未来电台和移动通信的软件化

南京邮电学院　　唐泽鹏 宋威

　　现代通信技术、数字处理技术、微电子技术、天线技术和宽带功放等技术得到了迅猛发展。正是在这一系列高新技术的基础之上，软件无线电应运而生。软件无线电技术是多频段天线、射频变换、宽带及变换、宽带A/D及D/A变换、可编程器件实现的中频、基带及比特流处理等高新技术的高度综合。

　　典型的移动式软件无线电终端直接(通常经声音、数据、传真)接到用户。典型的基站接口一般接至公共交换电话网(PSTN)，一个功能完善的基站允许开发者和研究人员在业务开发工作站通过各种仪表进行操作和维护。

　　标准软件无线电台的部件有：电源、天线、多频段射频变换器、含有A/D及D/A转换器的芯片，通用处理器和内存等。它们执行无线通信功能和所需的接口功能。

　　软件无线电台的硬件结构十分简单，其丰富的功能由软件来定义。值得注意的是，尽管软件无线电台也采用数字技术，但目前那些由软件控制的数字无线电台一般来说不是软件电台，它们之间最根本的区别在于软件无线电台具有全部可编程能力。

起源和发展

　　“软件无线电”这一概念最早是在20世纪70年代后期提出，当时模数转换器（ADC）由8085微处理器提供，工作于甚低频段（VLF）。20世纪80年代，制造商引入在可编程DSP平台上采用自适应信号处理的软件定义的数字高频（HF）接收机以适应不同标准的空中接口。软件无线电起源于美国国防部的易通话（speakeasy）战术通信系统计划，主要目标是研制三军通用的多频段多功能无线电台（MBMMR），工作频段2～2000MHz，能兼容现有15种主要军用电台，同时与其中4种电台通信。这项计划已于1997年完成，并装备部队，最终将取代军队所有的传统电台。对于PCS手机和基站，软件定义的空中接口日益成为可能，设备的空中接口重构可通过空中命令或空中软件下载人工完成，这种重构反映早期软件电台的理想定义：“电台的空中接口功能是由软件重构的”。

　　
　　事实上定义将演变为“电台的功能是由软件重构”，这种重构可在空中或通过其它手段（例如智能卡）实现。同样地，功能化存在于协议栈的任意层，这些层包括应用层、数据链路层和媒介访问控制（MAC）层、物理层、空中接口，这种定义与软件无线电的理想定义不同，反映了软件无线电演变的实际方式，即反映“软件无线电技术增值路在何方”这个问题。今天增值的问题将影响明天软件无线电商业演变的道路，因此我们将一部分初步讨论集中在目前这些增值所在的应用下载上，未来它将发展到协议栈的所有层上，这是更理想的情况。

　　软件无线电这种无线通信新的体系结构，其核心是把硬件作为无线通信的基本平台，而把尽可能多的无线及个人通信功能用软件实现。作为一种新的无线通信概念和体制，软件无线电在国内外受到广泛重视。随着数字技术和微电子技术的迅速发展，数字信号处理器等通用可编程器件的运算能力成倍提高，而价格却显著下降，现代无线电系统越来越多的功能可以由软件实现，因此产生了软件无线电。软件无线电的核心思想是将宽带模/数（A/D）及数/模（D/A）变换器尽可能靠近射频天线，并尽可能用软件实现无线电功能。这样无线通信新系统、新产品的开发将逐步转到软件上来，而无线通信产品的价值将越来越多地体现在软件上，这是无线通信领域继固定到移动、模拟到数字之后的第三次革命。

　　进入20世纪90年代以后，人们在努力探寻着第三代移动通信，即未来个人通信系统的实现方法。所谓个人通信，就是要实现个人终端用户在任何时间、任何地点与任何人以任意方式通信。而目前移动通信的状况是多种标准并存，不同标准采用不同的工作频段，不同的调制方式以及不同的多址方式。由于不同标准的系统各自独立，难以互通，使得移动用户得不到不同标准系统的支持，这给移动用户的漫游带来很大的限制。在未来移动通信中，软件无线电将改变传统的观念，给移动通信的软件化、智能化、通用化、个人化和兼容性带来深远的影响，并将在本世纪形成和计算机及程控交换机相当的巨大产业。

　　2000年11月，国际电联终于通过第三代移动通信系统（3G）的无线接口规范，在这个规范中3G的无线接口并未达到一个统一的标准，而是将一些第二代（2G）就已有和面向3G的无线传输技术放在一起，统统收入3G“家族”，这给移动用户的漫游带来很大的限制。而软件无线电是最有希望解决这些问题的技术，它可以研制一个完全可以编程的硬件平台，基站和移动台的所有功能均通过软件编程实现，通过注入不同的软件，形成不同标准的移动用户终端和基站，保证各种移动设备之间的无缝集成，使得一机在手，漫游天下。这也促使软件无线电技术全球化，成为未来移动通信软件化的关键技术。 　

蜂窝移动通信系统软件化进程

　　软件无线电技术应用于未来无线通信系统，关键在于移动终端由软件支持，实现在线更新，一次写入，随处运行的网络计算和动态配置。在蜂窝移动通信系统中，基站和移动终端可以采用软件无线电结构，硬件简单，功能由软件定义。射频频段、信道访问模式及信道调制都可编程。软件无线电的发射与其它系统不同，它先划分可用的传输信道，探测传播路径，进行适合信道的调制，电子控制发射波束指向正确的方向，选择合适的功率，然后再发射。接收也同样如此，它能划分当前信道和相邻信道的能量分布，识别输入传输信号的模式，自适应抵消干扰，估计所需信号多径的动态特征，对多径的所需信号进行相干合并和自适应均衡，对信道调制进行栅格译码，然后通过FEC译码纠正剩余错误，尽可能降低误比特率。此外，软件无线电能通过许多软件工具增加增值业务。这些软件工具能帮助分析无线电环境，定义所需的增加内容，在无线环境下，测试由软件开发增值业务的样板，最后通过软件和（或）硬件开放该增值业务。

　　在这个方面，我国也有了明确计划。在向ITU提交的第三代移动通信提案TD-SCDMA中就采用了软件无线电技术。SCDMA的基站和终端设备采用高速DSP和高速A/D变换器，处理速度高于5000万次/秒。在SCDMA系统中，软件无线电技术实现的功能包括采用IS-95或G.729标准，实现编码速率8kbit/s，质量接近于64kbit/s PCM编码；直接序列码分多址（DS-CDMA）的调制和解调；同步检测和控制；天线波束的赋形（智能天线技术）；自动控制频率、发射功率、接收增益和时延；用户定位（确定用户基站的方位和距离）；处理空中接口Um物理层；基带预失真，以降低对收发信机线性的要求。软件无线电通过硬件平台安装不同的软件，完成不同的功能，因此可在不改变硬件设备的条件下，通过软件升级来实现系统功能。

　　在移动通信软件化过程中智能天线的应用是一个关键技术。因为智能天线具有以下几个优点：天线波束赋形的结果等效于提高天线的增益；天线波束赋形后，可大大减少多径干扰；信号到达方向（DOA）提供了用户终端的方位信息，用于实现用户定位；用多个小功率放大器代替大功率放大器，降低了基站成本，提高了设备可靠性。最初，它用于雷达、声纳及军事通信领域，一直未能普及到其它通信领域。近年，DSP技术迅速发展，芯片的处理能力不断提高，价格不断下降。同时，利用数字技术可在基带形成天线波束，取代了模拟电路，提高了天线系统的可靠性和灵活程度。在我国的TD-SCDMA方案中，基站采用智能天线技术，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；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加权处理，形成无线波束，使主波束对准用户信号方向，在干扰信号方向，形成天线方向图零陷或较低的功率增益，达到抑制干扰目的。　　

　　在手机方面要实现多频/多模（可兼容GSM、DCS1800、WCDMA及现有的大多数模拟体制）可编程手机。这种手机可自动检测接收信号，接入不同的网络，而且能满足不同接续时间的要求。软件无线电技术可用不同软件实现不同无线电设备的各种功能，可任意改变信道接入方式或调制方式，利用不同软件即可适应不同标准，构成多模手机和多功能基站，具有高度的灵活性。它的出现，使无线通信的发展经历了由固定到移动，由模拟到数字，由硬件到软件的三次变革。软件无线电技术正越来越广泛应用于移动通信领域，已成为第三代移动通信(3G)的战略基础，并继续朝产业化、全球化的方向发展。

电台的软件化

　　标准软件无线电台的部件有：电源、天线、多频段射频变换器、含有A/D/A转换器的芯片，通用处理器和内存等。它们执行无线通信功能和所需的接口功能。软件无线电台可通过改变软件程序来灵活地更改功能和性能。这就是说它用更改软件来应对上述制约的可能性引起了人们的极大重视。

　　软件无线电台是通信机，但仅用通信机的概念还远不能概括。软件无线电台是用改变软件程序来实现改变功能，这和计算机是一样的。将来的软件接收机还兼有计算机功能，即可以把通信和计算机融合在一起。

　　软件无线电台最被看好的就是在移动通信系统的基地台模拟机和移动台模拟机上的应用。由于是用在开发阶段，主要还是为了确认功能，可以不考虑经济性、低功耗性、小型性，作为软件无线电台的应用最合适不过。

　　软件无线电台在这个领域有很多的优点：可以灵活地应对系统设计的变更，而且可以以最快的速度验证确认。而且硬件的设计不会出现重复，可大大地降低开发成本。当然由于现在A-D变换器、D-A变换器、DSP等器件的处理速度是有限的，所以可以模拟的也是有限度的。
　　在广播电台方面，广播也从模拟广播逐步发展到高质量、多功能的数字广播。其结果也和移动电话业务一样，出现了模拟式和数字式广播频率同在的状况。而使用软件无线电台就可以灵活地应对这种局面。

实现软件无线电体系结构的核心

　　软件无线电的天线跨多个频段，形式统一，损耗低。射频部分完成输出功率的产生及前置放大，将射频信号转换成标准中频信号，或将标准中频信号转换成射频信号，该标准中频信号适合A/D和D/A转换。中频部分完成中频信号与已调基带信号之间的变换（接收和发射），它的主要功能是频率变换和滤波。基带信号处理部分把数据流变换成适合信道传输的基带信号和解调基带信号（含定时恢复），包括针对非线性信道的预失真、栅格编码和软判决参数估计等。比特流部分采用数字方式复接和分接多个用户的比特流，这些比特流经过信源编码，包括前向纠错码FEC（如比特交织、分组或卷积编码、ARQ等）帧定时、比特填充、无线链路加密等，它还具备信令、控制、运营、管理和维护等功能。

　　为满足具有全新结构的数字移动电话的需求，考虑用多个A/D并联使用。硬件采用模块化结构宽带A/D和D/A及高速DSP，建立VME公共硬件平台，支持并行、流水线及异种多处理机。DSP必须完成以前由硬件完成的工作，如基带处理、调制解调、比特流处理、编码解码、系统频谱监控和信道搜索等。 软件采用基于OSI参考模型的分层软件体系，支持开放式的模块化设计。灵活应用软件无线电的基本硬软件模块，可使软件无线电设备对传播条件具有多种自适应能力（包括频率、功率、速率及多径分集等），多种抗干扰能力（包括自适应天线调零、自适应干扰抵消、扩频及跳频等），灵活可变的多址方式（包括FDMA、TDMA、CDMA、SDMA及其混合等），用户需要的多种业务（包括话音、传真、数据及图像等）及多种组网与接口能力等。

　　软件无线电系统中的软件下载是由于Internet的出现使软件的销售和发布产生了一次革命，使得它一次性购买、在线更新成为可能。软件无线电的可再编程特性决定了移动终端必须要有进行软件下载的功能。在现有GSM接口的基础上，有三种接口可用来向软件无线终端发布软件，既移动终端和灵活轻巧的快速卡之间的接口、移动终端和外围设备之间的接口、移动终端和基站之间的无线接口。API提供了软件应用至无线接口协议栈。

　　真正实现软件无线电还要有软件标识语言，在未来软件无线电的应用中，可有不同厂家具有的相同功能的软件提供给软件无线电台，公共空中接口也需要精确的定义，因此需要这样一种语言，它能描述软件的功能并且自己也被精确的描述。它应有以下特点：驻留在终端中的软件必须是简洁紧凑的，或者这种语言可以被编译成驻留在终端中的某种替代物；软件标识语言必须能提供为降低功耗而优化程序的功能；在处理速度受限的情况下，软件标识语言能描述并提供适当的实时性处理。

　　只有在以上几个方面实现的基础上，我们未来的软件无线电蓝图才可以得以从理论意义上走到现实中来。

　　软件无线电技术在未来移动通信中改变了传统的观念，给移动通信的软件化、智能化、通用化、个人化和兼容性带来深远的影响。移动通信作为无线个人通信的重要业务，具有十分广阔的市场。移动通信软件化的实现可以将现在世界上存在着多种移动电话体制统一到一个系统中来，具有最大的通用性。软件无线电的通用性决定了它的发展将增加系统的灵活性，促使基站和终端成本不断下降，系统通过软件来更新升级更加方便。

　　尽可能削减依存于应用的部分硬件、留下共用的硬件，而后用DSP和数字信号处理来实现无线功能(或接收功能)的就是软件无线电台。它对可挠性的追求是永无止境的，因此将其用到所有的无线系统中绝对没问题。

　　目前全世界的软件无线电参与者正致力于确定软件无线电技术在产业价值链中的定位，未来软件无线电的商用前景将为移动通信的发展提供新的机遇，它将从不同途径对个人通信，实际上也对其它产业产生深远的影响。

----《通信世界》