軟件無線電的概念及其體系結構

2019-11-03 09:31:34

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北方交通大學現代通信研究所趙榮黎　　作者簡介：趙榮黎：

　　北方交通大學現代通信研究所教授。長期從事移動通信、衛星通信、擴展頻譜通信以及通信抗干擾領域的教學和科學研究工作。發表學術論文百余篇，出版著作5本。

　　現代微電子技術及微處理器技術的進步，特別是大規模集成器件和可編程器件的出現，使以硬件為主的傳統無線電技術得到了長足的進步。DSP、FPGA及通用處理器（GP）等硬件的發展和PC機總線概念的引入，導致無線電結構的重大變革，使無線電技術進入新的階段——軟件無線電。軟件無線電技術將成為3G和4G移動通信中的關鍵技術之一。本文將重點介紹軟件無線電的概念和軟件無線電的體系結構。

　　軟件無線電的基本概念

　　傳統的無線電，是指由硬件實現其通信功能的無線電。無線電技術演化的進程是由模擬電路發展到數字電路；由分立器件發展到集成器件；由小規模、中規模、大規模到超大規模集成器件；由固定集成器件到可編程器件。因而先后出現了模擬無線電、數字無線電和可編程數字無線電（PDR）。

　　大規模集成器件特別是寬帶大動態范圍的模-數、數-模變換器（ADC、DAC）和可編程器件（FPGA、DSP等）的出現，為無線電的技術革命奠定了硬件技術基礎。基于通用處理器（GP）等硬件和總線概念的引入了，導致無線電結構思想的重大變革——軟件無線電概念。

　　1、什么是軟件無線電

　　軟件無線電(SWR) 是指一種全部可軟件編程、具有最大靈活性無線電平臺的無線電。全部可編程包括：可編程射頻(RF)波段、信道接入方式和信道調制。理想的軟件無線電應當具有射頻(RF) 數字接入能力。因此，軟件無線電（SWR）是一個理想的概念，即希望在一個開放的公共硬件平臺上利用不同可編程的軟件方法實現所需要的無線電系統。但是，在目前技術條件下，做不到全部可編程的要求。因此，軟件無線僅是一個理想境界。

　　2、什么是軟件定義的無線電

　　軟件定義的無線電（SDR），它是指在目前技術條件下可實現的軟件無線電。通常SDR被認為是具有中頻(IF)可編程數字接入能力的無線電 (注意，IF數字接入不是IF可編程)。

　　3、對軟件無線電的理解

　　傳統無線電工程師對軟件無線電的理解是：用寬帶模數及數模變換器（A/D及D/A）、大量專用/通用處理器、數字信號處理器（DSP）構成的一個硬件平臺，并盡可能地靠近射頻天線；在硬件平臺上盡量利用軟件編程技術來實現無線電的各種功能模塊，以及將功能模塊按需要組合成無線電系統。例如，利用寬帶ADC通過可編程數字濾波器對信道進行分離；利用數字信號處理技術在數字信號處理器（DSP）上通過軟件編程實現頻段（如HF、VHF、UHF和SHF等）的選擇，完成信息的抽樣、量化、編碼/解碼、運算處理和變換，實現不同的信道調制方式及其選擇（如調幅、調頻、單邊帶、數據、跳頻和擴頻等），實現不同的保密結構、網絡協議和控制終端功能等。

　　計算機工程師對軟件無線電的理解是：類似于PC機，硬件平臺設計采用基于標準總線（例如VME）的硬件結構，支持并行、流水線及異種多處理機；軟件設計采用基于開放系統互聯（OSI）參考模型的分層軟件體系，支持面向對象的、開放式的模塊化設計，實現一些基本的算法及功能模塊。靈活應用基本軟件模塊，可使其具備自適應能力（包括頻率、功率、速率及多徑分集等的自適應）、抗干擾能力（包括自適應天線調零、自適應干擾抵消、擴頻及跳頻等）以及靈活的組網與接口能力，并可以滿足用戶的多種業務需求（包括話音、傳真、數據及圖像等）。因此，融合無線電工程師和計算機工程師兩方面對軟件無線電的見解，將會得出對軟件無線電比較完整的理解。

　　4、軟件無線電與數字無線電的區別

　　順便指出，軟件無線電（包括軟件定義無線電）與數字無線電（包括可編程數字無線電）的區別，主要表現在它們可編程數字接入的程度。數字無線電是沒有可編程數字接入能力并且是固定功能的無線電，可編程數字無線電（PDR）則是僅在基帶具有可編程性的數字無線電；而軟件無線電是全部可編程數字接入的無線電。　　5、軟件無線電的性能指標

　　表征軟件無線電性能的兩個關鍵參數是：數字接入帶寬和處理平臺的靈活性。為了實現處理平臺的靈活性，容許人們不斷地引入可承受的軟件技術和允許硬件的重新配置，所以軟件無線電必須采用開放的體系結構。

　　軟件無線電的體系結構

　　軟件無線電和傳統無線電在設計理念與體系結構方面具有顯著的不同。傳統無線電的設計，是基于用硬件搭建的模塊來實現通信功能的硬件體系結構。軟件無線電則是采用基于硬件平臺和軟件分層的軟件無線電結構，它是通過管理與分配軟件和硬件資源來實現通信功能的全新體系結構。

　　1、軟件無線電的功能模型與功能接口

　　軟件無線電的功能模型如圖2中的框圖所示。它將無線電的功能劃分為信道集、信道編/譯碼、信息安全 (INFOSEC)、服務與網絡支持、信源編/譯碼和信源集。其中，信道集包括RF信道，同時、多波段傳播，有線互操作性以及為了控制服務質量（QoS）自動采用多信道（或模式）。

　　服務和網絡支持包括多路復用，建立與控制，數據服務和網絡互連。（有線及互連網標準,包括移動性）。聯合控制包括聯合信源/信道編碼，動態QoS與本地控制，處理資源管理（綜合用戶和網絡接口，多用戶、多波段、多模式能力）。多個性即多波段、多模式、靈巧服務以及與傳統模式的互操作。SDR的個性包括：RF波段、信道集(例如控制和業務信道)、空中接口波形及有關功能。演進支持包括定義及管理個性。演進支持功能可以支持軟件及無線電平臺的演進。

　　軟件無線電功能接口示于各個功能塊之間。其中的RF波形即空中接口；IF波形包括大多數空中接口，但信號被濾波及變換到IF處理。保護比特即加密比特。而明比特是非加密比特。網絡比特符合網絡協議，源比特適合解碼器。多個性是通過軟件對象接口下載到無線電的。這些接口構成軟件無線電的“橫向（水平）”接口，它形成信源到信道之間的信號流與控制流。

　　2、軟件無線電的軟件分層

　　軟件無線電的軟件分層。其中，硬件平臺層采用GFLOPS (每秒十億浮點運算)處理能力的SDR，能支持上千個百行代碼 (LOC)。在無線電基礎設施層，代碼在無線電平臺分布的多處理硬件之間移動數據。無線電應用層處理這些分布協作形成的無線電應用。無線電應用可含有空中接口協議，及采用標準的有線數據交換協議像TCP/ip。通信服務層的應用軟件給用戶提供通信服務。

　　3、軟件無線電的硬件平臺

　　軟件無線電的硬件平臺是由RF處理、ADC/DAC、DSP/CPU以及通用處理器為基礎，部件并用總線（或交換網）連接構成的。給出常見的用總線連接的軟件無線電硬件平臺。其中，硬件模塊與總線相連，并以通信安全(COMSEC)模塊分界，將它們分為加密側和非加密側。總線可任選，例如PIC總線和VME總線等。當然，也可采用其它連接的硬件平臺(如以交換網絡連接的硬件平臺)。軟件無線電概念的應用

　　為了便于比較傳統無線電和軟件無線電，先給出傳統多波段多模式無線電。無線電的通信功能部件為傳統的功能框，僅是引入了微計算機進行管理，例如基于計算機的操作顯示。

　　軟件無線電的軟件組成對象與硬件和協議棧各層的結合。采用應用編程接口(API)支持層，能夠支持應用程序的再利用，即采用相同的API層接口標準的應用程序可以應用在不同的軟件無線電系統中。可再編程的無線接口協議組實際上就是提供與API相關的一些軟件模塊，如信源編碼、調制解調算法、多址、DDC算法等。

　　這些模塊與API層之間有著標準的接口。因為這些軟件模塊都是可編程的，可以隨著新的通信體制的發展，采用新的軟件無線電算法。為了使協議組獨立于硬件平臺，引入了虛擬機層(virtual machine)。其目的是掩蓋無線通信系統的硬件實體。它與無線接口協議組有一個統一的接口，稱為低層API。采用低層API可以使同樣的軟件加載到不同廠商的硬件上，或者說運行不同的低層軟件。裝載到硬件平臺上的軟件只需按照標準的接口編寫即可。該層次化模型中的最后一層是硬件平臺。這個軟件層次化模型從整體上為軟件設計提供了思路。

　　SDR的實現及應用前景

　　1、SDR的實現

　　移動通信中，SDR的3G手機的需求包括：(1) 覆蓋 (基本的無線電接入技術加顯著的多樣性和功率控制）；(2) 減輕干擾(智能天線）；(3) 無線電資源控制 (可變比特率技術）；(4)話音、數據、多媒體服務 (自動譯碼和多運送無線）；(5) 服務等級(GoS）；(6) 服務質量(QoS)。

　　實現SDR的關鍵問題包括：資源接入，世界性的互操作，終端和網絡控制，控制、傳輸、管理中的安全，跨波段、跨模式的互處理通信，跨網絡的智能及資源的分配。革新頻譜利用，按需要接入寬帶信道(Mbps)，自適應性多媒體內容。以及軟件控制的RF元件、新的無線空中接口和硬件/軟件的革新。主要技術問題有：寬帶RF，寬帶高分辨率ADC/DAC，高性能數字信號處理器（DSP、FPGA等），以及軟件等。

　　2、SDR實現的成本與應用前景

　　移動通信由于2G向2.5和3G的演進時其系統的復雜度和服務的完善度在不斷演化，對采用SDR的成本權衡有利。因為基于傳統硬件設計的2G移動通信為了支持這種演化，要求重新設計和更新2G數字無線電的硬件。而基于SDR的2G系統，在保留它的完整性的同時，將基于軟件性能的提高及支持可用的插入技術而使空中接口的物理層和網絡層進化。所需要的是在提高軟件無線電節點的靈活性與所投入的成本之間進行權衡。

　　　關于2G系統的手機，其成本權衡取決于多模式工作的數目、ADC/DAC和DSP的能力。當不同工作模式的數目超過4個時，基于典型寬帶SDR實現的手機就比基于ASIC實現的手機更為合算。關于基站的成本權衡，是有利于SDR的實現。

　　因此，作為3G和4G移動通信中關鍵技術之一的軟件無線電技術，將具有廣闊應用前景。

摘自《通信市場》2002.10期

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