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作者簡介： 趙榮黎：
北方交通大學(xué)現(xiàn)代通信研究所教授。長期從事移動通信、衛(wèi)星通信、擴(kuò)展頻譜通信以及通信抗干擾領(lǐng)域的教學(xué)和科學(xué)研究工作。發(fā)表學(xué)術(shù)論文百余篇，出版著作5本。
現(xiàn)代微電子技術(shù)及微處理器技術(shù)的進(jìn)步，特別是大規(guī)模集成器件和可編程器件的出現(xiàn)，使以硬件為主的傳統(tǒng)無線電技術(shù)得到了長足的進(jìn)步。DSP、FPGA及通用處理器（GP）等硬件的發(fā)展和PC機(jī)總線概念的引入，導(dǎo)致無線電結(jié)構(gòu)的重大變革，使無線電技術(shù)進(jìn)入新的階段——軟件無線電。軟件無線電技術(shù)將成為3G和4G移動通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文將重點(diǎn)介紹軟件無線電的概念和軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)。
軟件無線電的基本概念
傳統(tǒng)的無線電，是指由硬件實(shí)現(xiàn)其通信功能的無線電。無線電技術(shù)演化的進(jìn)程是由模擬電路發(fā)展到數(shù)字電路；由分立器件發(fā)展到集成器件；由小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模到超大規(guī)模集成器件；由固定集成器件到可編程器件。因而先后出現(xiàn)了模擬無線電、數(shù)字無線電和可編程數(shù)字無線電（PDR）。
大規(guī)模集成器件特別是寬帶大動態(tài)范圍的模-數(shù)、數(shù)-模變換器（ADC、DAC）和可編程器件（FPGA、DSP等）的出現(xiàn)，為無線電的技術(shù)革命奠定了硬件技術(shù)基礎(chǔ)。基于通用處理器（GP）等硬件和總線概念的引入了，導(dǎo)致無線電結(jié)構(gòu)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(diào)制。理想的軟件無線電應(yīng)當(dāng)具有射頻(RF) 數(shù)字接入能力。因此，軟件無線電（SWR）是一個(gè)理想的概念，即希望在一個(gè)開放的公共硬件平臺上利用不同可編程的軟件方法實(shí)現(xiàn)所需要的無線電系統(tǒng)。但是，在目前技術(shù)條件下，做不到全部可編程的要求。因此，軟件無線僅是一個(gè)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(shù)條件下可實(shí)現(xiàn)的軟件無線電。通常SDR被認(rèn)為是具有中頻(IF)可編程數(shù)字接入能力的無線電 (注意，IF數(shù)字接入不是IF可編程)。
3、對軟件無線電的理解
傳統(tǒng)無線電工程師對軟件無線電的理解是：用寬帶模數(shù)及數(shù)模變換器（A/D及D/A）、大量專用/通用處理器、數(shù)字信號處理器（DSP）構(gòu)成的一個(gè)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(shù)來實(shí)現(xiàn)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(tǒng)。例如，利用寬帶ADC通過可編程數(shù)字濾波器對信道進(jìn)行分離；利用數(shù)字信號處理技術(shù)在數(shù)字信號處理器（DSP）上通過軟件編程實(shí)現(xiàn)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(yùn)算處理和變換，實(shí)現(xiàn)不同的信道調(diào)制方式及其選擇（如調(diào)幅、調(diào)頻、單邊帶、數(shù)據(jù)、跳頻和擴(kuò)頻等），實(shí)現(xiàn)不同的保密結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和控制終端功能等。
計(jì)算機(jī)工程師對軟件無線電的理解是：類似于PC機(jī)，硬件平臺設(shè)計(jì)采用基于標(biāo)準(zhǔn)總線（例如VME）的硬件結(jié)構(gòu)，支持并行、流水線及異種多處理機(jī)；軟件設(shè)計(jì)采用基于開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型的分層軟件體系，支持面向?qū)ο蟮摹㈤_放式的模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一些基本的算法及功能模塊。靈活應(yīng)用基本軟件模塊，可使其具備自適應(yīng)能力（包括頻率、功率、速率及多徑分集等的自適應(yīng)）、抗干擾能力（包括自適應(yīng)天線調(diào)零、自適應(yīng)干擾抵消、擴(kuò)頻及跳頻等）以及靈活的組網(wǎng)與接口能力，并可以滿足用戶的多種業(yè)務(wù)需求（包括話音、傳真、數(shù)據(jù)及圖像等）。因此，融合無線電工程師和計(jì)算機(jī)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(shù)字無線電的區(qū)別
順便指出，軟件無線電（包括軟件定義無線電）與數(shù)字無線電（包括可編程數(shù)字無線電）的區(qū)別，主要表現(xiàn)在它們可編程數(shù)字接入的程度。數(shù)字無線電是沒有可編程數(shù)字接入能力并且是固定功能的無線電，可編程數(shù)字無線電（PDR）則是僅在基帶具有可編程性的數(shù)字無線電；而軟件無線電是全部可編程數(shù)字接入的無線電。
5、軟件無線電的性能指標(biāo)
表征軟件無線電性能的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是：數(shù)字接入帶寬和處理平臺的靈活性。為了實(shí)現(xiàn)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(shù)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(jié)構(gòu)。
軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)
軟件無線電和傳統(tǒng)無線電在設(shè)計(jì)理念與體系結(jié)構(gòu)方面具有顯著的不同。傳統(tǒng)無線電的設(shè)計(jì)，是基于用硬件搭建的模塊來實(shí)現(xiàn)通信功能的硬件體系結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，它是通過管理與分配軟件和硬件資源來實(shí)現(xiàn)通信功能的全新體系結(jié)構(gòu)。
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(wù)與網(wǎng)絡(luò)支持、信源編/譯碼和信源集。其中，信道集 包括RF信道，同時(shí)、多波段傳播，有線互操作性以及為了控制服務(wù)質(zhì)量（QoS）自動采用多信道（或模式）。
服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)支持 包括多路復(fù)用，建立與控制，數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)互連。（有線及互連網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),包括移動性）。聯(lián)合控制 包括聯(lián)合信源/信道編碼，動態(tài)QoS與本地控制，處理資源管理（綜合用戶和網(wǎng)絡(luò)接口，多用戶、多波段、多模式能力）。多個(gè)性 即多波段、多模式、靈巧服務(wù)以及與傳統(tǒng)模式的互操作。SDR的個(gè)性包括：RF波段、信道集(例如控制和業(yè)務(wù)信道)、空中接口波形及有關(guān)功能。演進(jìn)支持 包括定義及管理個(gè)性。演進(jìn)支持功能可以支持軟件及無線電平臺的演進(jìn)。
軟件無線電功能接口示于各個(gè)功能塊之間。其中的RF波形即空中接口；IF波形包括大多數(shù)空中接口，但信號被濾波及變換到IF處理。保護(hù)比特即加密比特。而明比特是非加密比特。網(wǎng)絡(luò)比特符合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，源比特適合解碼器。多個(gè)性是通過軟件對象接口下載到無線電的。這些接口構(gòu)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(diǎn)運(yùn)算)處理能力的SDR，能支持上千個(gè)百行代碼 (LOC)。在無線電基礎(chǔ)設(shè)施 層，代碼在無線電平臺分布的多處理硬件之間移動數(shù)據(jù)。無線電應(yīng)用 層處理這些分布協(xié)作形成的無線電應(yīng)用。無線電應(yīng)用 可含有空中接口協(xié)議，及采用標(biāo)準(zhǔn)的有線數(shù)據(jù)交換協(xié)議像TCP/IP。通信服務(wù) 層的應(yīng)用軟件給用戶提供通信服務(wù)。
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(chǔ)，部件并用總線（或交換網(wǎng)）連接構(gòu)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(cè)和非加密側(cè)。總線可任選，例如PIC總線和VME總線等。當(dāng)然，也可采用其它連接的硬件平臺(如以交換網(wǎng)絡(luò)連接的硬件平臺)。軟件無線電概念的應(yīng)用
為了便于比較傳統(tǒng)無線電和軟件無線電，先給出傳統(tǒng)多波段多模式無線電。無線電的通信功能部件為傳統(tǒng)的功能框，僅是引入了微計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理，例如基于計(jì)算機(jī)的操作顯示。
軟件無線電的軟件組成對象與硬件和協(xié)議棧各層的結(jié)合。采用應(yīng)用編程接口(API)支持層，能夠支持應(yīng)用程序的再利用，即采用相同的API層接口標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序可以應(yīng)用在不同的軟件無線電系統(tǒng)中�？稍倬幊痰臒o線接口協(xié)議組實(shí)際上就是提供與API相關(guān)的一些軟件模塊，如信源編碼、調(diào)制解調(diào)算法、多址、DDC算法等。
這些模塊與API層之間有著標(biāo)準(zhǔn)的接口。因?yàn)檫@些軟件模塊都是可編程的，可以隨著新的通信體制的發(fā)展，采用新的軟件無線電算法。為了使協(xié)議組獨(dú)立于硬件平臺，引入了虛擬機(jī)層(virtual machine)。其目的是掩蓋無線通信系統(tǒng)的硬件實(shí)體。它與無線接口協(xié)議組有一個(gè)統(tǒng)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(yùn)行不同的低層軟件。裝載到硬件平臺上的軟件只需按照標(biāo)準(zhǔn)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(gè)軟件層次化模型從整體上為軟件設(shè)計(jì)提供了思路。
SDR的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用前景
1、SDR的實(shí)現(xiàn)
移動通信中，SDR的3G手機(jī)的需求包括：(1) 覆蓋 (基本的無線電接入技術(shù)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(shù)）；(4)話音、數(shù)據(jù)、多媒體服務(wù) (自動譯碼和多運(yùn)送無線）；(5) 服務(wù)等級(GoS）；(6) 服務(wù)質(zhì)量(QoS)。
實(shí)現(xiàn)SDR的關(guān)鍵問題包括：資源接入，世界性的互操作，終端和網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)性多媒體內(nèi)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(shù)問題有：寬帶RF，寬帶高分辨率ADC/DAC，高性能數(shù)字信號處理器（DSP、FPGA等），以及軟件等。
2、SDR實(shí)現(xiàn)的成本與應(yīng)用前景
移動通信由于2G向2.5和3G的演進(jìn)時(shí)其系統(tǒng)的復(fù)雜度和服務(wù)的完善度在不斷演化，對采用SDR的成本權(quán)衡有利。因?yàn)榛趥鹘y(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的2G移動通信為了支持這種演化，要求重新設(shè)計(jì)和更新2G數(shù)字無線電的硬件。而基于SDR的2G系統(tǒng)，在保留它的完整性的同時(shí)，將基于軟件性能的提高及支持可用的插入技術(shù)而使空中接口的物理層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)化。所需要的是在提高軟件無線電節(jié)點(diǎn)的靈活性與所投入的成本之間進(jìn)行權(quán)衡。
關(guān)于2G系統(tǒng)的手機(jī)，其成本權(quán)衡取決于多模式工作的數(shù)目、ADC/DAC和DSP的能力。當(dāng)不同工作模式的數(shù)目超過4個(gè)時(shí)，基于典型寬帶SDR實(shí)現(xiàn)的手機(jī)就比基于ASIC實(shí)現(xiàn)的手機(jī)更為合算。關(guān)于基站的成本權(quán)衡，是有利于SDR的實(shí)現(xiàn)。
因此，作為3G和4G移動通信中關(guān)鍵技術(shù)之一的軟件無線電技術(shù)，將具有廣闊應(yīng)用前景。
摘自《通信市場》2002.10期
