，其可扩展性也受到限制。软件无线电的高速网络交换方式是重要的发展方向，清华大学在国家“８６３”软件无线电项目中提出了一种基于交换的硬件平台，其结构采用适配交换网为各功能模块提供统一的数据通信服务，各个功能模块都是由ＤＳＰ组成的功能板，遵循相同的通信接口和协议，它们之间的耦合很弱，能够极大地提高平台的灵活性，可以适应于多种无线电通信系统，并已证明具有更好的吞吐率和实时性能。

软件无线电在移动通信中的应用

　　第三代移动通信系统各国提出了多种不同的标准，要统一这些标准是非常困难的，ＩＭＴ－２０００的发展策略已经改变过去“统一”的概念，而注意到以各地区现有第二代系统网络为基础来制定比较现实的过渡方案，提出了“ＩＭＴ－２０００家族”的概念。它放弃了在空中接口、网络技术等方面一致性的努力，而致力于制定网络接口的标准和互通方案。因此，在未来的第三代移动通信中存在着多频、多模操作，各体制间的互通问题、同第二代系统的兼容问题以及通信标准的发展等问题，都为软件无线电技术的应用提出了切实的需求。

　　１．软件无线电在蜂窝移动通信系统中的应用

　　在蜂窝移动通信系统中，若基站和移动终端都采用软件无线电结构，则系统的硬件平台可由标准的功能模块搭建，硬件功能由软件定义。射频频段、信道访问模式及信道调制都可编程。软件无线电通过硬件平台安装不同的软件，完成不同的功能，因此可在不改变硬件设备的条件下，通过软件升级来实现系统功能。

　　在我国向ＩＴＵ提交的第三代移动通信提案ＴＤ－ＳＣＤＭＡ中就采用了软件无线电技术。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ结合了软件无线电、智能天线、联合检测技术及全质量话音压缩编码技术等通信新技术，具有先进性。软件无线电技术在ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统中的实现包括：直接序列码分多址的调制和解调；联合检测和控制；采用ＩＳ－９５或Ｇ．７２９标准，实现编码速率８ｋｂｐｓ；智能天线；用户定位；空中接口物理层；基带预失真，以降低对收发信机线性的要求；自动控制频率、发射功率、接收增益和时延。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统的基站和终端设备采用高速ＤＳＰ和高速Ａ／Ｄ变换器。

　　２．软件无线电与联合检测

　　ＴＤ－ＳＣＤＭＡ中实现了软件无线电结构的智能天线和联合检测（ＪＤ：Ｊｏｉｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）技术的有机结合。目前，我国大唐电信和德国西门子联合开发的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ试验系统已经研发成功。

　　联合检测的过程是：首先分别对８元天线阵接收信号利用专门定义的训练序列ｍｉｄａｍｂｌｅ来做解相关，得到对移动信道的估计，然后对每个时隙中的所有扩频用户单元信号同时进行联合检测消除ＭＡＩ。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统基站ＢＴＳ接收端相当于使用了一个级联结构的时空域自适应滤波器，系统的抗干扰性能有很大提高。

　　考虑到智能天线波束赋形速度的要求和具体的系统性能要求等因素，上行链路没有使用自适应波束赋形算法，而是简单地采用了等增益合并法，实际上这也能起到一定的空间滤波作用。又因在ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统中，上行链路和下行链路具有相似的信道特性，所以ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统能够把上行链路联合检测过程中获得的冲击响应估计值应用于下行链路，用类似于最大功率合成的方法实现下行智能天线自适应波束赋形算法。

　　３．软件无线电的分层体系结构

　　Ｊｏｓｅｐｈ Ｍｉｔｏｌａ提出了一种基于隧道的软件无线电分层虚拟机参考模型，最底层的硬件平台由普通处理器与具有指令集的ＡＳＩＣ及ＦＰＧＡ组成，它包括设备驱动、中断子程序、任务控制、资源分配与相关的操作系统服务。无线基础结构层支撑着资源管理、定时和频率分配、中间件和隧道，允许独立的电脑软件（如Ｊａｖａ）模块在系统平台上升级，同时隧道技术使软件模块可方便地载入ＡＳＩＣ和ＦＰＧＡ。无线应用层包括代理、同级控制算法，信道状态机控制静音、同步、保密和数据传输，可以方便地接入各种无线工作模式。通信服务层通过建立连接和插入代理实现。这种软件无线电分层虚拟机提供了向理想软件无线电发展的基础。

结束语

　　未来理想的网络将是一个统一网络，包括有线网与无线网，它将容纳各种标准和协议，适应各种物理和传播环境，提供更加开放的接口，提供各种不同的服务。软件无线电的通用性和灵活性决定了它的发展将在一定程度上决定或改变无线通信发展的方向，它的使用，将使无线通信具有更加广阔的市场，并最终使人类实现在任何时间、任何地点可以与任何人以任意方式通信的全时空信息交换的个人通信的梦想。