软件无线电的概念及其体系结构

北方交通大学现代通信研究所 赵荣黎
　　作者简介： 赵荣黎：

　　北方交通大学现代通信研究所教授。长期从事移动通信、卫星通信、扩展频谱通信以及通信抗干扰领域的教学和科学研究工作。发表学术论文百余篇，出版著作5本。

　　现代微电子技术及微处理器技术的进步，特别是大规模集成器件和可编程器件的出现，使以硬件为主的传统无线电技术得到了长足的进步。DSP、FPGA及通用处理器（GP）等硬件的发展和PC机总线概念的引入，导致无线电结构的重大变革，使无线电技术进入新的阶段——软件无线电。软件无线电技术将成为3G和4G移动通信中的关键技术之一。本文将重点介绍软件无线电的概念和软件无线电的体系结构。

　　软件无线电的基本概念

　　传统的无线电，是指由硬件实现其通信功能的无线电。无线电技术演化的进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、中规模、大规模到超大规模集成器件；由固定集成器件到可编程器件。因而先后出现了模拟无线电、数字无线电和可编程数字无线电（PDR）。

　　大规模集成器件特别是宽带大动态范围的模-数、数-模变换器（ADC、DAC）和可编程器件（FPGA、DSP等）的出现，为无线电的技术革命奠定了硬件技术基础。基于通用处理器（GP）等硬件和总线概念的引入了，导致无线电结构思想的重大变革——软件无线电概念。

　　1、什么是软件无线电

　　软件无线电(SWR) 是指一种全部可软件编程、具有最大灵活性无线电平台的无线电。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。理想的软件无线电应当具有射频(RF) 数字接入能力。因此，软件无线电（SWR）是一个理想的概念，即希望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。但是，在目前技术条件下，做不到全部可编程的要求。因此，软件无线仅是一个理想境界。

　　2、什么是软件定义的无线电

　　软件定义的无线电（SDR），它是指在目前技术条件下可实现的软件无线电。通常SDR被认为是具有中频(IF)可编程数字接入能力的无线电 (注意，IF数字接入不是IF可编程)。

　　3、对软件无线电的理解

　　传统无线电工程师对软件无线电的理解是：用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（DSP）构成的一个硬件平台，并尽可能地靠近射频天线；在硬件平台上尽量利用软件编程技术来实现无线电的各种功能模块，以及将功能模块按需要组合成无线电系统。例如，利用宽带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HF、VHF、UHF和SHF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其选择（如调幅、调频、单边带、数据、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。

　　计算机工程师对软件无线电的理解是：类似于PC机，硬件平台设计采用基于标准总线（例如VME）的硬件结构，支持并行、流水线及异种多处理机；软件设计采用基于开放系统互联（OSI）参考模型的分层软件体系，支持面向对象的、开放式的模块化设计，实现一些基本的算法及功能模块。灵活应用基本软件模块，可使其具备自适应能力（包括频率、功率、速率及多径分集等的自适应）、抗干扰能力（包括自适应天线调零、自适应干扰抵消、扩频及跳频等）以及灵活的组网与接口能力，并可以满足用户的多种业务需求（包括话音、传真、数据及图像等）。因此，融合无线电工程师和计算机工程师两方面对软件无线电的见解，将会得出对软件无线电比较完整的理解。

　　4、软件无线电与数字无线电的区别

　　顺便指出，软件无线电（包括软件定义无线电）与数字无线电（包括可编程数字无线电）的区别，主要表现在它们可编程数字接入的程度。数字无线电是没有可编程数字接入能力并且是固定功能的无线电，可编程数字无线电（PDR）则是仅在基带具有可编程性的数字无线电；而软件无线电是全部可编程数字接入的无线电。
　　5、软件无线电的性能指标

　　表征软件无线电性能的两个关键参数是：数字接入带宽和处理平台的灵活性。为了实现处理平台的灵活性，容许人们不断地引入可承受的软件技术和允许硬件的重新配置，所以软件无线电必须采用开放的体系结构。

　　软件无线电的体系结构

　　软件无线电和传统无线电在设计理念与体系结构方面具有显著的不同。传统无线电的设计，是基于用硬件搭建的模块来实现通信功能的硬件体系结构。软件无线电则是采用基于硬件平台和软件分层的软件无线电结构，它是通过管理与分配软件和硬件资源来实现通信功能的全新体系结构。

　　1、软件无线电的功能模型与功能接口

　　软件无线电的功能模型如图2中的框图所示。它将无线电的功能划分为信道集、信道编/译码、信息安全 (INFOSEC)、服务与网络支持、信源编/译码和信源集。其中，信道集 包括RF信道，同时、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（综合用户和网络接口，多用户、多波段、多模式能力）。多个性 即多波段、多模式、灵巧服务以及与传统模式的互操作。SDR的个性包括：RF波段、信道集(例如控制和业务信道)、空中接口波形及有关功能。演进支持 包括定义及管理个性。演进支持功能可以支持软件及无线电平台的演进。

　　软件无线电功能接口示于各个功能块之间。其中的RF波形即空中接口；IF波形包括大多数空中接口，但信号被滤波及变换到IF处理。保护比特即加密比特。而明比特是非加密比特。网络比特符合网络协议，源比特适合解码器。多个性是通过软件对象接口下载到无线电的。这些接口构成软件无线电的“横向（水平）”接口，它形成信源到信道之间的信号流与控制流。

　　2、软件无线电的软件分层

　　软件无线电的软件分层。其中，硬件平台层 采用GFLOPS (每秒十亿浮点运算)处理能力的SDR，能支持上千个百行代码 (LOC)。在无线电基础设施 层，代码在无线电平台分布的多处理硬件之间移动数据。无线电应用 层处理这些分布协作形成的无线电应用。无线电应用 可含有空中接口协议，及采用标准的有线数据交换协议像TCP/IP。通信服务 层的应用软件给用户提供通信服务。

　　3、软件无线电的硬件平台

　　软件无线电的硬件平台是由RF处理、ADC/DAC、DSP/CPU以及通用处理器为基础，部件并用总线（或交换网）连接构成的。给出常见的用总线连接的软件无线电硬件平台。其中，硬件模块与总线相连，并以通信安全(COMSEC)模块分界，将它们分为加密侧和非加密侧。总线可任选，例如PIC总线和VME总线等。当然，也可采用其它连接的硬件平台(如以交换网络连接的硬件平台)。软件无线电概念的应用

　　为了便于比较传统无线电和软件无线电，先给出传统多波段多模式无线电。无线电的通信功能部件为传统的功能框，仅是引入了微计算机进行管理，例如基于计算机的操作显示。

　　软件无线电的软件组成对象与硬件和协议栈各层的结合。采用应用编程接口(API)支持层，能够支持应用程序的再利用，即采用相同的API层接口标准的应用程序可以应用在不同的软件无线电系统中。可再编程的无线接口协议组实际上就是提供与API相关的一些软件模块，如信源编码、调制解调算法、多址、DDC算法等。

　　这些模块与API层之间有着标准的接口。因为这些软件模块都是可编程的，可以随着新的通信体制的发展，采用新的软件无线电算法。为了使协议组独立于硬件平台，引入了虚拟机层(virtual machine)。其目的是掩盖无线通信系统的硬件实体。它与无线接口协议组有一个统一的接口，称为低层API。采用低层API可以使同样的软件加载到不同厂商的硬件上，或者说运行不同的低层软件。装载到硬件平台上的软件只需按照标准的接口编写即可。该层次化模型中的最后一层是硬件平台。这个软件层次化模型从整体上为软件设计提供了思路。

　　SDR的实现及应用前景

　　1、SDR的实现

　　移动通信中，SDR的3G手机的需求包括：(1) 覆盖 (基本的无线电接入技术加显著的多样性和功率控制）；(2) 减轻干扰(智能天线）；(3) 无线电资源控制 (可变比特率技术）；(4)话音、数据、多媒体服务 (自动译码和多运送无线）；(5) 服务等级(GoS）；(6) 服务质量(QoS)。

　　实现SDR的关键问题包括：资源接入，世界性的互操作，终端和网络控制，控制、传输、管理中的安全，跨波段、跨模式的互处理通信，跨网络的智能及资源的分配。革新频谱利用，按需要接入宽带信道(Mbps)，自适应性多媒体内容。以及软件控制的RF元件、新的无线空中接口和硬件/软件的革新。主要技术问题有：宽带RF，宽带高分辨率ADC/DAC，高性能数字信号处理器（DSP、FPGA等），以及软件等。

　　2、SDR实现的成本与应用前景

　　移动通信由于2G向2.5和3G的演进时其系统的复杂度和服务的完善度在不断演化，对采用SDR的成本权衡有利。因为基于传统硬件设计的2G移动通信为了支持这种演化，要求重新设计和更新2G数字无线电的硬件。而基于SDR的2G系统，在保留它的完整性的同时，将基于软件性能的提高及支持可用的插入技术而使空中接口的物理层和网络层进化。所需要的是在提高软件无线电节点的灵活性与所投入的成本之间进行权衡。

　
　　关于2G系统的手机，其成本权衡取决于多模式工作的数目、ADC/DAC和DSP的能力。当不同工作模式的数目超过4个时，基于典型宽带SDR实现的手机就比基于ASIC实现的手机更为合算。关于基站的成本权衡，是有利于SDR的实现。

　　因此，作为3G和4G移动通信中关键技术之一的软件无线电技术，将具有广阔应用前景。

摘自《通信市场》2002.10期