未來電臺和移動通信的軟件化

2019-11-03 09:14:30

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南京郵電學院　　唐澤鵬宋威

　　現代通信技術、數字處理技術、微電子技術、天線技術和寬帶功放等技術得到了迅猛發展。正是在這一系列高新技術的基礎之上，軟件無線電應運而生。軟件無線電技術是多頻段天線、射頻變換、寬帶及變換、寬帶A/D及D/A變換、可編程器件實現的中頻、基帶及比特流處理等高新技術的高度綜合。

　　典型的移動式軟件無線電終端直接(通常經聲音、數據、傳真)接到用戶。典型的基站接口一般接至公共交換電話網(PSTN)，一個功能完善的基站允許開發者和研究人員在業務開發工作站通過各種儀表進行操作和維護。

　　標準軟件無線電臺的部件有：電源、天線、多頻段射頻變換器、含有A/D及D/A轉換器的芯片，通用處理器和內存等。它們執行無線通信功能和所需的接口功能。

　　軟件無線電臺的硬件結構十分簡單，其豐富的功能由軟件來定義。值得注意的是，盡管軟件無線電臺也采用數字技術，但目前那些由軟件控制的數字無線電臺一般來說不是軟件電臺，它們之間最根本的區別在于軟件無線電臺具有全部可編程能力。

起源和發展

　　“軟件無線電”這一概念最早是在20世紀70年代后期提出，當時模數轉換器（ADC）由8085微處理器提供，工作于甚低頻段（VLF）。20世紀80年代，制造商引入在可編程DSP平臺上采用自適應信號處理的軟件定義的數字高頻（HF）接收機以適應不同標準的空中接口。軟件無線電起源于美國國防部的易通話（speakeasy）戰術通信系統計劃，主要目標是研制三軍通用的多頻段多功能無線電臺（MBMMR），工作頻段2～2000MHz，能兼容現有15種主要軍用電臺，同時與其中4種電臺通信。這項計劃已于1997年完成，并裝備部隊，最終將取代軍隊所有的傳統電臺。對于PCS手機和基站，軟件定義的空中接口日益成為可能，設備的空中接口重構可通過空中命令或空中軟件下載人工完成，這種重構反映早期軟件電臺的理想定義：“電臺的空中接口功能是由軟件重構的”。

　　　　事實上定義將演變為“電臺的功能是由軟件重構”，這種重構可在空中或通過其它手段（例如智能卡）實現。同樣地，功能化存在于協議棧的任意層，這些層包括應用層、數據鏈路層和媒介訪問控制（MAC）層、物理層、空中接口，這種定義與軟件無線電的理想定義不同，反映了軟件無線電演變的實際方式，即反映“軟件無線電技術增值路在何方”這個問題。今天增值的問題將影響明天軟件無線電商業演變的道路，因此我們將一部分初步討論集中在目前這些增值所在的應用下載上，未來它將發展到協議棧的所有層上，這是更理想的情況。

　　軟件無線電這種無線通信新的體系結構，其核心是把硬件作為無線通信的基本平臺，而把盡可能多的無線及個人通信功能用軟件實現。作為一種新的無線通信概念和體制，軟件無線電在國內外受到廣泛重視。隨著數字技術和微電子技術的迅速發展，數字信號處理器等通用可編程器件的運算能力成倍提高，而價格卻顯著下降，現代無線電系統越來越多的功能可以由軟件實現，因此產生了軟件無線電。軟件無線電的核心思想是將寬帶模/數（A/D）及數/模（D/A）變換器盡可能靠近射頻天線，并盡可能用軟件實現無線電功能。這樣無線通信新系統、新產品的開發將逐步轉到軟件上來，而無線通信產品的價值將越來越多地體現在軟件上，這是無線通信領域繼固定到移動、模擬到數字之后的第三次革命。

　　進入20世紀90年代以后，人們在努力探尋著第三代移動通信，即未來個人通信系統的實現方法。所謂個人通信，就是要實現個人終端用戶在任何時間、任何地點與任何人以任意方式通信。而目前移動通信的狀況是多種標準并存，不同標準采用不同的工作頻段，不同的調制方式以及不同的多址方式。由于不同標準的系統各自獨立，難以互通，使得移動用戶得不到不同標準系統的支持，這給移動用戶的漫游帶來很大的限制。在未來移動通信中，軟件無線電將改變傳統的觀念，給移動通信的軟件化、智能化、通用化、個人化和兼容性帶來深遠的影響，并將在本世紀形成和計算機及程控交換機相當的巨大產業。

　　2000年11月，國際電聯終于通過第三代移動通信系統（3G）的無線接口規范，在這個規范中3G的無線接口并未達到一個統一的標準，而是將一些第二代（2G）就已有和面向3G的無線傳輸技術放在一起，統統收入3G“家族”，這給移動用戶的漫游帶來很大的限制。而軟件無線電是最有希望解決這些問題的技術，它可以研制一個完全可以編程的硬件平臺，基站和移動臺的所有功能均通過軟件編程實現，通過注入不同的軟件，形成不同標準的移動用戶終端和基站，保證各種移動設備之間的無縫集成，使得一機在手，漫游天下。這也促使軟件無線電技術全球化，成為未來移動通信軟件化的關鍵技術。　

蜂窩移動通信系統軟件化進程

　　軟件無線電技術應用于未來無線通信系統，關鍵在于移動終端由軟件支持，實現在線更新，一次寫入，隨處運行的網絡計算和動態配置。在蜂窩移動通信系統中，基站和移動終端可以采用軟件無線電結構，硬件簡單，功能由軟件定義。射頻頻段、信道訪問模式及信道調制都可編程。軟件無線電的發射與其它系統不同，它先劃分可用的傳輸信道，探測傳播路徑，進行適合信道的調制，電子控制發射波束指向正確的方向，選擇合適的功率，然后再發射。接收也同樣如此，它能劃分當前信道和相鄰信道的能量分布，識別輸入傳輸信號的模式，自適應抵消干擾，估計所需信號多徑的動態特征，對多徑的所需信號進行相干合并和自適應均衡，對信道調制進行柵格譯碼，然后通過FEC譯碼糾正剩余錯誤，盡可能降低誤比特率。此外，軟件無線電能通過許多軟件工具增加增值業務。這些軟件工具能幫助分析無線電環境，定義所需的增加內容，在無線環境下，測試由軟件開發增值業務的樣板，最后通過軟件和（或）硬件開放該增值業務。

　　在這個方面，我國也有了明確計劃。在向ITU提交的第三代移動通信提案TD-SCDMA中就采用了軟件無線電技術。SCDMA的基站和終端設備采用高速DSP和高速A/D變換器，處理速度高于5000萬次/秒。在SCDMA系統中，軟件無線電技術實現的功能包括采用IS-95或G.729標準，實現編碼速率8kbit/s，質量接近于64kbit/s PCM編碼；直接序列碼分多址（DS-CDMA）的調制和解調；同步檢測和控制；天線波束的賦形（智能天線技術）；自動控制頻率、發射功率、接收增益和時延；用戶定位（確定用戶基站的方位和距離）；處理空中接口Um物理層；基帶預失真，以降低對收發信機線性的要求。軟件無線電通過硬件平臺安裝不同的軟件，完成不同的功能，因此可在不改變硬件設備的條件下，通過軟件升級來實現系統功能。

　　在移動通信軟件化過程中智能天線的應用是一個關鍵技術。因為智能天線具有以下幾個優點：天線波束賦形的結果等效于提高天線的增益；天線波束賦形后，可大大減少多徑干擾；信號到達方向（DOA）提供了用戶終端的方位信息，用于實現用戶定位；用多個小功率放大器代替大功率放大器，降低了基站成本，提高了設備可靠性。最初，它用于雷達、聲納及軍事通信領域，一直未能普及到其它通信領域。近年，DSP技術迅速發展，芯片的處理能力不斷提高，價格不斷下降。同時，利用數字技術可在基帶形成天線波束，取代了模擬電路，提高了天線系統的可靠性和靈活程度。在我國的TD-SCDMA方案中，基站采用智能天線技術，利用數字信號處理技術識別用戶信號到達方向，形成天線主波束；引入空分多址（SDMA）方式，根據用戶信號不同的空間傳播方向，提供不同的空間信道；采用數字方法對陣元接收信號加權處理，形成無線波束，使主波束對準用戶信號方向，在干擾信號方向，形成天線方向圖零陷或較低的功率增益，達到抑制干擾目的?！　?br>
　　在手機方面要實現多頻/多模（可兼容GSM、DCS1800、WCDMA及現有的大多數模擬體制）可編程手機。這種手機可自動檢測接收信號，接入不同的網絡，而且能滿足不同接續時間的要求。軟件無線電技術可用不同軟件實現不同無線電設備的各種功能，可任意改變信道接入方式或調制方式，利用不同軟件即可適應不同標準，構成多模手機和多功能基站，具有高度的靈活性。它的出現，使無線通信的發展經歷了由固定到移動，由模擬到數字，由硬件到軟件的三次變革。軟件無線電技術正越來越廣泛應用于移動通信領域，已成為第三代移動通信(3G)的戰略基礎，并繼續朝產業化、全球化的方向發展。

電臺的軟件化

　　標準軟件無線電臺的部件有：電源、天線、多頻段射頻變換器、含有A/D/A轉換器的芯片，通用處理器和內存等。它們執行無線通信功能和所需的接口功能。軟件無線電臺可通過改變軟件程序來靈活地更改功能和性能。這就是說它用更改軟件來應對上述制約的可能性引起了人們的極大重視。

　　軟件無線電臺是通信機，但僅用通信機的概念還遠不能概括。軟件無線電臺是用改變軟件程序來實現改變功能，這和計算機是一樣的。將來的軟件接收機還兼有計算機功能，即可以把通信和計算機融合在一起。

　　軟件無線電臺最被看好的就是在移動通信系統的基地臺模擬機和移動臺模擬機上的應用。由于是用在開發階段，主要還是為了確認功能，可以不考慮經濟性、低功耗性、小型性，作為軟件無線電臺的應用最合適不過。

　　軟件無線電臺在這個領域有很多的優點：可以靈活地應對系統設計的變更，而且可以以最快的速度驗證確認。而且硬件的設計不會出現重復，可大大地降低開發成本。當然由于現在A-D變換器、D-A變換器、DSP等器件的處理速度是有限的，所以可以模擬的也是有限度的?！　≡趶V播電臺方面，廣播也從模擬廣播逐步發展到高質量、多功能的數字廣播。其結果也和移動電話業務一樣，出現了模擬式和數字式廣播頻率同在的狀況。而使用軟件無線電臺就可以靈活地應對這種局面。

實現軟件無線電體系結構的核心

　　軟件無線電的天線跨多個頻段，形式統一，損耗低。射頻部分完成輸出功率的產生及前置放大，將射頻信號轉換成標準中頻信號，或將標準中頻信號轉換成射頻信號，該標準中頻信號適合A/D和D/A轉換。中頻部分完成中頻信號與已調基帶信號之間的變換（接收和發射），它的主要功能是頻率變換和濾波。基帶信號處理部分把數據流變換成適合信道傳輸的基帶信號和解調基帶信號（含定時恢復），包括針對非線性信道的預失真、柵格編碼和軟判決參數估計等。比特流部分采用數字方式復接和分接多個用戶的比特流，這些比特流經過信源編碼，包括前向糾錯碼FEC（如比特交織、分組或卷積編碼、ARQ等）幀定時、比特填充、無線鏈路加密等，它還具備信令、控制、運營、管理和維護等功能。

　　為滿足具有全新結構的數字移動電話的需求，考慮用多個A/D并聯使用。硬件采用模塊化結構寬帶A/D和D/A及高速DSP，建立VME公共硬件平臺，支持并行、流水線及異種多處理機。DSP必須完成以前由硬件完成的工作，如基帶處理、調制解調、比特流處理、編碼解碼、系統頻譜監控和信道搜索等。軟件采用基于OSI參考模型的分層軟件體系，支持開放式的模塊化設計。靈活應用軟件無線電的基本硬軟件模塊，可使軟件無線電設備對傳播條件具有多種自適應能力（包括頻率、功率、速率及多徑分集等），多種抗干擾能力（包括自適應天線調零、自適應干擾抵消、擴頻及跳頻等），靈活可變的多址方式（包括FDMA、TDMA、CDMA、SDMA及其混合等），用戶需要的多種業務（包括話音、傳真、數據及圖像等）及多種組網與接口能力等。

　　軟件無線電系統中的軟件下載是由于Internet的出現使軟件的銷售和發布產生了一次革命，使得它一次性購買、在線更新成為可能。軟件無線電的可再編程特性決定了移動終端必須要有進行軟件下載的功能。在現有GSM接口的基礎上，有三種接口可用來向軟件無線終端發布軟件，既移動終端和靈活輕巧的快速卡之間的接口、移動終端和外圍設備之間的接口、移動終端和基站之間的無線接口。API提供了軟件應用至無線接口協議棧。

　　真正實現軟件無線電還要有軟件標識語言，在未來軟件無線電的應用中，可有不同廠家具有的相同功能的軟件提供給軟件無線電臺，公共空中接口也需要精確的定義，因此需要這樣一種語言，它能描述軟件的功能并且自己也被精確的描述。它應有以下特點：駐留在終端中的軟件必須是簡潔緊湊的，或者這種語言可以被編譯成駐留在終端中的某種替代物；軟件標識語言必須能提供為降低功耗而優化程序的功能；在處理速度受限的情況下，軟件標識語言能描述并提供適當的實時性處理。

　　只有在以上幾個方面實現的基礎上，我們未來的軟件無線電藍圖才可以得以從理論意義上走到現實中來。

　　軟件無線電技術在未來移動通信中改變了傳統的觀念，給移動通信的軟件化、智能化、通用化、個人化和兼容性帶來深遠的影響。移動通信作為無線個人通信的重要業務，具有十分廣闊的市場。移動通信軟件化的實現可以將現在世界上存在著多種移動電話體制統一到一個系統中來，具有最大的通用性。軟件無線電的通用性決定了它的發展將增加系統的靈活性，促使基站和終端成本不斷下降，系統通過軟件來更新升級更加方便。

　　盡可能削減依存于應用的部分硬件、留下共用的硬件，而后用DSP和數字信號處理來實現無線功能(或接收功能)的就是軟件無線電臺。它對可撓性的追求是永無止境的，因此將其用到所有的無線系統中絕對沒問題。

　　目前全世界的軟件無線電參與者正致力于確定軟件無線電技術在產業價值鏈中的定位，未來軟件無線電的商用前景將為移動通信的發展提供新的機遇，它將從不同途徑對個人通信，實際上也對其它產業產生深遠的影響。

----《通信世界》