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改变无线通信前进的方式
 
慧聪网   2005年1月14日15时9分   信息来源:计算机世界报    


    软件无线电最初起源于军事研究。1992年5月,MILTRE公司的Joe Mitola在美国国家远程系统会议上首次作为军事技术提出了软件无线电(Software Radio,简称为SWR)的概念,希望用这种新技术来解决三军无线电台多工作频段、多工作方式的互通问题。从此,对软件无线电的研究在全球范围内迅速展开。

  1994年,美军完成了“易通话”(Speakeasy)软件无线电的第一期工程。1995年5月,IEEE《通信杂志》出版了软件无线电专刊,进一步阐述了软件无线电的体系结构及其相关的A/D(模/数变换器)、DSP(数字信号处理器)等关键技术,并给出了可以用于软件无线电的现有DSP芯片清单,从此拉开了软件无线电在军事、商用领域研究的序幕。

    软硬如何分离?

  所谓软件无线电,是指构造一个具有标准化、模块化、开放性的硬件平台,将各种功能,如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成,同时使宽带A/D转换器尽可能靠近天线,以充分实现数字化,提高可编程性。软件无线电技术的重要价值在于:传统的硬件无线电通信设备只是作为无线通信的基本平台,而众多的通信功能则是由软件来实现,这打破了有史以来设备的通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。软件无线电技术的出现是通信领域继固定通信到移动通信、摸拟通信到数字通信之后的第三次革命。

  作为一种新兴的技术,软件无线电的基本概念就是在一个通用硬件平台上,通过软件加载的方式用软件来实现所有无线电系统的通信功能。软件无线电的基本思想就是将宽带模数变换器(A/D)及数模变换器(D/A)尽可能地靠近射频天线,建立一个具有“A/D-DSP-D/A”模型的通用的、开放的硬件平台,在这个硬件平台上尽量利用软件技术来实现电台的各种功能模块。如使用宽带ADC通过可编程数字滤波器对信道进行分离;使用数字信号处理器(DSP)技术,通过软件编程来实现各种通信频段的选择,如HF、VHF、UHF和SHF等;通过软件编程来完成传送信息抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换,以实现射频电台的收发功能;通过软件编程实现不同的信道调制方式的选择,如调幅、调频、单边带、数据、跳频和扩频等;通过软件编程实现不同的保密结构、网络协议和控制终端功能等。

  软件无线电技术是软件化、计算密集型的操作形式。为此,软件无线电以硬件为基本平台,该平台具有模块化和标准化的特点,并以总线方式进行连接。它将使通信具有很大的通用性、灵活性,并使得系统互联和升级非常方便。一个典型的软件无线电平台可以将硬件单元划分成射频、中频、基带、信源和信令等各层,它们具有模块化结构,各层之间的连接通过控制总线和数据总线实现,其基本模型如图1所示。

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如何评价软件无线电的“软件化”程度?

  1997年5月,软件无线电概念的提出者Joe.Mhola在欧洲召开的软件无线电会议上首倡用一种特征矢量(N,PDA,HM,SFA)作为衡量软件无线电系统水平的尺度,矢量中每个参数的变化值为0~3。其中:

● N为空中接口所能支持的信道数,分为4类:单一信道(0)、双信道(1)、多信道(小于6个)(2)以及RF频段中的所有信道(3)。

● PDA是可编程数字化接入,指软件无线电系统中数字可编程的程度,分为4类:无可编程性(完全模拟或固定功能的数字无线电)(0)、基带可编程(1)、中频可编程(2)以及射频可编程(3)。

● HM是硬件的模块化程度,指硬件可编程能力分为4类,无可编程性(0)、系统采用可编程专用模块(1)、系统采用DSP(2)以及采用FPGA等(3)。

● SFA是软件模块化,指软件的灵活性和支持能力。它也分为4类:无空中接口定义软件(0)、应用于一种硬件平台的软件(1)、多种软件应用于一种硬件平台(2)以及多种软件应用于多种硬件平台(3)。

  该参数表现了能够提供即插即用软件模块的特点。如果在运行的过程中,功能没有变化,那么由最初制造商提供的应用于硬件平台的软件可以满足要求。但当有多个软件供应商都能提供软件产品时,只适用于一种硬件平台的软件无法满足多种硬件平台的需要。

  通过以上参数的不同组合,可对软件无线电系统的水平进行划分。软件无线电系统的级别分为4级,从0级到3级。目前很多的可编程数字无线电系统处于级别1,美国军方的Speakeasy级别为2(如表所示)。

软件无线电扎根无线电通信领域

  软件无线电技术首先在军事领域得到应用。由于其优良的表现,软件无线电技术很快渗透到民用的无线移动通信领域,特别是在即将走向商用的第三代移动通信领域具有广阔的应用前景。软件无线电从应用上看呈现许多特征。

  软件无线电(更严格地说是软件和数字处理硬件的结合)已经存在一段时间了,尤其是这几年在电子战方面的应用,使人们对软件无线电技术产生了浓厚的兴趣。冷战的结束导致了军事市场的显著萎缩,应用研究的重点发生了转移。商业无线电应用需要能提供低价格的、快速应用于市场的无线电系统的开发技术。软件无线电有希望成为更便宜、更灵活和用途更广泛的无线技术的首选,应用于商业无线电行业。

  由于软件无线电具有现有无线通信体制所不具备的许多优点,因此它有着广泛的应用前景。在军用方面,软件无线电技术可实现各种军用电台的互连互通;软件无线电系统可接入各种军用移动通信网。在民用方面,多频段多模式移动电话通用手机、多频段多模式移动电话通用基站、无线局域网及通用网关等都是软件无线电的重要应用领域。

  随着无线网络的发展,各种无线电功能、组成和设计规范不断出现。特别是未来无缝多模式网络要求无线电终端和基站具有灵活的RF频段、信道接入模式、数据速率和应用功能。软件无线电可以通过灵活的应变能力提高业务质量,同时软件无线电结构简化了硬件组成,提供了快速适应新出现的标准的管理方式。无线电接入点、小区和无线数据骨干网等这些基本设施结构可以通过安装新编程的软件满足不断变化的标准,而不用更换新的硬件设备。总之,任何一个希望接入多种无线电模式的使用者,都可能成为未来软件无线电系统的潜在用户。

  软件无线电通过由软件编程实现通信功能的方式来提高业务质量和信道接入灵活性。随着高性能DSP芯片的发展,软件无线电正在进入商用移动通信系统。软件无线电是实现不同多址接入方式兼容的最佳方案。尽管目前数字信号处理器的运算能力远达不到软件无线电的要求,但是随着微电子技术和计算机技术的飞速发展,这些问题都会得到圆满的解决。利用软件无线电技术开发新一代的多模移动通信手机,可以实现一机在手,漫游天下的设想。随着移动通信和PCS(个人通信服务)业务的不断拓展,软件无线电必将成为移动通信中的主流技术。

全球重视软件无线电研发

  目前,软件无线电在国外得到迅速发展。1991年10月8日,美国国防部通信会议明确确定了“Speakeasy计划”。Speakeasy系统的目标是使一个波形可编程的多频段多模电台能同时处理多种不同的信号波形(包括从AM到MQAM等);能兼容美军15种以上的电台,占用多种不同的频段;通信制式、组网方式、调制方法,以及语音速率和编码方式以及信息保密方法都用可编程软件实现。Speakeasy无线电系统工作频率覆盖2M~2000MHz,基本上能兼容现有的各类电台,该电台能同时处理4种以上不同的调制波形。1994年8月,Speakeasy一期工程为政府代表做了功能演示,演示的业务包括语音、数据和视频图像等。1995年,美军启动Speakeasy二期工程,在1995年7月到1996年9月的15个月里,研制出电台样机。

  此外,欧共体的ACTS FIRST项目和美国RUTGERS大学分别进行了针对软件无线电应用于第三代移动通信系统的研究。ACTS FIRST项目的目标是探讨将软件无线电技术应用到多波段多模式可编程手机的可能性,目前已取得了一些研究成果,确定了各模块应满足的性能指标。

  美国哈里斯公司已研制成功AN/VRC-94(E)多频段车载收发信机,可与其他电台(如AN/PRC-117A和AN/VRC-94A)互通。南非Grinel公司研制成功TR600轻型多频段多模式电台。美国马格纳泛斯克公司也研制出AN/GRC-206(V)多频段多模式电台,它是一种HF/VHF/UHF综合通信系统。美国陆军正在研制新一代三频段的超高频战术卫星通信终端,以实现真正意义上的互通。

  在我国,软件无线电技术受到相当重视,在“九五”和“十五”预研项目和“863”计划中都将软件无线电技术列为重点研究项目。我国提出的第三代移动通信系统方案TD-SCDMA,就是利用软件无线电技术完成设计的。软件无线电需要将现代先进的通信技术、微电子技术和计算机技术结合在一起,是一个中长期的研究项目,需要很强的综合实力。

软件无线电惠顾各方

  使用软件无线电概念来设计和实现下一代的无线通信系统和设备,与传统的产品和设备相比较,具有明显的优势。它将使得从技术研究开发,到设备制造商,到电信运营商,到每个无线通信最终用户都得到实惠。

1.对技术和产品的研究开发

  传统的无线通信系统只对单一的标准进行产品开发,从标准相对稳定到设计和开发专用芯片,再到产品设计和实现,是一个以年为单位的过程,开发周期长,开发成本高。上述情况导致在标准制定进程中,大多数新技术不能被应用,限制了新技术的发展,导致商用产品和当时技术水平的巨大差异。

  软件无线电将提供一个新概念和通用无线通信平台,在此平台上,可以基于软件来实现新业务和使用新技术,大大降低了开发成本和周期,使产品能跟上技术发展的水平。未来的新业务将由用户来开发,只有使用软件无线电技术,才可能让用户像使用PC一样,用软件无线电设备去开发所需的新业务。

2.对制造商

  随着技术的进步,目前无线通信产品的生命周期越来越短,因此针对单一产品线的投资风险加大。这要求移动通信设备制造商有强大的技术开发和技术支持能力,大大增加了产品成本。即便如此,任何在决策上、管理上、市场上的失败都会导致投资的巨大损失。

软件无线电是基于产品的,基于软件无线电产品的生产:

● 将比传统产品原材料成本低;

● 产品寿命长,意味着投资风险低;

● 由于它采用简单化及标准化硬件,使得产品容易生产。

  因此,制造商生产基于软件无线电技术的产品,可得到远大于生产传统产品的效益。

3.运营商

  移动通信网建设需要巨大投资,同时具有很大的风险性。如我国现今一方面由于市场需求,GSM网络迅速扩容,增加了大量GPRS设备;另一方面又处于第三代移动通信即将到来的时期,制定一个成功的投资战略极为困难。在下阶段又将考虑在第三代移动通信的多种标准中如何选择,也有很大的投资风险。

  而基于软件无线电技术的产品将为运营商带来利益,它表现在:

● 比传统产品成本低;

● 投资风险低,同一基站目前可以工作于GSM网络,通过软件升级可提供GPRS业务,再升级可工作于任何一个第三代移动通信标准;

● 真正意义上的平滑过渡使得系统设备的寿命延长;

● 为新业务提供了灵活方便的硬件平台。

显然,软件无线电将给运营商带来比传统产品更多的利润。

4.对最终用户

  基于软件无线电技术的用户设备,则是要为用户提供一个通用的终端设备平台。它应当能支持多达5~8种国际上通用的标准,而且可以通过空间加载软件技术达到用户设备升级的目的。只有这样,用户才不需要关心其所在的地区和运营商的问题而实现真正意义上的全球漫游,用户也才有可能获得所希望得到的新业务。

表 软件无线电的级别

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级别 (N,PDA,HM,SFA)取值及实例

0 固定功能,包括模拟无线电(*,0,0,0),FM和数字无线电

(*,1,0,0),寻呼机(1,1,00)

1 基带可编程(*,1,>0,>0)

2 中频可编程(*,2,>0,>0),如Speakeasy(1~n,2,2/3,1/2)

3 射频可编程,理想的软件无线电(NN,3,1~3,3)

  注:*表示可不考虑;n表示参数N为1、2或少量(<6)同步空中接口信道的情况;NN表示参数N为RF频道中的所有信道情况。

  在无线通信领域拷贝PC发展的理念

  我们不能说,软件无线电的发展思路源于PC,但是PC与软件无线电的发展思路有惊人相似的一面。说它是巧合也好,是偶然也罢,我们从中可以发现同样的规律。

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  软件无线电与个人电脑在概念上和结构上比较类似。依照无线通信的发展规律,我们可以将一个无线通信系统硬件与软件分离,并形成完成不同功能的层次。图2就是采用软件无线电思想,对无线通信系统进行分层,不同的层次完成不同的功能。这与PC产品中模块化、标准化思路有异曲同功之妙。软件无线电可能会成为无线通信发展的一个里程碑。

 
 
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