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浅谈软件无线电技术及在3G中的应用
2006年7月4日 14:5  来源:通信网

  一、引言

  以开放的、模块化的系统结构为核心的软件无线电技术被普遍认为是3G基站未来的发展趋势,其可为3G提供通用的系统结构、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,不同的软件来满足不同标准的需求。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。

  二、软件无线电概述及关键技术

  软件无线电(SWR)的概念是由美国科学家Joe.Mitola于1992年5月在美国电信系统会议上首次明确提出的。其基本概念是将硬件作为无线通信的基本通用平台,而用软件实现尽可能多的无线及个人通信功能。

  软件无线电的基本思想是将A/D、D/A变换尽量靠近射频前端,应用宽带天线或多频段天线,将整个RF段或中频段进行A/D变换,这之后的处理均由通用处理器或DSP器件完成。其硬件结构使软件无线电具有整体的可编程性:RF频段可编程、信道访问模式可编程、信道编码和调制可编程。同时由于其开放的体系结构,系统功能的改变只需软件做适应调整,则不需重新设计系统,特别是硬件系统。数据源输出的数据经过信源编码(如JPEG编码)后,再进行信道编码。多路访问可使用多种方法,如TDMA、CDMA等;不同的系统的调制方式不同,软件无线电系统应该能兼容它们,如QPSK、FSK等,多路访问和调制部分还包括定时信息的处理,如帧同步、比特同步、码元同步等。最后经A/D转换、上变频送至射频(RF)前端,由宽带天线发射出去。若是接收,则过程与上相反。实现软件无线电的关键技术主要有:射频天线、宽带ADC转换、高速数字信号处理和高性能的总线结构等方面。理想软件无线电的组成结构如图所示:

  (1) 天线及射频转换部分的关键技术

  射频段要求能够接入多个波段甚至覆盖整个波段。主要包括组合式多频段天线及智能化天线技术,模块化、通用化收发双工技术、多倍频程宽带低噪声接收放大器技术,线性高功率放大器技术和宽带上下变频器技术。这部分只能用高频模拟器件实现,但可以用软件对其功能和参数进行控制。

  (2) A/D-D/A与高速、高精度中频数字处理段关键技术

  把A/D-D/A变换器放置在尽可能靠近天线的位置上是软件无线电与传统数字无线电的主要区别之一。在软件定义无线电中,A/D-D/A变换器放在中频对大带宽范围内的多路信号进行采样。根据Nyqist定理,大输入信号带宽要求A/D变换有很高的采样率;另一方面由多路信号间的远近效应而要求A/D变换器有大的动态范围与取样精度。当A/D技术不能满足要求时,有多种解决方案。如,把整个接收带宽分成多个子带,用多个窄带A/D对各个子带并行采样;用对数压缩等方法控制或抑制输入信号动态范围;量化与信号预测相结合,量化预测误差信号等。

  数字下变频的任务是将A/D输出的含有多路信道的高速数字信号进行信道划分与提取,包括变频、滤波和降采样等处理。数字上变频是其逆过程。实现上、下变频所要求的运算量很大,是系统实现中最困难的部分。在移动通信系统中,基站和移动台在中频处理部分面临的问题和采用的技术不完全相同。由于基站一般要求同时处理多个来自不同频带的信号,因此,理想的方式是采用宽带接收机,利用多速率信号处理技术来提高计算效率,例如使用基于FFT的信道划分技术来提取所有信道。对于移动台和手机,由于只接收自身的一路信号,因此一般可采用专用器件来实现数字下变频,如Harris公司的HSP50214B等。

  (3) 基带与比特流处理部分关键技术

  基带与比特流处理部分主要完成单一信道信号基带可编程处理。包括调制/解调、编/译码、交织/去交织、扩频/解扩、加/解密处理、信道均衡,定时、同步甚至信源编码等。这部分要求具有高度的可编程、可重新配置特点。虽然数据速率比中频低,但对于3G标准(如W-CDMA和CDMA2000),由于数据速率本身较高(W-CDMA最低为3.84Mbit/s,CDMA2000最低为1.2288Mbit/s),同时,信道译码方法、RAKE接收、多用户检测算法和智能天线技术等运算量都很大,产生所谓DSP瓶颈。解决DSP瓶颈的方法是采用树型结构或网络结构的多处理器技术。基带处理部分由可编程器件如FPGA、DSP和通用CPU等结合实现。如何进行无线电功能的划分及将划分后的功能映射到具有不同灵活性和处理特点的器件上(FPGA的灵活性比DSP和通用CPU差,但具有分布特点的大计算量算法适合在FPGA上实现),决定了整个系统的综合性能。

  (4) 软件技术

  实现SWR术要求软件具有对硬件平台的独立性。实现软件对硬件独立的方式之一是建立介于硬件和软件之间的中间插件,实现硬件、软件和中间插件的层次结构。软件技术中另一个关键问题是软件下载,包括软件下载方式、接口方式和软件下载的认证、安全和协议等。手机实现软件下载有三种方式:通过使用智能卡编程等来支持某特定标准的静态下载方式;通过空中(OTA)下载来预先配置终端,以适应一组特定的协议、应用和无线电接口的伪静态方式;在通话过程中通过OTA重新配置软件的动态软件下载方式。目前考虑的将软件传送到软件无线电手机的接口有三种:手机与智能卡间的接口,它对应的是静态软件下载方式;手机与外设间的接口,它对应的也是静态软件下载方式,其中外设是具有扩展存储器和足够处理能力的计算机;手机与基站之间的无线接口,此接口与伪静态方式和动态软件下载方式相对应。

  软件无线电中的关键技术还包括开放式高速、宽带数据传送技术。为了适应软件无线电的发展,需要速度更高、带宽更大的新型开放总线。基于网络的软件无线电要求高于10Gbit/s超高速网络。因此,开放式高速、宽带数据传送技术对结构灵活、开放、可扩展软件无线电实现非常重要。

  三、3G系统中的软件无线电技术

  在3G系统所要实现的目标与系统的特点中,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:无线网与有线网的综合,移动网与固定网的综合,陆地网与卫星网的综合。这样可以提供全球无缝覆盖,为用户提供在无线与有线环境下统一的业务使用方式,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,它面对的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)。3G系统可支持的速率为室内静止2Mbit/s,步行移动384kbit/s,车速移动144kbit/s,卫星移动9.6kbit/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。

  由于3G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"统一"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月的中间会议上一致通过了"IMT-2000家族"的概念。它放弃了在空中接口、网络技术等方面一致性的努力,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,针对这种情况, 我们认为应该在第三代移动通信发展中引入软件无线电, 充分利用软件无线电技术带来的系统灵活性和通用性, 实现第三代移动通信中多种空中接口的并存, 以及第三代与GSM系统的兼容, 并对将来新的通信标准的引入和升级带来非常大的便利, 同时保护运营商和用户的利益,软件无线电是解决基站问题的利器。具体他讲,软件无线电技术在3G系统中的应用体现在以下几个方面:

  (1)为第三代移动通信手机与基站提供了一个开放的,模块化的系统结构;
  (2)智能天线结构的实现,空间特征矢量包括DOA(来波方向估计)的获得、每射频通道权重的计算和天线波束赋形;   
  (3)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。

  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3G系统SCDMA中,应用就更广泛了。SCDMA系统的基站和终端都采用了高速数字处理器和高速A/D变换器,处理速度高于每秒5千万次,全部基带信号处理和变换都用软件来完成。在SCDMA中软件无线电将实现如下功能:
  
 (1)提供一个开放的模块化的系统结构;   
 (2)智能天线的实现;   
?(3)同步检测、建立和保持;   
?(4)用户终端口D-QPSK(差分正交移相键控)解调器中的载波恢复、频率校准和跟踪;   
?(5)每码道功率的检测和发射功率控制的实现;
 (6)接收通道的电平检测和接收增益控制;   
?(7)扩频调制和解调,包括WALSH(沃什)码和PN(伪随机)码的产生;
 (8)语音编译码;   
?(9)DTMF(双音多频),MFC(多频编码)及各种信号的产生和检测;   
?(10)信道编码、复接和分接;   
?(11)发射脉冲成形滤波;   
?(12)SWAP(交换)信令的差错检测;   
?(13)接收信令的差错检测;   
?(14)发射通道的数字预失真;   
?(15)基站收发信机的校准。

  在第三代系统中引入软件无线电技术, 特别是利用软件无线电技术建造第三代多模多媒体终端, 对软件无线电的相关技术提出了非常高的要求。然而我们认为目前技术的进步已经为采用软件无线电技术提供了坚实的基础, 对于第三代移动通信,已经能够实现相当程度上的软件无线电: 理想的软件无线电系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段, 这对天线技术提出了较高的要求。对于第三代移动通信, 一般认为其频带宽180MHz~230MHz。利用组合式多频段天线是能实现覆盖的。

  从上面可以看出软件无线电技术在3G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3G系统中的多频多模手机与基站问题。

  四:结束语

  软件无线电(SWR)技术是近年来提出的一种实现无线通信的新的体系结构,它的基本概念是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及个人通信功能用软件实现。这样无线通信新系统、新产品的开发将逐步转到软件上来,而无线通信的产品价值将越来越多地体现在软件上。这是无线通信领域继固定到移动、模拟到数字之后的第三次革命,软件无线电已成为第三代移动通信(3G)的战略基础,并正继续朝产业化、全球化的方向发展,将在下个世纪形成和计算机及程控交换相当的巨大产业。

 
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