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1、浅谈软件无线电技术 及其在 3G 与 4G 通信系统中的应用国防科学技术大学游荐波65521 部队司令部闫凌 摘 要 软件无线电是近年提出的一种无线通信的体系结构, 是继从模拟技术到数字技术后, 无线通信领域的又一突 破性新技术, 本文从软件无线电的基本概念出发, 讨论了其功能结构、关键技术、主要特点及在 3G、4G 通信系统中应 用与发展前景。 关键词 软件无线电 3G 4G 通信系统一、软件无线电的概念由于计算机与数字信号处理技术的高度发展和军事通信的 迫切需要, 在无线通信领域产生了一种突破性的新技术 软 件无线电。近些年来, 软件无线电技术已成为人们研究的一个热 点。软件无线电 (So
2、ftw are R ad io ) 的概念是由M ITR E 公司资 深科学家 Jo seph M ito la 在 1992 年 5 月的美国电信会议上首次 明确提出的。软件无线电是一种基于宽带A D、D A 器件、高速 D SP 芯片、以软件为核心的崭新体系结构。 概括起来就是两个 尽可能: 尽可能地将宽带模数和数模转换器靠近天线; 尽可能地 通过可编程的D SP 器件, 用软件来实现电台的各种功能。 软件 无线电的基本思想就是将硬件作为其通用的基本平台, 把尽可 能多的无线及个人通信的功能用软件来实现, 从而将无线通信 新系统、新产品的开发逐步转移到软件上来。其最终目的是使通 信系统摆脱
3、硬件布线结构的束缚, 在系统结构相对通用和稳定 的情况下, 通过软件来实现各种功能, 使得系统的改进和升级都 非常方便、代价小, 同时不同系统间很容易互连与兼容。二、软件无线电系统的功能结构典型的软件无线电系统包括天线、多频段射频变换器、含有 A D 和D A 变换器的芯片以及片上通用处理器和存储器等部 件, 可以有效地实现无线电功能及其所需的接口功能。其功能结 构框图如下:其关键思想和与传统结构的主要区别在于: 1) 将 A D 和 D A 向 R F (射频) 端靠近, 在射频或中频对接收信号进行数字 化采样, 通过软件编程灵活方便地实现各种宽带数字滤波、直接 数字频率合成、数字下变频、调
4、制解调、差错编码、信道均衡、信 令控制、信源编码及加密解密等功能。2) 用高速D SP CPU 代替 传统的专用数字电路与低速 D SPCPU 做 A D 后的一系列处 理。A D 和D A 移向R F 端仅为软件无线电的实现提供了必要 条件, 关键是采用通用的可编程能力强的器件 (D SP 和 CPU 等) 代替专用的数字电路。软件无线电的这种高度可编程性和结 构的标准化、模块化和开放性, 使新业务、新技术的引入变的十 分方便、经济, 往往只需更新版本、加载新的软件模块或个别硬 件模块即可实现。因此, 软件无线电具有高度灵活性和很好的适 应性, 具有较长的生命周期。典型的软件无线电系统的工作
5、模块主要包括下面三个部 分: 1) 实时信道处理: 实时信道处理包括天线、射频变换、A D 和D A 变换器、中频处理、基带与比特流处理及信源编码。其中 射频变换包括输出功率的产生、前置放大、射频信号变换为标准 中频或由标准中频变换为射频信号, 以适应宽带 A D 和 D A 变换。中频处理部分变换基带和中频之间的发射和接收信号。比 特流部分将多个用户产生的信源编码复用成比特流, 或与之相 对应将比特流多路分解。 还提供信令、控制和操作、管理和维护 功能。 实 时 信 道 处 理 部 分 最 合 适 的 结 构 是 多 指 令 多 数 据 (M IM D ) 多处理器的结构, 即将多处理器组成
6、一个流水线, 来实 现软件模块分配给内部连接在一起的各个处理器的不同的功能 序列。 2) 环境管理: 在准实时环境管理模块中持续地使用频率、 时间和空间特征来表征无线电环境, 这些特征包括信道识别和 估 计其它参 数。 环境管理模块的操作模块化, 容易用一台 M IM D 并行处理器来实现。这种并行环境管理模块和流水线工 作方式的实时信道处理模块之间的接口必须使环境管理的参数 和信道处理模块同步。3) 在线和离线的软件工具: 在线和离线系 统分析、信号处理和变宿主工具允许人们确定增量业务。这些业 务的增加可在实时信道处理模块中生成和连接, 也允许人们调 整算法, 以便测试参数位置、确定业务的一
7、些数值和资源影响。 高度集成化的软件工具可比较快地实施增值的软件升级, 当软 件定义的网络迅速扩大后, 可通过无线传输提供改进了的业务 服务。三、软件无线电在 3G 与 4G 通信系统中的应用3G 是“3rd Generat io n”(第三代) 的缩写, 即第三代移动通 信系统 ( IM T - 2000) , 它是高速移动数据网络通信领域的行业 术语。 3G 技术的设计基础是支持全系列的移动多媒体系统, 其 对多种数据速率提供灵活的支持, 不仅可以传送语音数据, 还可 以根据需要传送视频数据。 在 3G 系统所要实现的目标与系统 的特点中, 核心的问题是提供不同环境下的多媒体业务及实现 包
8、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)。 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。使用软件无线 电技术可以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, IM T - 2000 的发展
9、 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“IM T - 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 引人软件无线电, 充分利用软件无线电技术带来的系统灵活性 39 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人和升 级带来非常大的便利, 同时保
10、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。在 3G 通信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。
11、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 180M H z- 230M H z。利用组合式多频段天线是完全能实现覆盖 的。但是 3G 时代尚未真正到来, 就已经暴露出以下几点不足: 1) 3G 缺乏全球统一标准; 2) 3G 所采用的语音交换架构仍承袭 了第二代 (2G) 的电路交换, 而不是纯 IP 方式; 3) 3G 很难达到 较高的通信效率, 提供服务速率的动态范围
12、不大, 不能满足各种 业务类型要求以及分配给 3G 系统的频率资源已经趋于饱和等 等。 为了提供更高的数据传输速率、支持交互式多媒体服务、实 现不同类型的无缝融合、完全集中服务、移动服务的可分级性以 及更低的造价。在 3G 还没有完全铺开, 离完全实用化还有一段 时间的时候, 已经有不少国家开始了对下一代移动通信系统 (4G) 的研究。目前国际电信联盟 ( ITU ) 已经开始研究制订第四代移动通 信标准, 并已达成共识: 把移动通信系统同其他系统 (如: 无线局 域网、W LAN 等) 结合起来, 产生 4G 技术, 2010 年之前使数据 传输率达到 100M b its, 以提供更有效的
13、多种业务。 4G 通信系 统可称为宽带接入和分布网络, 它的根本任务是能够接收、获取 到终端的呼叫, 在多个运行网络之间或者多个无线接口之间, 建 立最有效的通信路径, 并对其进行定位和跟踪。它能提供更有效 的多种业务, 实现商业无线网络, 局域网、蓝牙、广播、电视卫星 通信等的无缝覆盖并相互兼容, 还将首次实现三维图像的高质 量传输。与 3G 相比具有更高的数据率和频谱利用率, 更高的安 全性、智能性和灵活性, 以及更高的传输质量和服务质量等的特 点。4G 通信系统的关键技术主要是软件无线电、智能天线、正交 频分复用和 IPv6 技术等。4G 通信系统技术需要适应不同种类的产品要求, 而软件
14、无 线电技术则是适应产品多样性的基础, 它不仅可以降低开发风 险, 还更易于开发系列产品。 此外它还减少了硬件的需求, 降低 了运算器件的价格, 同时其开放的结构也允许多方运营的介入。 同时, 由于D SP 的使用, 也弥补了廉价 R F 所造成的不足。在实 际应用中, R F 部分是昂贵而缺乏灵活性的, 宽带 R F 是非线形 的, 通过使用软件无线电技术可以弥补其在灵活性上的不足。在网络支持方面, 由于 4G 通信系统选择了采用基于 IP 的 全分组方式传送数据流, 因此 IPv6 技术将成为下一代网络的核 心协议。 大量链路类型 (如 data, V o IP) 的不同链路可通过软件 无
15、线电进行互联。同时, 动态频谱的分配也有利于在已占有带宽上实现新的服务。同时, 作为新一代通信关键技术之一的智能天线技术, 它与 软件无线电技术紧密相连, 是在软件无线电基础上提出的天线 设计新概念, 是数字多波束形成技术与软件无线电完美结合的 产物。一方面, 软件无线电为智能天线的实现提供了一条有效可 行的技术途径; 另一方面, 智能天线也对软件无线电的发展起到 了推动作用。 两者相互渗透、相互促进、基于软件无线电的智能 天线主要包括单信道智能天线, 即通过天线阵感应的射频信号 首先经过前端模拟预处理, 变换为适合于A D 采样的宽带中频 信号, 该宽带中频信号经 A D 数字化后送到数字下
16、变频器(DDC) , 对宽带数字中频内某一感兴趣的信号进行数字正交下 变频和采样率变换, 变换为与信号带宽相适应的低采样率的基带正交数字信号, 这 N 路正交基带数据被同时送到M 个数字 波束形成器, 分别进行不同指向的波束形成运算, 最终获得所需 的M 个波束。 信息解调模块要么对所形成的这M 个波束同时 进行解调, 要么选取其中信噪比最大的波束进行解调, 前者可以 实现同频空分复用, 后者则可以实现定向接收, 改善输出信噪 比。 与单信道智能天线相比, 多信道智能天线只是在A D 后设 置多个单信道多波束形成器 (SCM BF)。 此外, 还包括多相滤波 信道化智能天线, 最大特点是能够实现频域空域上的全波束形 成。由于多种移动通信标准并存, 使现有的移动通信标准族变 得十分繁杂。从近期
