軟件無(wú)線(xiàn)電 （2002-10-16）
佘其炯
軟件無(wú)線(xiàn)電的由來(lái)
軟件無(wú)線(xiàn)電最初是在軍事通信中提出的，軟件無(wú)線(xiàn)電作為軍用技術(shù)已有30年以上的歷史，但是由于不同部隊用于不同目的的無(wú)線(xiàn)電臺在工作頻段、調制方式上存在差異而無(wú)法互通。如果需要互通，就需要作進(jìn)一步的改進(jìn)，如美國部分推出的JTRS(戰術(shù)合作無(wú)線(xiàn)系統)的意向合同，其目的就是能實(shí)現基于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的可以互操作、互工作的系統。在民用通信方面，由于新標準的不斷涌現、新老通信體制共存，不同體制的系統的互聯(lián)變得復雜與困難，加上各種通信設備的大量出現、使無(wú)線(xiàn)電頻譜越來(lái)越擠，傳統的以硬件為基礎的無(wú)線(xiàn)通信系統已難以適應發(fā)展的需求，軟件無(wú)線(xiàn)電正是最好的解決方案。
什么是軟件無(wú)線(xiàn)電？
軟件無(wú)線(xiàn)電的基本概念是利用不斷增加的芯片處理速度和不斷的大規模集成電路技術(shù)，把DSP芯片或通用CPU芯片作為無(wú)線(xiàn)通信的基本硬件平臺，將盡可能多的無(wú)線(xiàn)通信功能，如調制技術(shù)、跳頻、糾錯及加密等用軟件實(shí)現。這些軟件通常是DSP、ASIC、FPGA(現場(chǎng)可編程序的邏輯序列)里的軟件。上述無(wú)線(xiàn)功能可以用軟件升級來(lái)改變無(wú)線(xiàn)參數，可以按要求的條件用編程來(lái)設計。這樣就把無(wú)線(xiàn)通信系統或產(chǎn)品的某些部分轉移到軟件上來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信設備的價(jià)格將與軟件有關(guān)。系統升級基于軟件，其代價(jià)小。采用軟件無(wú)線(xiàn)電，使不同的系統和設備容易兼容和互聯(lián)。軟件無(wú)線(xiàn)電將被看成是無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中繼固定到移動(dòng)、模擬到數字之后的又一次飛躍，又一次革命。
軟件無(wú)線(xiàn)電的基本特點(diǎn)
軟件無(wú)線(xiàn)電在可編程的通用硬件平臺上，利用軟件來(lái)定義和實(shí)現無(wú)線(xiàn)設備的各部分功能，包括前端接收，中頻處理和信號的基帶處理等。它盡可能在靠近天線(xiàn)的地方通過(guò)寬帶模/數或數/模轉換器完成信號的數字化，然后用軟件定義并實(shí)現無(wú)線(xiàn)設備的功能。軟件模塊由各種算法庫組成，通過(guò)加載軟件算法或是升級軟件就可以實(shí)現業(yè)務(wù)功能的擴張和采用新的通信標準。所以，軟件無(wú)線(xiàn)電具有充分數字化、靈活多編程、模塊化設計、多頻段轉換、多業(yè)務(wù)支持等特點(diǎn)。
這里需要特別指出的是，軟件無(wú)線(xiàn)電與軟件控制的無(wú)線(xiàn)設備不是一回事。兩者的重要區別是，軟件無(wú)線(xiàn)電的結構和功能是完全可編程的，如可編程的射頻頻段，可編程的信道接入模式，可編程的信號調制解調制方式等。而軟件控制的無(wú)線(xiàn)設備則不是這樣。
軟件無(wú)線(xiàn)電的組成
軟件無(wú)線(xiàn)電一般由以下幾部分組成。
收發(fā)信天線(xiàn)及饋線(xiàn)。采用智能天線(xiàn)，其天線(xiàn)陣的方向圖可以由基帶數字信號器來(lái)控制。
射頻發(fā)射機和接收機。由通用平臺和多個(gè)射頻發(fā)射機模塊組成。其工作頻率范圍應足夠寬，并用數字頻率合成技術(shù)來(lái)設置，對每種標準應能多載波工作。
高速數字鏈路。多條高速數字鏈路連接射頻和基帶平臺。為支持2G(第二代)和3G(第三代)移動(dòng)通信標準，該鏈路上的信號傳輸速率將超過(guò)1-2Gb/s。
通用基帶信號處理平臺。該平臺由多種可編程的數字電路板組成，完成接口，信息應用及控制等功能。
各種軟件包。有控制軟件包(如對移動(dòng)通信的基站進(jìn)行配置、設置、管理等的軟件)，
物理層軟件包，高層軟件包(對應于各種標準和制式)和系統接口軟件包(滿(mǎn)足對多種接口的要求)。這些軟件存放在基帶數字信號處理平臺中，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò )加載獲得。
軟件無(wú)線(xiàn)電的應用
1.用于設計多頻多模的移動(dòng)終端
利用不同的軟件適應不同的標準、調整軟件設置來(lái)改變信道接入方式或調制方式。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)可以設計出靈活的通信終端，使一部終端(手機)能用于不同制式的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )上，大大方便了用戶(hù)，降低了運營(yíng)商的成本，有利于移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展。
由于2G，2.5G(第二代半)，3G移動(dòng)通信的不斷演時(shí)，要求手機能是多頻/多模(可兼容GSM，DCS1800，W-CDMA以及現有大多數的模擬系統)的可編程手機，支持GSM/GPRS，IS-95A/B，PDC，IS-136，EDGE、ARIB W-CDMA ETSI UMTS，以及cdma2000 1x等，未來(lái)幾年還需要支持TDD接口，如UTRA TDD和TDS-CDMA。顯然，軟件無(wú)線(xiàn)電是實(shí)現上述要求的最佳解決方案。
采用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)使手機可以自動(dòng)檢測接收信號，接入不同的網(wǎng)絡(luò )，而且能滿(mǎn)足不同接續時(shí)間的要求。
軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)用于終端(手機)的最近的一個(gè)例子就是2002年6月由韓日二國共同舉辦的世界杯足球賽。韓國移動(dòng)電話(huà)的制式是cdma One和cdma2000,日本移動(dòng)電話(huà)的制式是PDC，cdma One和ARIB W-CDMA。由于兩國制式不一樣。將不能實(shí)現漫游。采用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)使同樣一部手機，只要自動(dòng)改變軟件，就可以從GSM網(wǎng)絡(luò )上轉移到cdma One或cdma2000網(wǎng)絡(luò )上工作，從而實(shí)現了同一部手機可在肉種網(wǎng)絡(luò )的環(huán)境下工作。它將為眾多的觀(guān)眾和球迷帶來(lái)方便，為廠(chǎng)家和運營(yíng)商迎來(lái)更多的商機。
2.支持3G系統實(shí)現全球漫游
由于種種原因，國際電信聯(lián)盟(ITU)制訂的第三代移動(dòng)通信系統(3G)的空中接口并未達成一個(gè)統一的標準。目前，經(jīng)ITU批準的主要3G制式有日本及歐洲提出的W-CDMA，美國提出的cdma2000，以及我國提出的TD-SCDMA。不同的標準給移動(dòng)通信漫游及未來(lái)個(gè)人通信帶來(lái)了限制，軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)則能解決這一問(wèn)題。
在一個(gè)完全可以編程的的硬件平臺上，注入不同的軟件就形成 不同標準的移動(dòng)用戶(hù)終端(手機)和基站，從而保證了各種移動(dòng)設備之間的無(wú)縫集成。已經(jīng)批準的我國TD-SCDMA就采用了軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，在TD-SCDMA中，基站和終端設備采用高速DSP和高速模/數轉換器等軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。其實(shí)現的功能有直接序列碼分多址(DS/CDMA)的調制和解調，速率為8kb/s的G.729語(yǔ)音編碼標準，同步檢測和控制，以及頻率發(fā)射功能，接收增益和時(shí)延的自動(dòng)控制，用戶(hù)基站方位和距離的確定等。
3.便于推出新業(yè)務(wù)
軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)便于運營(yíng)商能降低成本地開(kāi)發(fā)一些具有潛力的新業(yè)務(wù)，如多媒體短信息，信息內容下載和移動(dòng)因特網(wǎng)接入等。
4.可加強自適應頻率管理
眾所周知、無(wú)線(xiàn)電頻譜資源十分寶貴，而目前許多頻段分配給了實(shí)際使用率較低的系統。軟件無(wú)線(xiàn)電通過(guò)自適應頻譜管理(ASM)可以改變這種狀況。自適應頻譜管理包括動(dòng)態(tài)協(xié)調頻率和空間的利用，能優(yōu)化空中接口使之與發(fā)射功率和調制方式相適應。通過(guò)對不同的無(wú)線(xiàn)頻譜合理及協(xié)調地運作，大大提高了無(wú)線(xiàn)頻譜的綜合利用效率。
軟件無(wú)線(xiàn)電發(fā)展中的問(wèn)題
1.軟件無(wú)線(xiàn)電的技術(shù)復雜性及需求不確定性
例如在3G的應用中，需要解決如何充分有效地利用頻譜，但是它超出了現有處理器體系結構的能力，因而研究開(kāi)發(fā)進(jìn)展較慢。如ARIB W-CDMA在其單個(gè)信道384Kb/S速率產(chǎn)時(shí)需要7900MOPS(每秒百萬(wàn)個(gè)操作)，目前DSP尚不能處理這樣的要求，預計需要五年才能達到。
ASIC可以達到上述MOPS的水平，但至少需要兩年的時(shí)間設計和開(kāi)發(fā)，而且一旦完成程后，卻非常不靈活。FPGA會(huì )好些，FPGA能為DSP算法提高10～50倍的處理能力。但是由于FPGA具有高靈活性和高功率的特點(diǎn)，它比DSP或ASIC需要更多的功率操作，加上其用于信號處理技術(shù)尚處于開(kāi)始階段，因而一些行家對于FPGA是否能與軟件無(wú)線(xiàn)電協(xié)調地工作尚缺乏信心。
2.手機的體積與重量問(wèn)題
目前軍隊所用的軟件無(wú)線(xiàn)電終端是公文包那樣的大小，由于重量較重，需用背包攜帶。而用于手機的目標是把軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)溶入到現代的80克重量、細長(cháng)型的小蜂窩手機里，而且價(jià)格要合理。手機上功率消耗的問(wèn)題比基站更麻煩。3G手機在沒(méi)有引入軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)時(shí)，其功率消耗已經(jīng)面臨了挑戰。
迄今為止的鎳鎘電池尚不能達到容量需求，和處理器的性能以及算法先進(jìn)性的發(fā)展相比，電池容量的進(jìn)步顯然太慢了。這樣，為了解決這一問(wèn)題，設計得只能盡量減少手機內部部件電能的消耗，并盡可能地把不少功能從基帶處理器、發(fā)射機和接收器中移走。
3.標準問(wèn)題
迄今為止，大多數行業(yè)管理部門(mén)尚沒(méi)有制訂出軟件無(wú)線(xiàn)電用于無(wú)線(xiàn)技術(shù)的有關(guān)規定，使得各運營(yíng)商由于標準不統一在運營(yíng)中不方便。
由于軟件無(wú)線(xiàn)電允許運營(yíng)商根據需要改變參數或自動(dòng)地進(jìn)行一些操作，從而破壞了通常的一些操作程序。在老的行業(yè)法規中，廠(chǎng)商或運營(yíng)商在改變設備參數時(shí)，必需要向行業(yè)主管部門(mén)提出申請。而美國FCC(聯(lián)邦通信委員會(huì ))于2001年9月的補充規定則有利于軟件無(wú)線(xiàn)電的發(fā)展。FCC對有關(guān)設備批準補充的內容是：“允許設備生產(chǎn)廠(chǎng)對該類(lèi)無(wú)線(xiàn)設備改變其頻率、功率和調制參數、無(wú)需再提出新的申請批準”。該新規定還允許電子標簽、即第三方可以修改無(wú)線(xiàn)設備的技術(shù)參數，而無(wú)需返回原生產(chǎn)廠(chǎng)家重新標簽。
作為行業(yè)協(xié)會(huì )的SDR(軟件無(wú)線(xiàn)電)論壇將為軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)制訂標準規范，以便使設計者和生產(chǎn)者要以采用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)用為其核心平臺的技術(shù)，但是由于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的復雜性，因而該標準規范很難在2005年前完成。
在標準前進(jìn)的道路上，SDR論壇尚有很長(cháng)的路要走。2002年將是論壇五個(gè)工作組繁忙的年份，它將開(kāi)發(fā)SDR的企業(yè)案例，制訂像無(wú)線(xiàn)API(應用程序接口)那樣的技術(shù)規范(包括支持面向目標的JAVA和CORBA等協(xié)議)，并且還要特別關(guān)注安全體系結構和下載的進(jìn)程和程序。
4.軟件無(wú)線(xiàn)電的安全問(wèn)題
軟件無(wú)線(xiàn)電應用中的動(dòng)態(tài)下載及在基站或終端變更軟件往往都會(huì )帶來(lái)安全問(wèn)題，黑客也可能截取信息。為此，SDR論壇打算向FCC提出相關(guān)保護措施的報告。隨著(zhù)軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的廣泛采用、更多的無(wú)線(xiàn)傳輸將會(huì )遇到信息被截取的問(wèn)題。三位DES加密算法將會(huì )轉向AES加密，以提高安全性。此外，與軟件無(wú)線(xiàn)電有關(guān)的無(wú)線(xiàn)標準的制訂也將增加安全的有關(guān)規定。
軟件無(wú)線(xiàn)電的市場(chǎng)與前景
最早進(jìn)行軟件無(wú)線(xiàn)電商用化的是AirNet和ArrayComm公司。目前已有一些廠(chǎng)商利用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)減少為建立不同的無(wú)線(xiàn)系統所需的平臺，以及當標準演進(jìn)時(shí)容易升級，如Xilinx,Spectrumcell,Tropian等公司正在設計和開(kāi)發(fā)相關(guān)的軟件無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品。澳大利亞先進(jìn)通信技術(shù)(ACT)公司最近演示了其在Spectrucell SDR基站上的雙向話(huà)音通話(huà)，該產(chǎn)品可以通過(guò)軟件配置支持GSM，CDMA，UMTS和W-CDMA。ACT公司打算于今年晚些時(shí)候在美國進(jìn)行該產(chǎn)品及技術(shù)的現場(chǎng)試驗。
日本NTT公司有SDR基站的樣機，可同時(shí)支持PHS和無(wú)線(xiàn)LAN接口，并打算使該基站還可支持其它移動(dòng)通信制式。
綜上所述，目前全球軟件無(wú)線(xiàn)電的參與者正致力于確定軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的定位，尤其是在移動(dòng)通信方面。軟件無(wú)線(xiàn)電的許多潛在優(yōu)勢及效益正將在不同的產(chǎn)品上體現。
由于今后更多的功能將在軟件上開(kāi)發(fā)、新業(yè)務(wù)的推出和升級要在軟件上實(shí)現，軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的廣泛應用將會(huì )為廠(chǎng)商和運營(yíng)商帶來(lái)新的機遇，作為無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中，又一次飛躍和革命的新技術(shù)，軟件無(wú)線(xiàn)電前景美好。
摘自《通信市場(chǎng)》
