软件无线电技术样本

第四代移动通信技术之软件无线电技术【摘要】软件无线电是当前无线通信领域在固定至移动、模仿至数字之后最新革命，其正朝着产业化、全球化方向发展，将在4G系统中得到广泛应用。本文重要研究软件无线电技术对通信传播改进以及4G系统中软件无线技术应用特点等。引言软件无线电提供了一条满足将来个人通信需要思路。软件无线电突破了老式无线电台以功能单一、可扩展性差硬件为核心设计局限性，强调以开放性最简硬件为通用平台，尽量地用可升级、可重配备不同应用软件来实现各种无线电功能设计新思路。其中心思想是：构造一种具备开放性、原则化、模块化通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信合同等用软件来完毕，并使宽带A/D和D/A转换器尽量接近天线，以研制出具备高度灵活性、开放性新一代无线通信系统。图一、软件无线电原理框图SEQ图一、软件无线电原理框图\*ARABIC1二、简介软件无线电(SWR)技术是近年来提出一种实现无线通信新体系构造，它基本概念是把硬件作为无线通信基本平台，而把尽量多无线通信及个人通信功能用软件实现。1、WLAN与蓝牙融入广域网近年来各国都在积极进行4G技术研究，从欧盟WINNER项目到国内“FuTURE筹划”都是直接面向4G研究。日本对4G技术研究在全球范畴内始终处在领先地位，早在，运营商NTTdocomo就进行了1Gbit/s传播速率实验。当前还没有4G确切定义，但比较认同解释是：4G采用全数字技术，支持分组互换，将WLAN、蓝牙技术等局域网技术融入广域网中，具备非对称和超过100Mbit/s数据传播能力，同步，由于采用高度分散IP网络构造，使得终端具备智能和可扩展性。4G系统将融合既有各种无线接入技术，涉及蜂窝、卫星、WLAN、蓝牙、Ad-hoc、DAB/DVB(数字音频和视频广播)、WAP等。这些技术融合将使4G成为一种无缝连接统一系统，实现跨系统全球漫游及业务可携带性。当前，MIMO在吸取TD-SCDMA设计思想TD-LTE（TD-SCDMALongTermEvolution）系统中处在重要位置，与TDD（TimeDivisionDuplexing）时分双工技术和基于OFDM多址接入技术并称为TD-LTE三项核心技术，已成为3G－LTE以及将来4G中重要底层技术，但在4G众多核心技术之中，软件无线电技术是通向将来4G桥梁。图二2、软件无线电对通信传播改进软件无线电(SWR，SoftWareRadio)，是用当代化软件来操纵、控制老式“纯硬件电路”无线通信。基本思想就是将宽带模数变换器(A/D)及数模变换器(D/A)尽量地接近射频天线,建立一种具备“A/D-DSP-D/A”模型通用、开放硬件平台，在硬件平台上尽量运用软件技术来实现无线电各种功能模块。例如：使用宽带模数变换器（ADC）通过可编程数字滤波器对信道进行分离；使用数字信号解决器(DSP)技术；通过软件编程来实现频段（如HF、VHF、UHF和SHF）选取；通过软件编程来完毕信息抽样、量化、编码/解码、运算解决和变换,实现射频电台收发功能等。软件无线电技术是计算密集型、软件化操作形式。在国内，国内提出3G方案TD-SCDMA就是运用软件无线电技术完毕设计。软件无线电与当代通信技术、微电子技术和计算机技术三者结合在一起，形成一种中长期研究项目，其运用数字信号解决技术辨认顾客信号到达方向，形成天线主波束，并引入空分多址（SDMA）方式，依照顾客信号不同空间传播方向，提供不同空间信道；采用数字办法对阵元接受信号进行加权解决，形成各种波束赋形，每一种波瓣相应于一种特别手机顾客，波束也可以动态追踪顾客，使主波束对准顾客信号方向；在干扰信号方向上，形成天线方向图零陷或功率增益较低，从而达到抑制干扰目。图三3、4G系统中软件无线电应用特点在国外，软件无线电技术迅速发展，军用软件无线电技术以美国军用“易通话”筹划为代表，处在世界软件无线电技术领域前沿。继而，在美国防部筹划推动下，其他某些国防电子公司也纷纷展开了多频段多模式电台研制工作。在欧共体ACTSFIRST项目中，软件无线电技术用在设计多频/多模可编程手机中，可自动检测接入不同网络信号，能满足不同接续时间规定；可用不同软件实现不同无线电设备各种功能；可任意变化信道调制方式和接入方式，运用不同软件即可适应不同原则，构成多功能基站和多模手机，且具备高度灵活性。4、可以预见，基于软件无线电4G通信将会具备如下特点：●有自动漫游能力，并能在不同系统间进行智能切换；●在同一硬件平台上，能兼容不同系统；●可下载公用软件，并能进行自身系统升级；●可支持语音、数据、图像和传真等各种业务，并能依照业务流量，信道质量等状况，自动选取适当传播信道；●可自动选取通信模式，并能采用适当通信合同和信号格式实现远端通信。除此之外，软件无线电浮现了某些新发展趋势，重要体当前体系构造分层化、构造数学分析化、软件模块化、计算机化、面向对象化、网络化以及安全化方面。软件无线电技术是适应产品多样性基本。它不但能减少开发风险，还更易于开发多系列多类型产品。此外，它可以减少硅芯片容量，从而削减运算器件价格，其开放构造也有助于多方运营商介入；同步，数字信号解决DSP技术使用，也弥补了便宜RF（RadioFrequency）所导致局限性。在实际应用中，RF某些是昂贵而缺少灵活性，宽带RF是非线性，而软件无线电技术可弥补其在灵活性上局限性图四三、软件无线电产生软件无线电概念是1992年作为与军事关于技术被初次提出。1992年5月，在美国电信系统会议上，MITRE公司JEOMI-TOLA初次明确提出了软件无线电概念，之后软件无线电技术即被美国军方用于研制多频段、多模式电台，该电台是美军为保证不同设备间互通性，使各军种间实现高效、可靠协同通信而研制三军通用软件无线电台——基于可编程数字信号解决（DSP）芯片多频段、多方式电台——易通话（speakeasy），其工作频段覆盖2～MHz，其目的是与当前15种军用电台兼容。1995年美国国防高档研究筹划局（ＤＡＰＲＡ）易通话一期工程技术工作者对软件无线电军事应用进行了较系统、全面阐述。1995年5月IEEECommunicationMagazine刊登了一期软件无线电专刊，系统全面地简介了软件无线电体系构造，其中涉及与数字无线电区别、硬件和软件实现办法、性能分析及其功能性构造。该专刊还较为系统地简介了软件无线电中关于取样、A/D和D/A变换基本理论、DSP解决器构造特点及既有DSP芯片清单、软件无线电中多解决器间互相通信某些理论基本，所有这些为软件无线电某些核心技术研究（如开放式总线构造、宽频段／多频段天线及射频前端技术、高速高精度A/D和D/A技术及高速DSP及ASIC实现通信合同原则化、模块化提供了理论基本，至此后来，人们便尝试着将软件无线电技术应用于商业领域。1996年，易通话二期筹划增进了多功能模块化信息传播系统（MMTIS）论坛发展近来，MMTIS论坛改名为软件无线电论坛，它预示着软件无线电开放式构造原则开始参军用转向商用。1996年10月，软件无线电技术被中华人民共和国列入国家“863”筹划通信研究项目。近年来，软件无线电技术被广泛地应用于陆地移动通信、卫星移动通信与全球通信系统，软件无线电成为解决数字移动通信中各种不同原则问题最佳选取方式。四、4G软件无线电技术基本思想软件无线电基本思想是以一种通用、原则、模块化硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台各种功能，从基于硬件、面向用途电台设计办法中解放出来。功能软件化实现势必规定减少功能单一、灵活性差硬件电路，特别是减少模仿环节，把数字化解决（A/D和D/A变换）尽量接近天线。软件无线电强调体系构造开放性和全面可编程性，通过软件更新变化硬件配备构造，实现新功能。软件无线电采用原则、高性能开放式总线构造，以利于硬件模块不断升级和扩展。软件无线电（softwareradio）在一种开放公共硬件平台上运用不同可编程软件办法实现所需要无线电系统。简称SWR。抱负软件无线电应当是一种所有可软件编程无线电，并以无线电平台具备最大灵活性为特性。所有可编程涉及可编程射频（RF）波段、信道接入方式和信道调制。普通说来，SWR就是宽带模数及数模变换器（A/D及D/A）、大量专用/通用解决器、数字信号解决器（DigitalSignalProicesser，DSP）构成尽量接近射频天线一种硬件平台。在硬件平台上尽量运用软件技术来实现无线电各种功能模块并将功能模块按需要组合成无线电系统。例如：运用宽带模数变换器（AnalogDigitalConverter，ADC），通过可编程数字滤波器对信道进行分离；运用数字信号解决技术在数字信号解决器（DSP）上通过软件编程实现频段（如短波、超短波等）选取，完毕信息抽样、量化、编码/解码、运算解决和变换，实现不同信道调制方式及选取（如调幅、调频、单边带、跳频和扩频等），实现不同保密构造、网络合同和控制终端功能等。在当前条件下可实现软件无线电，称做软件定义无线电（SoftwareDefinedRadio，SDR）。SDR被以为仅具备中频可编程数字接入能力。发展历史无线电技术演化过程是：由模仿电路发展到数字电路；由分立器件发展到集成器件；由小规模集成到超大规模集成器件；由固定集成器件到可编程器件；由单模式、单波段、单功能发展到多模式、多波段、多功能；由各自独立专用硬件实现发展到运用通用硬件平台和个性编程软件实现。20世纪70～80年代，无线电由模仿向数字全面发展，从无编程向可编程发展，由少可编程向中档可编程发展，浮现了可编程数字无线电（PDR）。由于无线电系统，特别是移动通信系统领域扩大和技术复杂度不断提高，投入成本越来越大，硬件系统也越来越庞大。为了克服技术复杂度带来问题和满足应用多样性需求，特别是军事通信对宽带技术需求，提出在通用硬件基本上运用不同软件编程办法。20世纪80年代初开始软件无线电革命，将把无线电功能和业务从硬件束缚中解放出来。1992年5月在美国通信系统会议上，JesephMitola（约瑟夫·米托拉）初次提出了“软件无线电”（SoftwareRadio，SWR）概念。1995年IEEE通信杂志（CommunicationMagazine）出版了软件无线电专集。当时，涉及软件无线电筹划有军用SPEAKEASY（易通话），以及为第三代移动通信（3G）开发基于软件空中接口筹划，即灵活可互操作无线电系统与技术（FIRST）。1996年3月发起“模块化多功能信息变换系统”（MMITS）论坛，1999年6月改名为“软件定义无线电”（SDR）论坛。1996年至1998年间，国际电信联盟（ITU）制定第三代移动通信原则研究组对软件无线电技术进行过讨论，SDR也将成为3G系统实现技术基本。从1999年开始，由抱负SWR转向与当前技术发展相适应软件无线电，即软件定义无线电（SoftwareDefinedRadio，SDR）。1999年4月IEEEJSAC杂志出版一期关于软件无线电选集。同年，无线电科学家国际联合会在日本举办软件无线电会议。同年还成立亚洲SDR论坛。1999年后来，集中关注使SDR3G成为也许问题。功能模型：软件无线电功能模型如图1所示。它将无线电功能划分为信道集、信道编/解码、信息安全、服务与网络支持、信源编/解码和信源集。其中，信道集涉及：RF信道、同步性、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）。服务和网络支持涉及：多路复用，建立与控制，数据服务和网络互连（有线及互连网原则，涉及移动性）。联合控制涉及：联合信源/信道编码，动态QoS与本地控制，解决资源管理（综合顾客和网络接口，多顾客、多波段、多模式能力）。各种性即多波段、多模式、机灵服务以及与老式模式互操作。SDR个性涉及：射频（RF）波段、信道集（例如控制和业务信道）、空中接口波形及关于功能。演进支持功能可以支持软件及无线电平台演进。软件无线电功能接口示于图1中各个功能块之间。其中射频（RF）波形即空中接口；中频（IF）波形涉及大多数空中接口，但信号被滤波及变换到IF解决。保护比特即加密比特。而明比特是非加密比特。网络比特符合网络合同，源比特适合解码器。各种性是通过软件对象接口下载到无线电。这些接口是软件无线电“横向（水平）”接口，它形成信源和信道之间信号流与控制流。五、在软件无线电中核心技术重要有：（1）宽带/分频段天线：软件无线电台规定可以从短波到微波相称宽频段内进行工作，最佳能研究一种新型全向宽带天线，可以依照实际需要用软件智能地构造其工作频段和辐射特性。当前可行性方案是采用组合式多频段天线。

（2）多载波功率放大器（MCPA）：抱负软件无线电在发射方向上把各种载波合成一路信号，通过上变频后，用一种MCPA对宽带模仿混合信号进行低噪音放大。由于混合信号中信号与信号包络幅度相差很大，因此对放大器非线性特别敏感，MCPA

采用前向反馈技术抑制不需要互调载波，得到有效功率运用。需要较好地选取器件并使用电路CAD

优化技术。

（3）高速宽带A/D，D/A变换：A/D重要性能是采样速率和采样精度，抱负软件无线电台是直接在射频上进行A/D

变换，规定必要具备足够采样速率。依照Nyquist

采样定理，要不失真反映信号特性，采样频率fs至少要是模仿信号带宽Wa两倍。为保证性能，在实际应用中常进行过采样解决，规定fs>2.5Wa。依照当前研究成果，其中一种解决方案是，可用各种高速采样保持电路和ADC，然后通过并串转换将量化速度减少，以提高采样辨别率。

（4）高速并行DSP：数字信号解决（DSP）

芯片是软件无线电所必要最基本器件。软件对数字信号解决是在芯片上进行。中频如下重要涉及三某些：基带解决、比特流解决和信源编码。基带解决重要是完毕各种波形调制解调，扩频解扩以及信道自适应均衡和各种同步数字解决，每路需要几十到几百个MIPS

解决能力。比特流解决重要完毕信道编解码（软判决译码）、复用或分解或互换、信令、控制、操作和管理以及加密解密等功能，每路需要几十个MIPS

解决能力。信源编码要完毕话音、图像等编码算法、每信道需要十几种MIPS解决能力。要完毕如此巨大信号解决运算，必要采用高速各种DSP

并行解决构造才有也许实现。

（5）软件无线电算法：软件构造，自然是把对设备各种功能物理描述建立起数学模型（建模），再用计算机语言描述算法，最后转换成用计算机语言编制程序。软件无线电中算法特点：1、对信号解决实时性。对算法规定在时空上很高；2、软件无线电算法应具高度自由化（便于升级），开

放性（模块化，原则化）；3、当前重要算法为数值法，但并不排斥其她算法，或者各种算法结合。六、软件无线电发展状况

当前，蜂窝移动通信系统已经发展到第三代，3G系统进入商业运营一方面需要解决不同原则系统间兼容性；另一方面为了适应技术飞速发展，3G无线通信系统规定具备高度灵活性和扩展升级能力。软件无线电技术无疑是最佳解决方案。作为3G移动通信原则中两个重要原则，W-CDMA

和CDMA

都采用码分多址接入方式，

且具备信道带宽宽，数据速率多样且支持高速率，不同业务采用信道编码不同等共性，同步，这两种原则之间在码片速率、信道带宽和信道选取码等方面也存在差别。为理解决这些方面问题及为了提高系统容量，在3G中将采用智能天线技术（Smart

Antenna）、多顾客检测技术（MUD）等，使得软件无线电技术在3G系统中有着广泛应用空间。

一方面，智能天线技术在国内TD-SCDMA方案中，运用数字信号解决技术辨认顾客信号到达方向，形成天线主波束；引入空分多址（SDMA）方式，依照顾客信号不同空间传播方向，提供不同空间信道；采用数字办法对阵元接受信号进行加权解决，形成各种波束赋形，每一种波瓣相应于一种特别手机顾客，波束也可以动态追踪顾客，使主波束对准顾客信号方向，在干扰信号方向上，形成天线方向图零陷或功率增益较低，从而达到抑制干扰目。另一方面，在欧共体ACTS

FIRST项目中，软件无线电技术也用到了设计多频/多模可编程手机中。它可自动检测接受信号，接入不同网络，并且能满足不同接续时间规定。软件无线电技术可用不同软件实现不同无线电设备各种功能，可任意变化信道接入方式或调制方式，运用不同软件即可适应不同原则，构成多模手机和多功能基站，具备高度灵活性。除此之外，软件无线电浮现了某些新发展趋势：重要体当前体系构造分层化、软件模块化、构造数学分析化、面向对象化、计算机化、网络化和安全化七、发展趋势软件无线电技术将来因特网使人类社会及知识迅速地无障碍地流动和互换，从而大大加速财富产生过程。然而初期互联网重要形态是有线互联，专家以为当前通信网络行业正朝着两个方向发展，一种就是有线宽带互联网络，该有线网络可觉得客户和专业顾客提供非常广泛业务，通过可以解决语音、互联网和视频网络来实现这一点，即多业务网络，这重要是为家庭顾客对宽带需求所驱动；另一种是无线互联网，即无论顾客身在何处都能享有到无线网络提供移动数据服务，并且大多是针对顾客详细状况定制业务。但是在将来3G时代，3G手机服务将使有线互联网络和无线互联网络得到整合，这两个网络将互为补充，当顾客在家里时，她们会但愿能迅速接入所需信息，而当她们在旅途中时也同样能使用这些业务。

到当前为止咱们所看到网络互联业务都是基于初期技术。将来3G技术将使顾客将宽带业务装在口袋里，该技术将为顾客提供数倍于当前迅速数据连接，要实现这样目，单纯依托老式通信技术来实现将会变得非常繁杂。为此，不少通信专家都以为很有必要引入软件无线电技术，并将其作为从第二代移动通信通向第三代和第四代移动通信之桥。软件无线电技术可以将模仿信号数字化过程尽量近地接近天线，即将A/D和D/A转换器尽量地接近RF前端，运用DSP（数字信号解决器）技术进行信道分离、调制解调和信道编译码等工作。软件无线电技术可觉得2G系统向3G系统过渡提供无缝隙解决方案，旨在建立一种无线电通信平台，在平台上运营各种软件系统，以实现多通路、多层次和多模式无线通信。当前移动电话芯片组构造模式为DSP＋CPU＋多频(GSM和CDMA等)RF前端。TI公司以无线专用TMS320C54X

DSP系列产品为主，配合其RF

IC芯片组等提供全套GSM和CDMA解决方案。Motorola公司则环绕其低电压(1.8V)双内核基带解决器DSP56652，力推TDMA和无线接入解决方案。在无线通信领域,低电压和低功耗已经成为评价移动电话系统性能好坏重要标志之一。Rockwell则提出3

片基带IC＋4片RF

IC900MHz

GSM移动电话全套解决方案。基带解决器采用ARM7

Thumb内核