第三代移动通信系统中的软件无线电技术

1、第三代移动通信系统中的软件无线电技术 摘 要 ：软件无线电技术是90年代新技术之一，它已与第三代移动通信系统紧密的结合 起来。 第三代移动通信系统的研究推动了软件无线电技术的发展， 而软件无线电技术又促使第三 代移动通信系统更加灵活的实现。本文分析了软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用， 并总结归纳了由于第三代移动通信系统的推动作用，软件无线电系统呈现出的一些新的发展趋 势。 关键词 ：第三代移动通信系统；软件无线电；虚拟无线电；认知无线电；拓扑；模块化1引言软件无线电是近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和体制3 。它的核心是：将宽带 A/D 和 D/A 变换器尽可能地靠近天线，而将

2、电台功能尽可能地 采用软件进行定义。 软件无线电把硬件作为无线通信的基本平台， 而把尽可能多 的无线通信功能用软件来实现。 这样，无线通信系统具有很好的通用性、 灵活性， 使系统互联和升级变得非常方便， 这很可能使软件无线电成为继模拟通信到数字 通信和固定通信到移动通信之后的无线通信领域的第三次突破4。软件无线电在通信系统中， 特别是在第三代移动通信系统中的应用是越来越 成为研究的热点。例如欧洲的 ACTS(AdvancedCommunications Technologies and Services)计划中，有三项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统(UMTS5-Unmivers

3、al Mobile Telecommunications System)中的。FIRST(FlexibleIntegrated Radio Systems Technology) 计划将软件无线电技术应用到设计多频 /多模(可兼容 GSM DSP18O0 W- CDMA 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受信号以接入不同的网络，且适应不同接续时间的要求； FRAMES(FutureRadio Wideband Multiple Access Systems) 计划目标是定义、 研究与评估宽带有效的多址接入方案来满足UMTSS 求，技术方法之一是采用软件无线电技术； SOR

4、T(Software Radio Technology) 计划是演示灵活的有效的软 件可编程电台，它具有无线自适应接入功能，并符合UMTS 勺标准。在美国，研究基于软件无线电技术的第三代移动通信系统的多频带多模式手机与基站。 同时 还注意到软件无线电技术与计算机技术的融合， 为第三代移动通信系统提供良好 的用户界面，如麻省理工学院的 SpectrumWare 计划。我国对软件无线电技术 也相当重视，例如我国提出了第三代移动通信系统方案 SCDMA，SCDM 是一种 同步的直接扩频CDM;技术，它结合了智能天线、软件无线电及全质量话音压缩 编码技术等 90 年代通信新技术。软件无线电技术在第三代

5、移动通信中的应用是 国家 863 计划的申请项目之一。 因而软件无线电技术是我国第三代移动通信系统 的关键技术之一。软件无线电技术是 90 年代新技术之一，它已与第三代移动通信系统紧密的 结合起来， 第三代移动通信系统的研究推动了软件无线电技术的发展， 而软件无 线电技术又促使第三代移动通信系统更加灵活的实现。 本文分析了软件无线电技 术在第三代移动通信系统中的应用， 并总结归纳了由于第三代移动通信系统的推 动作用，软件无线电系统呈现出的一些新的发展趋势。2第三代移动通信系统中的软件无线电技术第三代移动通信系统是指国际电信联盟 (ITU) 正在组织进行研究的，未来公 用陆地移动通信系统即 FP

6、LMTS 1996 年更名为 IMT 2000。第三代移动通信系 统的主要目标是要将包括卫星在内的所有网络融合为可以替代众多网络功能的 统一系统。它能提供宽带业务并实现全球无缝覆盖7。该系统具有以下特点：提供全球无缝覆盖和漫游；提供第二代系统不能提供的多媒体业务 ( 速率可高达 2Mbs) ；适应多种业务环境：蜂窝、无绳、卫星移动、PSTN 数据网、IP 等；具有单一的通信号码；保证高的服务质量、按需分配带宽；有多频多模通用手机；频谱利用率高，容量大；网络结构能适用无线、有线多种业务要求；系统起始配置能充分利用第二代设备和设施，随后可平滑升级。在第三代移动通信系统所要实现的目标与系统的特点中，

7、 最核心的问题是提 供不同环境下的多媒体业务及实现包含水、 陆、空的全球覆盖。 因而它要求实现 多种网络的综合： 无线网与无线网的综合； 移动网与固定网的综合； 陆地网与卫 星网的综合。又适应多种业务环境， 且与第二代移动通信系统兼容， 便于平滑升 级。对于通信终端而言， 它面对是多种网络的综合系统， 因而需要实现多频多模 式终端(手机)。第三代移动通信系统可支持的速率为室内静止 2Mb/s;步行移 动 384kb/s；车速移动 144kb/s；卫星移动 9.6kb/s,所以手机要适应宽带多 业务的要求。 软件无线电为通信系统提供一种新型的结构， 那就是利用统一的硬 件平台,不同的软件来实现不

8、同的功能。 只有软件无线电技术才能解决多频多模 式多业务终端问题8。由于第三代移动通信的标准的统一是非常困难的，IMT 2000 的发展策略已 经改变过去“一统”的概念, 而注意到以各地区现有第二代系统网络基础为参考 来制定比较现实的过渡方法，并在 1997 年 3 月的会议上一致通过了“ IMT2000 家族”的概念9、10，它放弃了在空中接口、网络技术方面等一致性的努力，而 致力于制定网络接口的标准和互通方案。 因此，也存在多频多模多业务基站问题。 软件无线电是解决基站问题的利器。具体地讲，软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用体现在以下几个 方面：为第三代移动通信手机与基站提供了一个

9、开放的、模块化的系统结构；智能天线结构的实现，空间特征矢量包括 DOA 勺获得、每射频通道权重 的计算和天线波束赋形；各种信号处理软件的实现，包括各类无线信令规则与处理软件、信号流 变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件算法等。开放的、模块化的系统结构是软件无线电技术的核心， 对于第三代移动通信 系统是非常重要的。 它为第三代移动通信系统提供了通用的系统结构， 功能实现 灵活，系统改进与升级很方便；利用统一的硬件平台，不同的软件来满足“ IMT 2000”家庭概念的要求， 实现不同标准之间的互操作； 系统结构的一致性使得 设计的模块化思想能很好的实现， 且这些模块具有很大的

10、通用性， 能在不同的系 统及升级时很容易地复用； 由于系统结构功能的实现主要是由软件来实现的， 软 件的生存周期决定了通信系统的生存期， 这样就能更快地跟踪市场变化， 降低更 新换代的成本。 智能天线技术是第三代移动通信系统的关键技术之一， 利用软件 无线电来实现智能天线， 可以提高智能天线的性能。 各种信号处理软件是软件无 线电关键，应积极探索新的算法为更好的解决多频多模问题铺平道路。软件无线电技术是当今计算技术、 超大规模集成电路和数字信号处理技术在 无线电通信中应用的产物。它在我国提出的第三代移动通信系统 SCDM 中，应用 就更广泛了，SCDM 系统的基站和终端都采用了高速数字处理器和

11、高速A/ D 变换器，处理速度高于 5000 万次秒， 全部基带信号处理和变换都用软件来完成。 在SCDM 中软件无线电将实现如下功能：提供一个开放的模块化的系统结构；智能天线的实现；同步检测、建立和保持；用户终端 D- QPSK 解调器中的载波恢复、频率校准和跟踪；每码道功率的测得和发射功率控制的实现；接收通道的电平检测和接收增益控制；扩频调制和解调，包括 WALSI和 PN 码的产生；语音编译码；DTMF、MFC 及各种信号的产生和检测；信道编码、复接和分接；发射脉冲成形滤波；SWAP 信令的差错检测；接收信令的差错检测；发射通道的数字预失真；基站收发信机的校准。 以上可以看出软件无线电技

12、术在第三代移动通信系统中的应用是非常广泛的，而且只有软件无线电技术才能解决第三代移动通信系统中的多频多模手机与 基站问题。3第三代移动通信中的软件无线电的新进展第三代移动通信系统是一个极富挑战性与创造性的未来标准的构想， 而软件 无线电技术是第三代移动通信系统的关键技术之一， 故世界各国都投入巨大的力量研究软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用，推动了软件无线电的发展。特别是近几年来，软件无线电的体系结构出现了一个些新的发展趋势。3.1体系结构分层化与软件模块化软件无线电采用开放式的模块化的即插即用的系统结构， 大大增强了第三代 移动通信系统的灵活性、重用性。这与以往的无线电台有本质的区别

13、， 但仅是采 用此结构还是远远不够的。第三代移动通信系统的软件设计是非常复杂的， 为了 减小软件设计的复杂性，软件无线电需要按层或级的方式来组织。Joseph Mitola 在数学分析的基础上提出了一个软件无线电分层虚拟机参考模型，如图 1：11：。通信服务虚拟机服务个性描述信道对象无线应用虚拟机代理信道状态机信息流无线基础结构虚拟机基础结构状态机线程建立与控制硬件平台虚拟机指令集结构操作系统图 1 软件无线电分层虚拟参考模型分层虚拟机模型定义了关键的接口。最底层是由普通处理器与具有指令集的 ASIC与 FPGA&成。它包括了设备驱动、中断子程序、任务控制、资源分配与相 关的操作系统服

14、务。 它提供了一个统一的硬件平台。 基础结构虚拟机是建立与控 制信息传输线程的。这包括话音通道、数据路径、无线控制信息线程、定时分配、 频率校准与本地服务。基础结构状态机是为每一个用户信道提出请求与分配内部 资源的。信道状态机控制静音、同步、保密功能和多媒体数据与话音的传输。通 信服务如连接一个蜂窝用户与一个SINCGAR 用户是通过建立连接与插入代理来 实现。此分层虚拟机模型是初步的，还需要研究与细化。软件无线电不仅需要硬件模块化，软件也需要模拟化：亿。由于缺乏标准的应用级的软件到软件的 API 与缺乏对存储器、缓存空间与处理资源的量化。软件 重用度低，花费大，研制周期长，因而需要把软件实用

15、地分成模块并有清楚定义 与广泛应用的接口。软件无线电论坛是根据 API(Applicati on Programmi ng In terface)来进行区分，采用 CORB 技术。CORB 技术能够无缝的共享应用数据， 它提供了一种软总线。利用接口定义语言(JAVA 语言是一个子集)， 每一个软件 包被提供一个信息传输接口到 ORB被确定数量的对象用 CORB 接口来实现插拔。 CORB 技术在软件无线电中的应用还需要进一步研究。3.2软件无线电结构数学分析化当软件无线电经历从研究到实用的转变时，建立软件无线电结构的可证明特 性越来越重要：11：。如虽然用 CORB 技术可以实现软件的模块化，

16、大大提高了软 件的可重用性，但是由于缺乏数学分析对存储器、缓存空间与处理资源的量化， 很难讲出一个软件模块的数据吞吐、 响应时间及其它关键要求。当重用自己软件 库中或第三方的软件时，可能存在系统性能下降，甚至系统崩溃，需要用数学模 型来刻划快速涌现的技术。利用拓扑学来研究软件无线电结构，提高了即插即用 结构的应用和有效重用。分析拓扑结构特性产生了分层分布虚拟机参考模型（如图 1）与一系列的设计原则，结构设计原则是：1）有界递归模块：这样的模块将消耗可预测的资源，且软件错误不大可能引 起系统崩溃。2）清楚的可扩展的接口拓扑：用拓扑空间的基来定义软件无线接口， 并使用 可扩展语言如 UML SDL

17、 IDL 和 ASN.1。3） 分布分层虚拟机结构：这样可以最大的使用高一层或低一层的组件。为软件无线电结构建立数学模型，并进行数学分析，可以提高系统的稳定性， 与可重用性等。3.3面向对象化第三代移动通信系统面向的是个人服务。因而第三移动通信系统中的软件无 线电技术需要面向对象设计。面向对象设计是一种很有效的设计方法。 软件无线 电具有很强的灵活性，使对象具有很强的选择性，因此其功能的设计应面向对象。 面向对象的软件无线电系统结构如图 2:13、o图 2 面向对象的软件无线电结构技术的进步已经宣告了一个电台具有一个灵活的新的物理层。多频带技术能够接入不只一种通信信道。对于一个无线接点如个人通

18、信基站，可能需要与光纤、 电缆相连，因此这些也包括在信道集中。信道编码功能包括可编程的射频信道接 入、中频处理与调制解调。多模式无线电具有多种空中接口波形。 这些波形可能 在不同的频带内，还可能扩展到几个频带内工作。由于具有不同的信源编码与信 道编码，因而变成了多个性。一个个性包括了频带、信道（控制与通信信道）、空 中接口波形、协议与相关的功能。信息安全可以减小无线通信网络中的欺骗行为 与使通信保密。有些信源可能远离无线电节点，可通过服务与网络功能经SDH与局域网或其它网络来实现连接。这些功能都是通过一个联合控制功能用多进程 多处理器软件来混合完成的。每一个在图中的功能盒对应一种库。 任何一种

19、功能 在特定应用可能是空的。从开放结构来看，系统集成者、网络操作者和服务提供 者从基于标准的可共同操作的库中选择来实现服务。3.4认知化、智能化为了更好地为个人服务，最近 Joe Mitola 在软件无线电的基础上提出了认 知无线电懐，如图 3 所示。认知软件无线电是指无线电的内部工作状态是可知 的，通过无线电知识描述语言(Radio Knowledge Representation Language-RKRL) 与网络，针对无线规则进行智能交流， 并采用支持关于用户需要的自动推理的方 式， 更好地为个人通信服务。无线规则是指一系列适合无线频谱使用的射频带宽、 空中接口、空间时间模式。认知无线

20、电使软件无线电从预先定义协议盲目执行者 转变成为无线电领域的智能代理，它能找出各种方式来提供各种用户需要的服 务，甚至用户都不知道是如何得到它的。目前的软件无线电构思不可能与网络进 行智能交流，因为没有基于模式的推理计划能力和没有语言能表达这些事。软件无线电台不能与网络讨论这些内部结构，认知软件无线电则采用丰富的内部模 式，广泛的进行这种对话。GSM 勺自适应均衡阶数反映了信道多径结构。例如， 一个网络可能需要问一个手机：你看到多少可区分的多径成分。认知无线电则知 道内部自适应均衡状态。当根本没有多径，或多径很小时，软件无线电的处理能 力被浪费。认知软件无线可以把这种能力转向更有用的部分，如无

21、线电与网络可 以增加编码冗余度来增加下载速度，或处于休眠状态。HULL戟特屋补垦廿推輕II人Mr H种卜| * ：l H护磋1 ri算jj軾拆歩缀电 _就种禎朋：星呂邑料臥魂：旨腐塑此I_p 1I图 3 认知软件无线电系统结构3.5计算机化软件无线电计算机化可以为第三代移动通信系统提供更强的灵活性、网络性与良好的人机界面。计算机化是指软件无线电需要与计算机技术相结合。软件无线电的特征之一是实现模块化。模块化是建立在总线结构的基础之上。 软件无线 电采用了总结结构，使得无线通信系统中各功能部件之间的相互关系变为面向总 线的单一关系。这样使无线通信产品易于实现模块化、标准化、系列化和通用性。 PC

22、 机的发展速度很快，功能强大，用 PC 机来实现控制与软件编程将使软件无线 电的技术更加快速发展。目前软件无线电与计算机结合体现在两个方面：一是提供友好的人机对话界面(MMI);二是利用 PC 机进行第三代移动通信系统的基带处 理。如最近研究很热的虚拟软件无线电：10：，是充分利用计算机进行基带信号处 理。它依靠高性能的模数转换做成硬件插卡，采用PCI 总线，工作在高速的 PC机上。将信号宽带数字化后，在 PC 机上进行数字信号处理而不是 DSP 上。这一 方法允许我们利用 PC 机硬件与软件资源，用新的方法来进行信号处理，采用新 的方法来构造系统，虚拟软件无线电的结构如图4。图 4 虚拟软件

23、无线电结构3.6网络化、信息安全化In ternet 的出现给人们提供了一种特殊的媒介， 这种媒介有别于书籍、 杂 志和电影，因为 In ternet 比它们更快，更方便。In ternet 又有别于广播、报刊 与电视。因为它可以在用户需要的时候随时为用户提供服务。社会的进步、经济的发展以及生活水平的提高使得人们对信息的需求越来越迫切。同样，无线用户、 移动用户急切需要通过无线通信系统与网络相连。因而在软件无线电体系结构中增加网络模块是不可避免的。信息安全不仅在军事应用中非常重要，而且在民用中也越来越重要。它提供鉴权，防止欺骗；提供数据流加密，防止破译。4结束语在过去的五年里，软件无线电不仅是

24、军事研究的示范，而且已成为可提供的、 普遍存在全球通信系统的第三代战略的基础。1996 年 3 月成立模块化、多功能信息传输系统论坛 MMITS(Modular Multifu nction In formation Tran sfer Systems)研究软件无线电，而欧共体则发起了具有竞争性的计划RACE(R&D inAdvaneed Communications in Europe) 和 ACTS(Advaneed Communications Technology and Services Programs)。1997 年 5 月欧洲召开第一次软件无线电 专题讨论会。亚洲 19

25、98 年在东京大学召开了第一次亚洲软件无线电讨论会。通 过这些可以看出软件无线电是研究的热点之一，它具有很大的潜力来创造一个具 有采用新标准、动态定义新软件的无线通信基础结构。本文综合论述了软件无线电在第三代移动通信系统中的应用，归纳总结了软件无线电体系结构。为了适应 第三代移动通信系统的要求，软件无线电出现了一些新的发展趋势，主要表现在 体系结构分层化、软件模块化、结构数学分析化、面向对象化、认知化、计算机 化、网络化、信息安全化。希望通过这些归纳与总结，能对国内软件无线电技术 的研究工作特别是在第三代移动通信系统中的应用，起到一定的推动作用。参考文献：-Numbered_d084a1ae-

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27、E Communications Magazine， February，1999. 3 Davied B Chester.Digital IF Filter Technology for 3G Systems:AnIntroduction.IEEE Communications Magazine， February ，1999. 4 Joseph Mitola.The Software Radio Archit- ecture.IEEE CommunicationsMagazine ， May，1995.洀戀攀爀攀搀开搀 搀昀 戀戀搀愀 昀攀愀搀挀Vanu Bose， Michael Ismert ，Matt Welborn.Virtual Radios.IEEE Joumal on SelectedAreas in