软件无线电和重配置技术

    作者：季卫华  赵文兵

    在九十年代初，软件无线电成为移动通信中的一个热点，当时许多人把该技术看作是现代多模/多频带移动终端所要求的复杂的RF(射频)和IF(中频)处理问题的解决方案。

    今天，软件无线电更是被视作在设计、生产和使用等所有阶段中可重配置终端的技术。

    本文介绍了软件无线电和可重配置技术的概念。提供终端可重配置协议栈的概念就如同软件下载的概念一样，会在3G和将来的4G标准中被采用。

    一、软件无线电概述

    软件无线电技术(SoftwareRadioTechnology)是近年来随着微电子及计算机技术高速发展而产生的一种新的无线电技术，相对于传统的基于ASIC的无线技术，它具有灵活性、通用性强和升级方便等特点。它的技术核心是随着大规模集成电路技术的不断进步和芯片处理速度的不断提高，而使得在DSP芯片或通用CPU芯片平台上，利用软件来完成以前用ASIC实现的多种数字信号处理的功能。

    但是由于受宽带天线、高速A/D及DSP等技术水平的限制，实现一个理想的软件无线电平台的条件目前还不具备。因此，现在对软件无线电的研究一方面集中在上述要害技术的研究上，另一方面更多的是在现有的技术条件下，研究如何最大程度地实现软件无线电所要求的通用性和灵活性，将软件化、通用化的设计思想体现到具体的应用实践中。

    二、实现软件无线电的要害技术

    软件无线电采用开放式模块化设计，使电台业务功能与硬件平台相对独立，由此可带来一系列的好处。但由于硬件水平的限制及体系结构理论尚待成熟，理想的软件无线电还不可能马上实现，实现软件无线电的“瓶颈”包括：宽带天线和射频模块、宽带A/D变换、高速DSP器件等等。

    1.宽带天线和射频模块

    软件无线电台可以在多频段工作，必须应用宽带、低损耗天线，美国已研究出几个倍频程的天线，但效率太低。射频前端同样需要很宽的频率范围，如低噪声放大器、滤波、功放、AGC等，这在技术上不存在困难，市场上已有相关产品出现，如MiniCircuits公司的MAR系列宽带低噪声放大器就可满足要求。

    2.宽带A/D变换

    软件无线电的一个显著特点是将A/D变换尽可能地靠近天线，至少要对中频进行A/D变换，它要求A/D转换器件具有较高的性能。评价A/D变换器性能的参数包括信噪比(SNR)、无寄生动态范围(SFDR)、互调失真(IMD)、采样速率和采样精度等，其中主要的两项是采样速率和采样精度，一般用SNR来综合表示这两项指标，SNR可用下式计算：SNR=6.02B+l.76+101og10(fs/2fmax)(dB)，其中B为ADC的位数，fs表示采样速率,fmax为输入模拟信号的最高频率。对于一个70MHz的中频信号，若要求采样精度达到l2位，SNR等于80dB，可以算出采样速率为558MSPS。

    3.高速DSP

    软件无线电是对整个工作频段(25MHz左右)进行数字化，中频和基带处理全部采用数字信号处理方式，实现软件控制，它对DSP芯片的处理能力提出了很高的要求。以蜂窝移动通信为例，系统频带为12.5MHz，采取过抽样时的抽样频率为30.72MHz，采样后的频率变换、滤波、抽取等处理每个样点至少进行100次操作，则处理速率为3072MOPS。解决方法有两种:一是用多个DSP芯片并行处理，SpeakeasyI系统就是采用了这种方法，选用的是TI公司的QuadC40MCM芯片模块，它由4片TMS32C40及5Mbyte的RAM组成，达l100MipS(16bit)和200MFL0PS(32bit)的处理速度，I/O速率为300Mbit/s。二是采用专门的可编程芯片，将中频进行下变频，然后再进行DSP处理。Harris公司的数字下变频器(DDC)HSP500l6可完成从宽带信号中提取有用信号的功能，其最大输入速率为75MSPS(16bit)，通过编程可控制数据速率及数据输出格式等。在目前来说，采用DDC的软件无线电系统是比较现实的，一旦DSP器件达到所需水平，就很轻易过度到理想的软件无线电系统。

    三、软件重配置

    软件重配置可提供漫游，低终端成本，动态频潜治理，固定错误，新特性，第三方加入，网络运行的额外价值和个人化。开放的软件架构能答应终端成为可编程发信机以用于无线电、电视、家用网络和办公室，也就是固定移动广播集成。通过升级软件实现重配置能适应将来革新和淘汰的快速循环周期。

    下面列出了能通过下载新软件而重配置的终端和集成电路平台的主要益处：

    1.减少不同模式的数量。可重配置技术应该答应制造较少类型的终端来支持不同技术标准。这使大规模终端制造朝低单位成本方向发展。

    2.最后一分或延迟专用化。使用下载意味着终端的最终配置应在部署之后，这样增加了产品的功能，减少了任何产品召回或返回的可能性。

    3.运行时应用。最终用户应用像游戏等将位于将来终端上运行的下裁应用之首。

    4.开放平台。假如引入了开放平台，那么第三方开发商将能开发终端的革新应用，能够提高终端对最终用户的吸引力。

    下载软件的缺点包括难以治理部署在现场的不同终端上的不同版本的软件，以及如何保证其在所有用户环境中的健壮性。

    可重配置特性要求软件无线电改变设计人员需要考虑的准则。由于纯处理能力在当前的2G无线环境中占据主导地位，可编程功能也逐渐成为软件无线电设计应用的焦点。

    DSP和FPGA可轻易地进行重配置，以实现软件无线电设计的各种功能。现有的通信ASIC虽然可以较低的成本提供更好的性能，但提供的可编程能力非常有限。

    确定器件的处理功能可通过既支持W-CDMA也支持GSM的基站收发器结构来说明。由于W-CDMA采用了扩频通信技术，因此许多用户可共享一条射频(RF)信道。在上行链路l，920至l，980MHz之间和下行链路2，110至2，170MHz之间，W-CDMA信号在每条信道中占据5MHz的带宽。

    另一方面，在GSM系统的每条射频信道中，窄带TDMA技术一般只支持8个用户。在上行链路890至915MHz之间和下行链路935至960MHz之间，窄带TDMA的每条信道占据20OkHz带宽。

    为了在软件无线电结构中有效地兼顾上述标准间的差异，中频(IF)处理器的数字上行转换器和下行转换器都必须提供可编程的信道选择、滤波器配置和采样比调节。任何ASIC信号处理器件的使用都将给未来的升级带来无法预料的风险，因此中频处理也必须使用FPGA或DSP器件。随着信号处理越来越多的来自数字中频输入，处理算法也变得越来越专业化，这限制了单个ASIC器件满足所需可编程要求的能力，而FPGA或DSP实现则是一种更好的选择。

    四、下载新的空中接口

    终端的最终软件重配置被许多人看成是下载新的空中接口。提高功率和降低数字信号处理的成本将答应在移动手机上使用可重配置基带处理，这将逐步答应使用灵活的空中接口。

    这将给消费者一个能与任何网络协同工作的终端而不需要大幅度提高终端成本。这个设想也能使终端/IC制造商受益，因为它答应RF的制造和基带处理器能适应所有可见的标准和市场。这种终端对最终用户的主要好处之一是具有在许多不同空中接口标准间漫游的能力。制造空中接口重配置的终端需要三个要害要素

    1.软件无线电。尽可能多地用软件无线电实现无线电处理。硬件重配置是可能的，但是通常比软件实现要更大的成本。

    2.标准。在新空中接口标准上运行的终端重配置将需要标准化协议，以用于传输、认证和下载软件。

    3.软件架构。终端内的软件架构要么在不工作的状态下能完全改变，要么以如下方式构建，即协议软件的要害部分能轻易地改变而对终端成本的影响不大。

    使用SDR提供第三代能力的终端将在大约3年内投入商业运用。列终端制造商的要害益处是SDR技术将答应使用一种硬件和软件架构平台来适应全世界的市场。SDR论坛对SDR终端市场的大小作了估计，认为到2005年将大约为一亿三千万手持设备。

    五、未来的标准

    移动通信技术不断进步，为移动用户提供更大的带宽和许多不同业务。GSM移动网络的一种可能的进化路径是从以话音业务为主的GSM进化成为具有为用户提供高带宽的许多业务可能性的能力的3G(UMTS)标准。GSH的进化由使用GSM标准扩展而引发；HSCSD(高速电路交换)和GPRS(通用分组无线服务)都能提供高数据率。后者还提供分组数据能力。

    软件下载的一种可能的进化路径是：使用SIM应用工具包(STK)的简单菜单下载，然后WAP(无线应用协议)答应更复杂的下载，然后WAP（无线应用协议）答应更复杂的下载，之后是两个MEXE(移动站应用执行环境)标准用于下载应用。MEXE基于WAP,MEXE-2基于个人java。最后，通过下载实现完全动态重配置。做到这一点的新标准正由3GPPTSGT2/SWG/(MEXE)开发。由于要增加可重配置的能力，我们需要新的标准形式。将来我们将从固定的标准移到灵活的标准，做到这一点的挑战是如何选择依旧维持着多厂商的操作系统。假如下载发生于良好定义的软件架构中，这是可能的；

    目前来看，3G或UMTS终端的作用是为操作具有提供许多不同业务质量(QoS)应用数据流功能的移动终端提供便利。使用低层协议重配置将增加终端匹配应用所要求的Qos的能力。

    重配置技术和软件下载的使用将促进4G终端的发展，它将为非凡的应用提供许多不同的空中接口的最优化配置。

    因为下裁软件的重配置能力，4G终端有望实现多模、多业务和多标准。完全的软件重配置也将答应发展新的基站和网络基础设施，那将能动态适应不同流量状况，使可提供给操作者的有限资源(频谱和带宽)的使用效率最大化。

    六、结论

    在将来，通过使用软件无线电实现的低层重配置技术，终端将会在终端硬件的限制范围内具有下载新空中接口和运行新通信标准的能力。