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软件无线电软件无线电的应用

 摘 自: 信息导航发布时间: 2006-7-3 0:00:00
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软件无线电的由来

  软件无线电最初是在军事通信中提出的,软件无线电作为军用技术已有30年以上的历史,但是由于不同部队用于不同目的的无线电台在工作频段、调制方式上存在差异而无法互通。如果需要互通,就需要作进一步的改进,如美国部分推出的JTRS(战术合作无线系统)的意向合同,其目的就是能实现基于软件无线电技术的可以互操作、互工作的系统。在民用通信方面,由于新标准的不断涌现、新老通信体制共存,不同体制的系统的互联变得复杂与困难,加上各种通信设备的大量出现、使无线电频谱越来越挤,传统的以硬件为基础的无线通信系统已难以适应发展的需求,软件无线电正是最好的解决方案。

  什么是软件无线电?

  软件无线电的基本概念是利用不断增加的芯片处理速度和不断的大规模集成电路技术,把DSP芯片或通用CPU芯片作为无线通信的基本硬件平台,将尽可能多的无线通信功能,如调制技术、跳频、纠错及加密等用软件实现。这些软件通常是DSP、ASIC、FPGA(现场可编程序的逻辑序列)里的软件。上述无线功能可以用软件升级来改变无线参数,可以按要求的条件用编程来设计。这样就把无线通信系统或产品的某些部分转移到软件上来,无线通信设备的价格将与软件有关。系统升级基于软件,其代价小。采用软件无线电,使不同的系统和设备容易兼容和互联。软件无线电将被看成是无线通信领域中继固定到移动、模拟到数字之后的又一次飞跃,又一次革命。

  软件无线电的基本特点
 

 软件无线电在可编程的通用硬件平台上,利用软件来定义和实现无线设备的各部分功能,包括前端接收,中频处理和信号的基带处理等。它尽可能在靠近天线的地方通过宽带模/数或数/模转换器完成信号的数字化,然后用软件定义并实现无线设备的功能。软件模块由各种算法库组成,通过加载软件算法或是升级软件就可以实现业务功能的扩张和采用新的通信标准。所以,软件无线电具有充分数字化、灵活多编程、模块化设计、多频段转换、多业务支持等特点。
  这里需要特别指出的是,软件无线电与软件控制的无线设备不是一回事。两者的重要区别是,软件无线电的结构和功能是完全可编程的,如可编程的射频频段,可编程的信道接入模式,可编程的信号调制解调制方式等。而软件控制的无线设备则不是这样。

  软件无线电的组成

  软件无线电一般由以下几部分组成。
  收发信天线及馈线。采用智能天线,其天线阵的方向图可以由基带数字信号器来控制。
  射频发射机和接收机。由通用平台和多个射频发射机模块组成。其工作频率范围应足够宽,并用数字频率合成技术来设置,对每种标准应能多载波工作。
  高速数字链路。多条高速数字链路连接射频和基带平台。为支持2G(第二代)和3G(第三代)移动通信标准,该链路上的信号传输速率将超过1-2Gb/s。
  通用基带信号处理平台。该平台由多种可编程的数字电路板组成,完成接口,信息应用及控制等功能。
  各种软件包。有控制软件包(如对移动通信的基站进行配置、设置、管理等的软件),物理层软件包,高层软件包(对应于各种标准和制式)和系统接口软件包(满足对多种接口的要求)。这些软件存放在基带数字信号处理平台中,或者通过网络加载获得。

  软件无线电的应用

  1.用于设计多频多模的移动终端

  利用不同的软件适应不同的标准、调整软件设置来改变信道接入方式或调制方式。软件无线电技术可以设计出灵活的通信终端,使一部终端(手机)能用于不同制式的移动网络上,大大方便了用户,降低了运营商的成本,有利于移动通信技术的发展。
  由于2G,2.5G(第二代半),3G移动通信的不断演时,要求手机能是多频/多模(可兼容GSM,DCS1800,W-CDMA以及现有大多数的模拟系统)的可编程手机,支持GSM/GPRS,IS-95A/B,PDC,IS-136,EDGE、ARIB W-CDMA ETSI UMTS,以及cdma2000 1x等,未来几年还需要支持TDD接口,如UTRA TDD和TDS-CDMA。显然,软件无线电是实现上述要求的最佳解决方案。
  采用软件无线电技术使手机可以自动检测接收信号,接入不同的网络,而且能满足不同接续时间的要求。
  软件无线电技术用于终端(手机)的最近的一个例子就是2002年6月由韩日二国共同举办的世界杯足球赛。韩国移动电话的制式是cdma One和cdma2000,日本移动电话的制式是PDC,cdma One和ARIB W-CDMA。由于两国制式不一样。将不能实现漫游。采用软件无线电技术使同样一部手机,只要自动改变软件,就可以从GSM网络上转移到cdma One或cdma2000网络上工作,从而实现了同一部手机可在肉种网络的环境下工作。它将为众多的观众和球迷带来方便,为厂家和运营商迎来更多的商机。

  2.支持3G系统实现全球漫游

  由于种种原因,国际电信联盟(ITU)制订的第三代移动通信系统(3G)的空中接口并未达成一个统一的标准。目前,经ITU批准的主要3G制式有日本及欧洲提出的W-CDMA,美国提出的cdma2000,以及我国提出的TD-SCDMA。不同的标准给移动通信漫游及未来个人通信带来了限制,软件无线电技术则能解决这一问题。
  在一个完全可以编程的的硬件平台上,注入不同的软件就形成 不同标准的移动用户终端(手机)和基站,从而保证了各种移动设备之间的无缝集成。已经批准的我国TD-SCDMA就采用了软件无线电技术,在TD-SCDMA中,基站和终端设备采用高速DSP和高速模/数转换器等软件无线电技术。其实现的功能有直接序列码分多址(DS/CDMA)的调制和解调,速率为8kb/s的G.729语音编码标准,同步检测和控制,以及频率发射功能,接收增益和时延的自动控制,用户基站方位和距离的确定等。

  3.便于推出新业务

  软件无线电技术便于运营商能降低成本地开发一些具有潜力的新业务,如多媒体短信息,信息内容下载和移动因特网接入等。

  4.可加强自适应频率管理

  众所周知、无线电频谱资源十分宝贵,而目前许多频段分配给了实际使用率较低的系统。软件无线电通过自适应频谱管理(ASM)可以改变这种状况。自适应频谱管理包括动态协调频率和空间的利用,能优化空中接口使之与发射功率和调制方式相适应。通过对不同的无线频谱合理及协调地运作,大大提高了无线频谱的综合利用效率。

  软件无线电发展中的问题

  1.软件无线电的技术复杂性及需求不确定性

   例如在3G的应用中,需要解决如何充分有效地利用频谱,但是它超出了现有处理器体系结构的能力,因而研究开发进展较慢。如ARIB W-CDMA在其单个信道384Kb/S速率产时需要7900MOPS(每秒百万个操作),目前DSP尚不能处理这样的要求,预计需要五年才能达到。
  ASIC可以达到上述MOPS的水平,但至少需要两年的时间设计和开发,而且一旦完成程后,却非常不灵活。FPGA会好些,FPGA能为DSP算法提高10~50倍的处理能力。但是由于FPGA具有高灵活性和高功率的特点,它比DSP或ASIC需要更多的功率操作,加上其用于信号处理技术尚处于开始阶段,因而一些行家对于FPGA是否能与软件无线电协调地工作尚缺乏信心。

  2.手机的体积与重量问题

  目前军队所用的软件无线电终端是公文包那样的大小,由于重量较重,需用背包携带。而用于手机的目标是把软件无线电技术溶入到现代的80克重量、细长型的小蜂窝手机里,而且价格要合理。手机上功率消耗的问题比基站更麻烦。3G手机在没有引入软件无线电技术时,其功率消耗已经面临了挑战。
  迄今为止的镍镉电池尚不能达到容量需求,和处理器的性能以及算法先进性的发展相比,电池容量的进步显然太慢了。这样,为了解决这一问题,设计得只能尽量减少手机内部部件电能的消耗,并尽可能地把不少功能从基带处理器、发射机和接收器中移走。

  3.标准问题

  迄今为止,大多数行业管理部门尚没有制订出软件无线电用于无线技术的有关规定,使得各运营商由于标准不统一在运营中不方便。  由于软件无线电允许运营商根据需要改变参数或自动地进行一些操作,从而破坏了通常的一些操作程序。在老的行业法规中,厂商或运营商在改变设备参数时,必需要向行业主管部门提出申请。而美国FCC(联邦通信委员会)于2001年9月的补充规定则有利于软件无线电的发展。FCC对有关设备批准补充的内容是:“允许设备生产厂对该类无线设备改变其频率、功率和调制参数、无需再提出新的申请批准”。该新规定还允许电子标签、即第三方可以修改无线设备的技术参数,而无需返回原生产厂家重新标签。
  作为行业协会的SDR(软件无线电)论坛将为软件无线电技术制订标准规范,以便使设计者和生产者要以采用软件无线电技术用为其核心平台的技术,但是由于软件无线电技术的复杂性,因而该标准规范很难在2005年前完成。
  在标准前进的道路上,SDR论坛尚有很长的路要走。2002年将是论坛五个工作组繁忙的年份,它将开发SDR的企业案例,制订像无线API(应用程序接口)那样的技术规范(包括支持面向目标的JAVA和CORBA等协议),并且还要特别关注安全体系结构和下载的进程和程序。

  4.软件无线电的安全问题

  软件无线电应用中的动态下载及在基站或终端变更软件往往都会带来安全问题,黑客也可能截取信息。为此,SDR论坛打算向FCC提出相关保护措施的报告。随着软件无线电技术的广泛采用、更多的无线传输将会遇到信息被截取的问题。三位DES加密算法将会转向AES加密,以提高安全性。此外,与软件无线电有关的无线标准的制订也将增加安全的有关规定。

  软件无线电的市场与前景

  最早进行软件无线电商用化的是AirNet和ArrayComm公司。目前已有一些厂商利用软件无线电技术减少为建立不同的无线系统所需的平台,以及当标准演进时容易升级,如Xilinx,Spectrumcell,Tropian等公司正在设计和开发相关的软件无线电产品。澳大利亚先进通信技术(ACT)公司最近演示了其在Spectrucell SDR基站上的双向话音通话,该产品可以通过软件配置支持GSM,CDMA,UMTS和W-CDMA。ACT公司打算于今年晚些时候在美国进行该产品及技术的现场试验。
日本NTT公司有SDR基站的样机,可同时支持PHS和无线LAN接口,并打算使该基站还可支持其它移动通信制式。
  综上所述,目前全球软件无线电的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,尤其是在移动通信方面。软件无线电的许多潜在优势及效益正将在不同的产品上体现。
  由于今后更多的功能将在软件上开发、新业务的推出和升级要在软件上实现,软件无线电技术的广泛应用将会为厂商和运营商带来新的机遇,作为无线通信领域中,又一次飞跃和革命的新技术,软件无线电前景美好。

 

 
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