软件无线电技术全解

第四代移动通信技术之软件无线电技术【摘要】软件无线电是目前无线通信领域在固定至移动、模拟至数字之后的最新革命，其正朝着产业化、全球化的方向发展，将在4G系统中得到广泛应用。本文主要研究软件无线电技术对通信传输的改善以及4G系统中软件无线技术的应用特点等。一、引言软件无线电提供了一条满足未来个人通信需要的思路。软件无线电突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性，强调以开放性的最简硬件为通用平台，尽可能地用可升级、可重配置不同的应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路。其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。图一、软件无线电原理框图1二、简介软件无线电(SWR)技术是近年来提出的一种实现无线通信的新的体系结构，它的基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台，而把尽可能多的无线通信及个人通信功能用软件实现。1、WLAN与蓝牙融入广域网近年来各国都在积极进行4G的技术研究，从欧盟的WINNER项目到我国的“FuTURE计划”都是直接面向4G的研究。日本对4G技术的研究在全球范围内一直处于领先地位，早在2004年，运营商NTTdocomo就进行了1Gbit/s传输速率的试验。目前还没有4G的确切定义，但比较认同的解释是：4G采用全数字技术，支持分组交换，将WLAN、蓝牙技术等局域网技术融入广域网中，具有非对称的和超过100Mbit/s的数据传输能力，同时，因为采用高度分散的IP网络结构，使得终端具有智能和可扩展性。4G系统将融合现有的各种无线接入技术，包括蜂窝、卫星、WLAN、蓝牙、Ad-hoc、DAB/DVB(数字音频和视频广播)、WAP等。这些技术的融合将使4G成为一个无缝连接的统一系统，实现跨系统的全球漫游及业务的可携带性。目前，MIMO在吸收TD-SCDMA设计思想的TD-LTE（TD-SCDMALongTermEvolution）系统中处于重要位置，与TDD（TimeDivisionDuplexing）时分双工技术和基于OFDM的多址接入技术并称为TD-LTE三项关键技术，已成为3G－LTE以及未来4G中重要的底层技术，但在4G众多关键技术之中，软件无线电技术是通向未来4G的桥梁。图二2、软件无线电对通信传输的改善软件无线电(SWR，SoftWareRadio)，是用现代化软件来操纵、控制传统“纯硬件电路”的无线通信。基本思想就是将宽带模数变换器(A/D)及数模变换器(D/A)尽可能地靠近射频天线,建立一个具有“A/D-DSP-D/A”模型的通用的、开放的硬件平台，在硬件平台上尽量利用软件技术来实现无线电的各种功能模块。例如：使用宽带模数变换器（ADC）通过可编程数字滤波器对信道进行分离；使用数字信号处理器(DSP)技术；通过软件编程来实现频段（如HF、VHF、UHF和SHF）的选择；通过软件编程来完成信息抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换,实现射频电台的收发功能等。软件无线电技术是计算密集型、软件化的操作形式。在国内，我国提出的3G方案TD-SCDMA就是利用软件无线电技术完成设计。软件无线电与现代通信技术、微电子技术和计算机技术三者结合在一起，形成一个中长期的研究项目，其利用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，形成天线主波束，并引入空分多址（SDMA）方式，根据用户信号不同的空间传播方向，提供不同的空间信道；采用数字方法对阵元接收信号进行加权处理，形成多个波束赋形，每一个波瓣对应于一个特别的手机用户，波束也可以动态追踪用户，使主波束对准用户信号方向；在干扰信号方向上，形成天线方向图零陷或功率增益较低，从而达到抑制干扰的目的。图三3、4G系统中的软件无线电应用特点在国外，软件无线电技术迅速发展，军用软件无线电技术以美国的军用“易通话”计划为代表，处于世界软件无线电技术领域的前沿。继而，在美国防部计划的推动下，其它一些国防电子公司也纷纷展开了多频段多模式电台研制工作。在欧共体的ACTSFIRST项目中，软件无线电技术用在设计多频/多模可编程手机中，可自动检测接入不同的网络信号，能满足不同接续时间要求；可用不同软件实现不同无线电设备的各种功能；可任意改变信道调制方式和接入方式，利用不同软件即可适应不同标准，构成多功能基站和多模手机，且具备高度灵活性。4、可以预见，基于软件无线电的4G通信将会具有以下特点：●有自动漫游能力，并能在不同系统间进行智能切换；●在同一硬件平台上，能兼容不同系统；●可下载公用软件，并能进行自身系统的升级；●可支持语音、数据、图像和传真等多种业务，并能根据业务流量，信道质量等情况，自动选择合适的传输信道；●可自动选择通信模式，并能采用合适的通信协议和信号格式实现远端通信。除此之外，软件无线电出现了一些新的发展趋势，主要表现在体系结构分层化、结构数学分析化、软件模块化、计算机化、面向对象化、网络化以及安全化方面。软件无线电技术是适应产品多样性的基础。它不仅能减少开发风险，还更易于开发多系列多类型的产品。此外，它能够减少硅芯片的容量，从而削减运算器件的价格，其开放的结构也有利于多方运营商的介入；同时，数字信号处理DSP技术的使用，也弥补了廉价RF（RadioFrequency）所造成的不足。在实际应用中，RF部分是昂贵而缺乏灵活性的，宽带的RF是非线性的，而软件无线电技术可弥补其在灵活性上的不足图四三、软件无线电的产生软件无线电的概念是1992年作为与军事有关的技术被首次提出的。1992年5月，在美国电信系统会议上，MITRE公司的JEOMI-TOLA首次明确提出了软件无线电的概念，之后软件无线电技术即被美国军方用于研制多频段、多模式电台，该电台是美军为保证不同设备间的互通性，使各军种间实现高效、可靠的协同通信而研制的三军通用软件无线电台——基于可编程数字信号处理（DSP）芯片的多频段、多方式电台——易通话（speakeasy），其工作频段覆盖2～2000MHz，其目标是与现在15种军用电台兼容。1995年美国国防高级研究计划局（ＤＡＰＲＡ）的易通话一期工程的技术工作者对软件无线电的军事应用进行了较系统、全面的论述。1995年5月IEEECommunicationMagazine发表了一期软件无线电专刊，系统全面地介绍了软件无线电的体系结构，其中包括与数字无线电的区别、硬件和软件的实现方法、性能分析及其功能性结构。该专刊还较为系统地介绍了软件无线电中有关取样、A/D和D/A变换的基本理论、DSP处理器的结构特点及现有DSP芯片清单、软件无线电中多处理器间相互通信的一些理论基础，所有这些为软件无线电的一些关键技术的研究（如开放式总线结构、宽频段／多频段天线及射频前端技术、高速高精度A/D和D/A技术及高速DSP及ASIC的实现通信协议的标准化、模块化提供了理论基础，至此以后，人们便尝试着将软件无线电技术应用于商业领域。1996年，易通话二期计划促进了多功能模块化信息传输系统（MMTIS）论坛的发展最近，MMTIS论坛改名为软件无线电论坛，它预示着软件无线电开放式结构标准开始从军用转向商用。1996年10月，软件无线电技术被中国列入国家“863”计划的通信研究项目。近年来，软件无线电的技术被广泛地应用于陆地移动通信、卫星移动通信与全球通信系统，软件无线电成为解决数字移动通信中多种不同标准问题的最佳选择方式。四、4G软件无线电技术的基本思想软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（A/D和D/A变换）尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。软件无线电（softwareradio）在一个开放的公共硬件平台上利用不同可编程的软件方法实现所需要的无线电系统。简称SWR。理想的软件无线电应当是一种全部可软件编程的无线电，并以无线电平台具有最大的灵活性为特征。全部可编程包括可编程射频（RF）波段、信道接入方式和信道调制。一般说来，SWR就是宽带模数及数模变换器（A/D及D/A）、大量专用/通用处理器、数字信号处理器（DigitalSignalProicesser，DSP）构成尽可能靠近射频天线的一个硬件平台。在硬件平台上尽量利用软件技术来实现无线电的各种功能模块并将功能模块按需要组合成无线电系统。例如：利用宽带模数变换器（AnalogDigitalConverter，ADC），通过可编程数字滤波器对信道进行分离；利用数字信号处理技术在数字信号处理器（DSP）上通过软件编程实现频段（如短波、超短波等）的选择，完成信息的抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换，实现不同的信道调制方式及选择（如调幅、调频、单边带、跳频和扩频等），实现不同的保密结构、网络协议和控制终端功能等。在目前的条件下可实现的软件无线电，称做软件定义的无线电（SoftwareDefinedRadio，SDR）。SDR被认为仅具有中频可编程数字接入能力。发展历史无线电的技术演化过程是：由模拟电路发展到数字电路；由分立器件发展到集成器件；由小规模集成到超大规模集成器件；由固定集成器件到可编程器件；由单模式、单波段、单功能发展到多模式、多波段、多功能；由各自独立的专用硬件的实现发展到利用通用的硬件平台和个性的编程软件的实现。20世纪70～80年代，无线电由模拟向数字全面发展，从无编程向可编程发展，由少可编程向中等可编程发展，出现了可编程数字无线电（PDR）。由于无线电系统，特别是移动通信系统的领域的扩大和技术复杂度的不断提高，投入的成本越来越大，硬件系统也越来越庞大。为了克服技术复杂度带来的问题和满足应用多样性的需求，特别是军事通信对宽带技术的需求，提出在通用硬件基础上利用不同软件编程的方法。20世纪80年代初开始的软件无线电的革命，将把无线电的功能和业务从硬件的束缚中解放出来。1992年5月在美国通信系统会议上，JesephMitola（约瑟夫·米托拉）首次提出了“软件无线电”（SoftwareRadio，SWR）的概念。1995年IEEE通信杂志（CommunicationMagazine）出版了软件无线电专集。当时，涉及软件无线电的计划有军用的SPEAKEASY（易通话），以及为第三代移动通信（3G）开发基于软件的空中接口计划，即灵活可互操作无线电系统与技术（FIRST）。1996年3月发起“模块化多功能信息变换系统”（MMITS）论坛，1999年6月改名为“软件定义的无线电”（SDR）论坛。1996年至1998年间，国际电信联盟（ITU）制订第三代移动通信标准的研究组对软件无线电技术进行过讨论，SDR也将成为3G系统实现的技术基础。从1999年开始，由理想的SWR转向与当前技术发展相适应的软件无线电，即软件定义的无线电（SoftwareDefinedRadio，SDR）。1999年4月IEEEJSAC杂志出版一期关于软件无线电的选集。同年，无线电科学家国际联合会在日本举行软件无线电会议。同年还成立亚洲SDR论坛。1999年以后，集中关注使SDR的3G成为可能的问题。功能模型：软件无线电的功能模型如图1所示。它将无线电的功能划分为信道集、信道编/解码、信息安全、服务与网络支持、信源编/解码和信源集。其中，信道集包括：RF信道、同时性、多波段传播、有线互操作性以及为了控制服务质量（QoS）自动采用多信道（或模式）。服务和网络支持包括：多路复用，建立与控制，数据服务和网络互连（有线及互连网标准，包括移动性）。联合控制包括：联合信源/信道编码，动态QoS与本地控制，处理资源管理（综合用户和网络