軟件無線電：未來無線設備的DNA

2019-11-05 02:33:51

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　　大唐移動通信設備有限公司首席科學家李世鶴
　　通過近20年的發展，移動通信已成為通信領域最活躍、市場份額最高的產業，也成為國際上市場競爭最激烈的部分。但是，按著傳統的思路的產品開發及生產方式，已表現出不少問題，譬如：產品是針對特定的標準中一個版本來開發和制造的。當新技術出現或版本升級或提供新業務時，只能開發新的專用芯片，制造新一代的設備。其結果不是限制了新技術和新業務的使用，就是給制造商、運營商帶來更大的投資風險，給用戶帶來諸多不便。同時，由于各國的經濟利益，全球標準的統一，又難以實現。標準的種類在不斷增加。造成頻率分配、治理更為困難，需要的頻率資源增加，多頻多模手持機制造困難，成本增加。
　　面對此問題，國際上已經進行了大量的研究。大部分專家認為，“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備設計的核心所在。
　　
　　SDR的定義和要求
　　
　　SDR是一個系統的體系概念。SDR的無線通信設備考慮的是一個系統，它必須具有可重新編程和可重構的能力，使此設備可以使用于多種模式(標準)、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基帶數字信號處理，還將對射頻及中頻的模擬電路進行編程和重構。SDR將是無線通信領域內一個革命性的概念。
　　
　　目前人們對使用SDR的無線通信系統或設備，提出了許多要求。
　　
　　SDR設備可以被快速、簡便地重新編程及重新設定，以支持任意傳輸形式的應用和在任何頻率上的傳輸或接收。重新編程及重新設定能力可實現用同一設備支持不同蜂窩技術、個人通信系統和其他無線業務在世界范圍內使用。
　　
　　采用SDR設備，用戶不但可以支持傳統業務并且可以支持新業務；空中下載軟件的概念可以保證用戶可獲得最新的業務服務。SDR能更好地體現“互操作性”這一概念，以支持多頻段及多標準工作的無線通信系統。SDR能使無線運營商在基本不更換基站硬件的條件下，實現系統的版本更新、標準更新及升級換代。
　　
　　SDR還可提高頻譜利用率和頻率共享，讓設備靈活地接入到新頻段；SDR設備具有“智能”功能，它可以監測其他設備使用的頻譜，并在空閑頻段上進行傳輸；SDR大大降低了頻率分配的困難和頻率分配的風險。
　　
　　總地說來，SDR是一個全新的，實現未來移動通信設備的概念和體系結構。它本身并不是一種孤立的技術，而是為所有新技術使用的公共平臺。
　　
　　讓各方均受益
　　
　　使用SDR概念來設計和實現下一代的無線通信系統和設備，與傳統的產品和設備相比較，具有明顯的優勢。它將使得從技術研究開發，到設備制造商、電信運營商，再到每個無線通信最終用戶都受益。
　　
　　首先，對技術和產品的研究開發而言，傳統的無線通信系統只對單一的標準進行產品開發，從標準相對穩定到設計和開發專用芯片，再到產品設計和實現是一個以年為單位的過程，開發周期長、開發成本高。上述情況導致在標準制定進程中，大多數新技術不能被應用，限制了新技術的發展和應用，導致商用產品和當時技術水平的巨大差異。
　　
　　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新業務和使用新技術，大大降低了開發成本和周期，使產品能跟上技術發展的水平。未來的新業務將由用戶來開發，只有使用SDR的概念，才可能讓用戶像使用PC一樣，用SDR設備去開發所需的新業務。
　　
　　其次，對制造商來說，隨著技術的進步，目前無線通信產品的生命周期越來越短，因此針對單一產品線的投資風險很大?；赟DR產品的生產將比傳統產品原材料成本低，且產品壽命長，這就意味著投資風險低。同時，由于它簡單化及標準化硬件使得產品輕易生產。因此，制造商生產基于SDR技術的產品，可得到遠大于生產傳統產品的效益。
　　
　　第三，對運營商來說，移動通信網建設需要巨大投資，同時具有很大風險性。我國現今一方面由于市場需求，GSM網絡迅速擴容，增加GPRS設備；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準中如何選擇，也有很大的投資風險。軟件無線電從某種程度上就可降低這種風險。
　　
　　最后，從最終用戶的角度看，基于SDR技術用戶的設備，是為用戶提供了一個通用的終端設備平臺。它應當能支持多達5～8種國際上通用的標準，而且可以通過空間加載軟件技術達到用戶設備升級的目的。只有這樣，用戶才不需要關心他所在的地區和運營商的問題，而實現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務。
　　
　　技術面臨挑戰
　　
　　目前，很多國際上的研究單位和公司都在關心和研究SDR技術。但不同公司對SDR技術的未來仍然有不同的看法：多數歐洲公司認為它將在2008年后廣泛使用，一些美國公司認為可能在2005年開始廣泛應用，而少數小規模的高技術公司則在為今年初能推出SDR無線通信產品(基站和用戶終端)而努力。到底SDR技術中有哪些挑戰，有哪些要害技術問題，造成人們對此技術的廣泛應用前景有如此大的差異？
　　
　　目前的無線通信標準中，每個載波的帶寬從25kHz(TACS)到5MHz(WCDMA) ；工作頻段從800MHz到3GHz；在射頻接收和發射各方面都有不同的技術指標。這對SDR多模式設備來說是最具有挑戰性的工作。
　　
　　對未來的無線通信設備，非凡是基站設備，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基站設備，使用智能天線技術支持的模式也是一個挑戰。
　　
　　目前，能用軟件實現數字信號處理的器件主要是數字信號處理器(DSP)和現場可編程門陣列(FPGA)兩大類。前者已達到數千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。一個重要的發展方向是將兩者的優點結合起來，用并行處理的技術，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構成。在終端設備中，除要求強大的處理能力外，還要求低功耗，這也要依靠微電子近年的進展來保證。
　　
　　對無線基站，不同標準和體制有不同的網絡接口，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。
　　
　　用戶終端的新業務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仍需完善；由用戶自己創建自己需要的業務則更是一個理想，還有很長的路要走。
　　
　　由此看來，軟件定義無線電的實現還必須克服大量技術上的困難和建立一套完整的體系結構。相對來說，在微電子和基帶數字信號處理等方面的困難要輕易克服一些，而體系結構和射頻技術方面的困難要大得多。我國提出的TD-SCDMA 無線傳輸技術標準，是惟一明確將智能天線和高速數字調制技術設計在標準中，明確用軟件無線電技術來實施的標準?？梢哉f，TD-SCDMA技術在一定程度上代表了國際上移動通信無線傳輸技術的發展方向。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，就是采用數字信號處理技術，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實現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“數字/模擬”轉換器，盡早地完成信號的數字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現。總之，軟件無線電是一種基于數字信號處理(DSP)芯片，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結構。
　　
　　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，且第一個字母都是S，因而被命名為“ SCDMA ”，這些都成為了TD-SCMA的技術基礎。

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