軟件無線電：未來無線設(shè)備的DNA

2019-11-03 09:29:05

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供稿：網(wǎng)友

大唐移動通信設(shè)備有限公司首席科學(xué)家　李世鶴
　　通過近20年的發(fā)展，移動通信已成為通信領(lǐng)域最活躍、市場份額最高的產(chǎn)業(yè)，也成為國際上市場競爭最激烈的部分。但是，按著傳統(tǒng)的思路的產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)方式，已表現(xiàn)出不少問題，譬如：產(chǎn)品是針對特定的標(biāo)準(zhǔn)中一個版本來開發(fā)和制造的。當(dāng)新技術(shù)出現(xiàn)或版本升級或提供新業(yè)務(wù)時，只能開發(fā)新的專用芯片，制造新一代的設(shè)備。其結(jié)果不是限制了新技術(shù)和新業(yè)務(wù)的使用，就是給制造商、運營商帶來更大的投資風(fēng)險，給用戶帶來諸多不便。同時，由于各國的經(jīng)濟(jì)利益，全球標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，又難以實現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)的種類在不斷增加。造成頻率分配、管理更為困難，需要的頻率資源增加，多頻多模手持機(jī)制造困難，成本增加。

　　面對此問題，國際上已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。大部分專家認(rèn)為，“軟件定義無線電”(Software Defined Radio ，簡稱SDR)將是一個解決全球無線通信需求的方案。它將成為未來無線通信設(shè)備設(shè)計的核心所在。

　　SDR的定義和要求

　　SDR是一個系統(tǒng)的體系概念。SDR的無線通信設(shè)備考慮的是一個系統(tǒng)，它必須具有可重新編程和可重構(gòu)的能力，使此設(shè)備可以使用于多種模式(標(biāo)準(zhǔn))、多個頻帶和多種功能。它不僅僅使用如軟件無線電中的可編程器件來實現(xiàn)基帶數(shù)字信號處理，還將對射頻及中頻的模擬電路進(jìn)行編程和重構(gòu)。SDR將是無線通信領(lǐng)域內(nèi)一個革命性的概念。

　　目前人們對使用SDR的無線通信系統(tǒng)或設(shè)備，提出了許多要求。

　　SDR設(shè)備可以被快速、簡便地重新編程及重新設(shè)定，以支持任意傳輸形式的應(yīng)用和在任何頻率上的傳輸或接收。重新編程及重新設(shè)定能力可實現(xiàn)用同一設(shè)備支持不同蜂窩技術(shù)、個人通信系統(tǒng)和其他無線業(yè)務(wù)在世界范圍內(nèi)使用。

　　采用SDR設(shè)備，用戶不但可以支持傳統(tǒng)業(yè)務(wù)并且可以支持新業(yè)務(wù)；空中下載軟件的概念可以保證用戶可獲得最新的業(yè)務(wù)服務(wù)。SDR能更好地體現(xiàn)“互操作性”這一概念，以支持多頻段及多標(biāo)準(zhǔn)工作的無線通信系統(tǒng)。SDR能使無線運營商在基本不更換基站硬件的條件下，實現(xiàn)系統(tǒng)的版本更新、標(biāo)準(zhǔn)更新及升級換代。

　　SDR還可提高頻譜利用率和頻率共享，讓設(shè)備靈活地接入到新頻段；SDR設(shè)備具有“智能”功能，它可以監(jiān)測其他設(shè)備使用的頻譜，并在空閑頻段上進(jìn)行傳輸；SDR大大降低了頻率分配的困難和頻率分配的風(fēng)險。

　　總地說來，SDR是一個全新的，實現(xiàn)未來移動通信設(shè)備的概念和體系結(jié)構(gòu)。它本身并不是一種孤立的技術(shù)，而是為所有新技術(shù)使用的公共平臺。

　　讓各方均受益

　　使用SDR概念來設(shè)計和實現(xiàn)下一代的無線通信系統(tǒng)和設(shè)備，與傳統(tǒng)的產(chǎn)品和設(shè)備相比較，具有明顯的優(yōu)勢。它將使得從技術(shù)研究開發(fā)，到設(shè)備制造商、電信運營商，再到每個無線通信最終用戶都受益。

　　首先，對技術(shù)和產(chǎn)品的研究開發(fā)而言，傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)只對單一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，從標(biāo)準(zhǔn)相對穩(wěn)定到設(shè)計和開發(fā)專用芯片，再到產(chǎn)品設(shè)計和實現(xiàn)是一個以年為單位的過程，開發(fā)周期長、開發(fā)成本高。上述情況導(dǎo)致在標(biāo)準(zhǔn)制定進(jìn)程中，大多數(shù)新技術(shù)不能被應(yīng)用，限制了新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，導(dǎo)致商用產(chǎn)品和當(dāng)時技術(shù)水平的巨大差異。

　　SDR將提供一個新概念和通用無線通信平臺，在此平臺上，可能基于軟件來實現(xiàn)新業(yè)務(wù)和使用新技術(shù)，大大降低了開發(fā)成本和周期，使產(chǎn)品能跟上技術(shù)發(fā)展的水平。未來的新業(yè)務(wù)將由用戶來開發(fā)，只有使用SDR的概念，才可能讓用戶像使用PC一樣，用SDR設(shè)備去開發(fā)所需的新業(yè)務(wù)。

　　其次，對制造商來說，隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前無線通信產(chǎn)品的生命周期越來越短，因此針對單一產(chǎn)品線的投資風(fēng)險很大。基于SDR產(chǎn)品的生產(chǎn)將比傳統(tǒng)產(chǎn)品原材料成本低，且產(chǎn)品壽命長，這就意味著投資風(fēng)險低。同時，由于它簡單化及標(biāo)準(zhǔn)化硬件使得產(chǎn)品容易生產(chǎn)。因此，制造商生產(chǎn)基于SDR技術(shù)的產(chǎn)品，可得到遠(yuǎn)大于生產(chǎn)傳統(tǒng)產(chǎn)品的效益。

　　第三，對運營商來說，移動通信網(wǎng)建設(shè)需要巨大投資，同時具有很大風(fēng)險性。我國現(xiàn)今一方面由于市場需求，GSM網(wǎng)絡(luò)迅速擴(kuò)容，增加GPRS設(shè)備；另一方面又面臨第三代移動通信即將到來的時期，制定一個成功的投資戰(zhàn)略極為困難。在下階段又將考慮在第三代移動通信的多種標(biāo)準(zhǔn)中如何選擇，也有很大的投資風(fēng)險。軟件無線電從某種程度上就可降低這種風(fēng)險。

　　最后，從最終用戶的角度看，基于SDR技術(shù)用戶的設(shè)備，是為用戶提供了一個通用的終端設(shè)備平臺。它應(yīng)當(dāng)能支持多達(dá)5～8種國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)，而且可以通過空間加載軟件技術(shù)達(dá)到用戶設(shè)備升級的目的。只有這樣，用戶才不需要關(guān)心他所在的地區(qū)和運營商的問題，而實現(xiàn)真正意義的全世界漫游。用戶也有可能獲得他所希望得到的新業(yè)務(wù)。　　

　　技術(shù)面臨挑戰(zhàn)

　　目前，很多國際上的研究單位和公司都在關(guān)心和研究SDR技術(shù)。但不同公司對SDR技術(shù)的未來仍然有不同的看法：多數(shù)歐洲公司認(rèn)為它將在2008年后廣泛使用，一些美國公司認(rèn)為可能在2005年開始廣泛應(yīng)用，而少數(shù)小規(guī)模的高技術(shù)公司則在為今年初能推出SDR無線通信產(chǎn)品(基站和用戶終端)而努力。到底SDR技術(shù)中有哪些挑戰(zhàn)，有哪些關(guān)鍵技術(shù)問題，造成人們對此技術(shù)的廣泛應(yīng)用前景有如此大的差異？

　　目前的無線通信標(biāo)準(zhǔn)中，每個載波的帶寬從25kHz(TACS)到5MHz(WCDMA) ；工作頻段從800MHz到3GHz；在射頻接收和發(fā)射各方面都有不同的技術(shù)指標(biāo)。這對SDR多模式設(shè)備來說是最具有挑戰(zhàn)性的工作。

　　對未來的無線通信設(shè)備，特別是基站設(shè)備，不論工作于TDD或FDD雙工方式，都必須基于智能天線才可能提供更高的頻譜效率。對SDR基站設(shè)備，使用智能天線技術(shù)支持的模式也是一個挑戰(zhàn)。

　　目前，能用軟件實現(xiàn)數(shù)字信號處理的器件主要是數(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)兩大類。前者已達(dá)到數(shù)千MipS的能力；而后者已超過百萬門。以上兩種器件各有其特點，分別適用于處理不同的問題和算法。一個重要的發(fā)展方向是將兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，用并行處理的技術(shù)，在不無限提高主頻的前提下將處理能力提高到上萬MIPS，同時還具有快速編程和配置的能力：即所謂“超級并行處理器”(Reconfigurable Processor ，RCP)。

　　對用戶終端來說，其基帶處理平臺將主要由MCU和RCP構(gòu)成。在終端設(shè)備中，除要求強(qiáng)大的處理能力外，還要求低功耗，這也要依靠微電子近年的進(jìn)展來保證。

　　對無線基站，不同標(biāo)準(zhǔn)和體制有不同的網(wǎng)絡(luò)接口，如GSM的Abis，3GPP的Iub，等等。其物理層和高層都不相同。在SDR基站中，必須要支持這些不同的接口要求，并通過重新編程和配置來解決。

　　用戶終端的新業(yè)務(wù)可以通過空間軟件加載方式由運營商提供，但目前空間加載的技術(shù)仍需完善；由用戶自己創(chuàng)建自己需要的業(yè)務(wù)則更是一個理想，還有很長的路要走。

　　由此看來，軟件定義無線電的實現(xiàn)還必須克服大量技術(shù)上的困難和建立一套完整的體系結(jié)構(gòu)。相對來說，在微電子和基帶數(shù)字信號處理等方面的困難要容易克服一些，而體系結(jié)構(gòu)和射頻技術(shù)方面的困難要大得多。我國提出的TD-SCDMA 無線傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是惟一明確將智能天線和高速數(shù)字調(diào)制技術(shù)設(shè)計在標(biāo)準(zhǔn)中，明確用軟件無線電技術(shù)來實施的標(biāo)準(zhǔn)。可以說，TD-SCDMA技術(shù)在一定程度上代表了國際上移動通信無線傳輸技術(shù)的發(fā)展方向。從這個角度講，軟件無線電也是TD-CDMA的核心所在。

　　軟件無線電與 TD-SCDMA

　　所謂軟件無線電，就是采用數(shù)字信號處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實現(xiàn)無線電臺的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等等。即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來完成。

　　其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的“數(shù)字/模擬”轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號的數(shù)字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現(xiàn)。總之，軟件無線電是一種基于數(shù)字信號處理(DSP)芯片，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結(jié)構(gòu)。

　　而在TD-SCDMA中，由于其中包括智能天線(Smart Antenna)、同步CDMA(Synchronous CDMA)、軟件無線電(Software)三項技術(shù)，且第一個字母都是S，因而被命名為“ SCDMA ”，這些都成為了TD-SCMA的技術(shù)基礎(chǔ)。

摘自《通信產(chǎn)業(yè)報》2003.2.19