SDR--未來無線通信設(shè)備的基本概念

Key Words: Software Defined Radio (SDR); Advantage; Challenge

中圖分類號(CLC number)：TN929.5

文獻標(biāo)識碼(Document code)：A

文章編號(Article ID)：1009-9336(2001)04-0066-10
 
1 引言

　　在筆者前一篇文章中[1]，對移動通信技術(shù)的發(fā)展方向進行了討論和介紹。本文將著重介紹其中最具有革命性的軟件定義無線電技術(shù)。

　　眾所周知，在過去的20年內(nèi)，無線通信技術(shù)取得了空前的高速發(fā)展。而21世紀(jì)的來臨，又以第三代移動通信為代表，為無線通信的進一步大發(fā)展開辟了一個新天地。綜觀這20余年無線通信技術(shù)的發(fā)展，可以看到如下特點：

　　" 多址方式從頻分多址(FDMA)到時分多址(TDMA)，再進步到碼分多址(CDMA)；
　　" 每一代的技術(shù)均集中到相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)中，而標(biāo)準(zhǔn)的核心是無線傳輸技術(shù)(RTT)；
　　" 產(chǎn)品均按某一種特定的標(biāo)準(zhǔn)來開發(fā)和生產(chǎn)，并提供特定的服務(wù)；
　　" 產(chǎn)品的生產(chǎn)都依靠專用芯片，技術(shù)均固化在專用芯片內(nèi)。

　　通過近20年的發(fā)展，移動通信已成為通信領(lǐng)域最活躍，市場份額最高的部分產(chǎn)業(yè)，也成為國際上市場競爭最激烈的部分。

　　但是，此傳統(tǒng)的思路和產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)方式，已表現(xiàn)出不少問題，譬如：

　　" 產(chǎn)品是針對特定的標(biāo)準(zhǔn)中一個版本來開發(fā)和制造的。當(dāng)新技術(shù)出現(xiàn)或版本升級或提供新業(yè)務(wù)時，只能開發(fā)新的專用芯片，制造新一代的設(shè)備。其結(jié)果不是限制了新技術(shù)和新業(yè)務(wù)的使用，就是給制造商、運營商帶來更大的投資風(fēng)險，給用戶帶來諸多不便；

　　" 用此傳統(tǒng)思路，必然要求全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但又難以實現(xiàn)。由于各國的經(jīng)濟利益，全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)幾乎是不可能的，反之，標(biāo)準(zhǔn)的種類還在不斷增加。這樣，造成頻率的分配、管理更為困難，需要的頻率資源增加，多頻多模手持機制造困難，成本增加，而什么時候能實行真正意義的全球漫游，誰也說不清楚；

　　" 現(xiàn)代技術(shù)進步越來越快，在第三代移動通信還沒有正式商用前，ITU已經(jīng)在考慮由于技術(shù)進步所不得不進行的標(biāo)準(zhǔn)更新問題。由于前述原因，僅僅是標(biāo)準(zhǔn)升級和更新的程序就很難通過。這也在一定程度上影響了第三代移動通信設(shè)備的開發(fā)與制造，特別表現(xiàn)在由于技術(shù)進步，導(dǎo)致用戶終端的開發(fā)(主要是專用芯片的開發(fā))進度緩慢，第三代移動通信投入商用的時間推遲。

　　面對此問題，國際上，主要是美國，已經(jīng)進行了大量的研究。典型的是麻省理工學(xué)院(MIT)的一個研究小組在征詢了大量無線通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)界專家后所得到的結(jié)論：77%的專家認為，"軟件定義無線電"(Software Defined Radio, 簡稱SDR)必將是一個解決全球無線通信需求的方案。1999年，美國FCC就開始組織有關(guān)專家對SDR進行研究；2000年3月，發(fā)表了一份文件[2]，對SDR的定義、要求和相關(guān)問題統(tǒng)一了認識，并倡導(dǎo)各公司和研究機構(gòu)開發(fā)此技術(shù)。在SDR論壇，發(fā)表了大量討論和見解[3]、[4]。2000年10月，美國代表團將它作為第三代后移動通信技術(shù)的發(fā)展方向，提交ITU-R WP8F會議并獲得通過[1]。

　　本文的主要目的就是根據(jù)國際上的討論和公開發(fā)表的信息，向讀者介紹下一時期國際上移動通信技術(shù)的這個發(fā)展方向，為通信主管部門、研究開發(fā)部門、運營商和制造商的決策提供參考。

2 SDR的定義和要求

　　在過去幾年，我們經(jīng)常談到軟件無線電(Software Radio, 簡稱SR)，其概念是對接收到的信號或準(zhǔn)備發(fā)射的信號在盡可能接近天線的地方實現(xiàn)數(shù)模(D/A)或模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，用軟件通過DSP、FPGA等可編程器件來實現(xiàn)硬件的功能。在通常意義上，軟件無線電是實現(xiàn)某種特定的無線通信設(shè)備的一種手段。

　　而SDR的概念則要深刻得多，它是一個系統(tǒng)和體系的概念。SDR的無線通信設(shè)備考慮的是一個系統(tǒng)，它必須具有可重新編程和可重構(gòu)的能力，使此設(shè)備可以使用于多種模式(標(biāo)準(zhǔn))、多個頻帶和多種功能。它不僅僅使用如軟件無線電中的可編程器件來實現(xiàn)基帶數(shù)字信號處理，還將對射頻及中頻的模擬電路進行編程和重構(gòu)。SDR將是無線通信領(lǐng)域內(nèi)一個革命性的概念。

　　目前人們對使用SDR的無線通信系統(tǒng)或設(shè)備，提出了如下的功能要求：

　　1． 重新編程及重新設(shè)定的能力；

　　" SDR設(shè)備可以被快速、簡便地重新編程及重新設(shè)定，以支持任意傳輸形式的應(yīng)用和在任何頻率上的傳輸或接收；

　　" 重新編程及重新設(shè)定能力可實現(xiàn)用同一設(shè)備支持不同蜂窩技術(shù)、個人通信系統(tǒng)和其他無線業(yè)務(wù)在世界范圍內(nèi)使用。

　　2． 提供并改變業(yè)務(wù)的能力

　　" 采用SDR設(shè)備，用戶不但可以支持傳統(tǒng)業(yè)務(wù)并且可以支持新業(yè)務(wù)；

　　" 空中下載軟件的概念可以保證用戶可獲得最新的業(yè)務(wù)服務(wù)。

　　3． 支持多標(biāo)準(zhǔn)的能力

　　" SDR能更好地體現(xiàn)"互操作性"這一概念，以支持多頻段及多標(biāo)準(zhǔn)工作的無線通信系統(tǒng)；

　　" 在公共安全和緊急事件處理部門，采用SDR技術(shù)支持多頻段通信；

　　" SDR能使無線運營商在基本不更換基站硬件的條件下，實現(xiàn)系統(tǒng)的版本更新、標(biāo)準(zhǔn)更新及升級換代。通過軟件來定義出一個新的無線通信系統(tǒng)。

　　4． 智能化頻譜利用

　　" SDR可提高頻譜利用率和頻率共享，可以靈活地接入到新頻段；
　　" SDR設(shè)備具有"智能"功能，它可以監(jiān)測其他設(shè)備使用的頻譜，并在空閑頻段上進行傳輸；
　　" SDR可以大大降低頻率分配的困難和頻率分配的風(fēng)險。

　　總地說來，SDR是一個全新的，實現(xiàn)未來移動通信設(shè)備的概念和體系結(jié)構(gòu)。它本身并不是一種孤立的技術(shù)，而是為所有新技術(shù)使用的公共平臺。[!--empirenews.page--]

3 SDR所帶來的優(yōu)勢

　　使用SDR概念來設(shè)計和實現(xiàn)下一代的無線通信系統(tǒng)和設(shè)備，與傳統(tǒng)的產(chǎn)品和設(shè)備相比較，具有明顯的優(yōu)勢。它將使得從技術(shù)研究開發(fā)，到設(shè)備制造商，到電信運營商，到每個無線通信最終用戶都受益。

　　3.1 對技術(shù)和產(chǎn)品的研究開發(fā)

傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)只對單一的標(biāo)準(zhǔn)進行產(chǎn)品開發(fā)，從標(biāo)準(zhǔn)相對穩(wěn)定到設(shè)計和開發(fā)專用芯片，再到產(chǎn)品設(shè)計和實現(xiàn)是一個以年為單位的過程，開發(fā)周期長，開發(fā)成本高。上述情況導(dǎo)致在標(biāo)準(zhǔn)制定進程中，大多數(shù)新技術(shù)不能被應(yīng)用，限制了新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，導(dǎo)致商用產(chǎn)品和當(dāng)時技術(shù)水平的巨大差異。
SDR將提供一個新概念和通用無線通信平臺，在此平臺上，可能基于軟件來實現(xiàn)新業(yè)務(wù)和使用新技術(shù)，大大降低了開發(fā)成本和周期，使產(chǎn)品能跟上技術(shù)發(fā)展的水平。
未來的新業(yè)務(wù)將由用戶來開發(fā)，只有使用SDR的概念，才可能讓用戶像使用PC一樣，用SDR設(shè)備去開發(fā)所需的新業(yè)務(wù)。

　　3.2 對制造商

　　隨著技術(shù)的進步，目前無線通信產(chǎn)品的生命周期越來越短，因此針對單一產(chǎn)品線的投資風(fēng)險很大。這要求移動通信設(shè)備制造商有強大的技術(shù)開發(fā)和技術(shù)支持能力，大大增加了產(chǎn)品成本。即便如此，任何在決策上，管理上，市場上的失敗都會導(dǎo)致投資的巨大損失。

　　SDR是基于產(chǎn)品的，基于SDR產(chǎn)品的生產(chǎn)將：

　　- 比傳統(tǒng)產(chǎn)品原材料成本低；
　　- 產(chǎn)品壽命長，意味著投資風(fēng)險低；
　　- 由于它簡單化及標(biāo)準(zhǔn)化硬件使得產(chǎn)品容易生產(chǎn)。

　　因此，制造商生產(chǎn)基于SDR技術(shù)的產(chǎn)品，可得到遠大于生產(chǎn)傳統(tǒng)產(chǎn)品的效益。

　　3.3 運營商

　　移動通信網(wǎng)建設(shè)需要巨大投資，同時具有很大風(fēng)險性。如我國現(xiàn)今一方面由于市場需求，GSM網(wǎng)絡(luò)迅速擴容，增加GPRS設(shè)備；另一方面又面臨第三代移動通信即將到來的時期，制定一個成功的投資戰(zhàn)略極為困難。在下階段又將考慮在第三代移動通信的多種標(biāo)準(zhǔn)中如何選擇，也有很大的投資風(fēng)險。

　　而基于SDR技術(shù)的產(chǎn)品將為運營商帶來利益，它表現(xiàn)在：

　　- 比傳統(tǒng)產(chǎn)品成本低；
　　- 投資風(fēng)險低，同一基站目前可以工作于GSM網(wǎng)絡(luò)，通過軟件升級可提供GPRS業(yè)務(wù)，再升級可工作于任何一個第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)；
　　- 真正意義上的平滑過渡使得系統(tǒng)設(shè)備的壽命延長；
　　- 為提供新業(yè)務(wù)提供了靈活方便的硬件平臺。

　　顯然，SDR將給運營商帶來比傳統(tǒng)產(chǎn)品更多的利潤。

　　3.4 對最終用戶

　　基于SDR技術(shù)用戶的設(shè)備，則是要為用戶提供一個通用的終端設(shè)備平臺。它應(yīng)當(dāng)能支持多達5~8種國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)，而且可以通過空間加載軟件技術(shù)達到用戶設(shè)備升級的目的。只有這樣，用戶才不需要關(guān)心他所在的地區(qū)和運營商的問題而實現(xiàn)真正意義的全世界漫游。用戶也才有可能獲得他所希望得到的新業(yè)務(wù)。

4 SDR技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)

　　目前，很多國際上的研究單位和公司都在關(guān)心和研究SDR技術(shù)。但不同公司對SDR技術(shù)的未來仍然有不同的看法：多數(shù)歐洲公司認為它將在2008年后廣泛使用，一些美國公司認為可能在2005年開始廣泛應(yīng)用，而少數(shù)小規(guī)模的高技術(shù)公司則在為2002-2003年推出初期SDR無線通信產(chǎn)品(基站和用戶終端)而努力。到底SDR技術(shù)中有哪些挑戰(zhàn)，有哪些關(guān)鍵技術(shù)問題，造成人們對此技術(shù)的廣泛應(yīng)用前景有如此大的差異？本節(jié)中將對此作一個簡單分析。

　　4.1 體系和結(jié)構(gòu)

　　SDR體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特性：

　　- 靈活性：處理多模式、多頻帶、多標(biāo)準(zhǔn)等的可能性；
　　- 可升級性：必須兼容現(xiàn)有主要標(biāo)準(zhǔn)并有向未來可能考慮到的標(biāo)準(zhǔn)升級的能力；
　　- 可擴充性：有在設(shè)備功能、業(yè)務(wù)、容量等方面定量擴充的可能；
　　- 使用未來技術(shù)的可能性：此SDR設(shè)備應(yīng)盡可能使用目前已在開發(fā)，未來可能應(yīng)用的新技術(shù)。

　　目前，人們認為SDR的體系結(jié)構(gòu)是一個通用的硬件平臺。其構(gòu)成應(yīng)包括如圖1所示的各基本單元。下面，對其主要單元予以說明：

　　" 收發(fā)天線及饋線：為了使用智能天線技術(shù)，它們均應(yīng)當(dāng)是由多只天線單元組成的天線陣。其輻射圖形將由基帶數(shù)字信號處理來控制；

　　" 射頻發(fā)射機：由通用平臺和多只射頻發(fā)射機模塊組成。其工作頻率范圍應(yīng)當(dāng)足夠?qū)?，并用?shù)字頻率合成技術(shù)來設(shè)置。對每種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)能多載波工作。此發(fā)射機還包括多只高功率放大器。所有發(fā)射機均應(yīng)當(dāng)具有高線性，可以用數(shù)字預(yù)失真等技術(shù)來解決自適應(yīng)非線性補償?shù)葐栴}；

　　" 射頻接收機：由通用平臺和多只射頻接收機模塊組成。其工作頻率范圍應(yīng)當(dāng)足夠?qū)挘⒂脭?shù)字頻率合成技術(shù)來設(shè)置。對每種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)能多載波工作；[!--empirenews.page--]

　　" 高速數(shù)字鏈路：射頻和基帶平臺之間的鏈路是多條高速數(shù)字鏈路。為支持第二代和第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)，此鏈路上的數(shù)字信號傳輸速率將超過1~2Gbit/s這個總線結(jié)構(gòu)的設(shè)計直接關(guān)系到系統(tǒng)的成功；

　　" 通用基帶數(shù)字信號處理平臺：此平臺由多種相同或不同的數(shù)字電路板所組成，其數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)容量決定，是可以積木式擴容的。在每只電路板中，主要的器件是可編程、可設(shè)置的基帶數(shù)字信號處理電路。此平臺應(yīng)當(dāng)完成圖1中右面幾個單元，諸如接口、信息應(yīng)用及控制等功能。

　　" 多種軟件包：在此平臺建立起來后，大量的技術(shù)和內(nèi)容就是各種軟件，它們將包括：

　　- 控制軟件包：如對基站進行配置、設(shè)置、管理等的軟件；
　　- 物理層軟件包：對每一種標(biāo)準(zhǔn)和制式將有其物理層軟件；
　　- 高層軟件：分別對每一種標(biāo)準(zhǔn)和制式；
　　- 系統(tǒng)接口軟件：對多種接口要求。

　　這些軟件都將存放在基帶數(shù)字信號處理平臺中，或通過網(wǎng)絡(luò)加載進來。

圖1 SDR結(jié)構(gòu)的基本單元
Figure 1 Basic Elements of the SDR Architecture

　　4.2 寬帶可編程、可配置的射頻和中頻技術(shù)

　　目前的無線通信標(biāo)準(zhǔn)中，每個載波的帶寬從25kHz (TACS)到5MHz (WCDMA)；工作頻段從800MHz 到3GHz；在射頻接收和發(fā)射各方面都有不同的技術(shù)指標(biāo)。這對SDR多模式設(shè)備來說是最具有挑戰(zhàn)性的工作。其主要問題是：

　　- 寬帶工作的問題。目前射頻元器件的水平還只能支持20%左右的帶寬，故在初期的SDR設(shè)備中，在支持多標(biāo)準(zhǔn)時還可能要求更換射頻模塊；

　　- 模擬電路的可編程和可配置問題。模擬電路是技術(shù)進展最緩慢的部分，故在目前設(shè)計SDR設(shè)備時，都盡可能降低對模擬電路進行編程的要求，而廣泛采用中頻(數(shù)字中頻)技術(shù)。

　　4.3 智能天線技術(shù)

　　對未來的無線通信設(shè)備，特別是基站設(shè)備，不論工作于TDD或FDD雙工方式，都必須基于智能天線才可能提供更高的頻譜效率。對SDR基站設(shè)備，使用智能天線技術(shù)于所有所支持的模式也是一個挑戰(zhàn)。

　　4.4 基帶處理平臺

　　從技術(shù)核心到實現(xiàn)可編程和可配置等方面，任何無線通信標(biāo)準(zhǔn)的核心是其RTT中的物理層技術(shù)。隨著技術(shù)的進步，數(shù)字信號處理技術(shù)的復(fù)雜性越來越高，也就要求基帶處理平臺的能力越來越強。目前，能用軟件實現(xiàn)數(shù)字信號處理的器件主要是數(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)兩大類。前者已達到數(shù)千MIPS的能力；而后者已超過百萬門。以上兩種器件各有其特點，分別適用于處理不同的問題和算法。一個重要的發(fā)展方向是將兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，用并行處理的技術(shù)，在不無限提高主頻的前提下將處理能力提高到上萬MIPS，同時還具有快速編程和配置的能力：即所謂"超級并行處理器"(Re-configurable Processor, RCP)。

　　對用戶終端來說，其基帶處理平臺將主要由MCU和RCP構(gòu)成。在終端設(shè)備中，除要求強大的處理能力外，還要求低功耗，這也要依靠微電子近年的進展來保證。

　　4.5 準(zhǔn)制式的接口

　　對無線基站，不同標(biāo)準(zhǔn)和體制有不同的網(wǎng)絡(luò)接口，如GSM的Abis，3GPP的Iub，等等。其物理層和高層都不相同。在SDR基站中，必須要支持這些不同的接口要求，并通過重新編程和配置來解決。

　　4.6 業(yè)務(wù)問題

　　用戶終端的新業(yè)務(wù)可以通過空間軟件加載方式由運營商提供，但目前空間加載的技術(shù)仍需完善；由用戶自己創(chuàng)建自己需要的業(yè)務(wù)則更是一個理想，還有很長的路要走。

5 小結(jié)

　　本文對近來國際上，主要是美國在面對移動通信發(fā)展的挑戰(zhàn)，在軟件定義無線電(SDR)技術(shù)方面的動向作了簡單的介紹。從本文的介紹可以得到如下結(jié)論：

　　1． 在無線設(shè)備(基站和用戶終端)的實現(xiàn)技術(shù)方面，最活躍的是軟件定義無線電。它為新一代產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)提出了革命性的前景。再經(jīng)過幾年的努力，無線通信產(chǎn)品市場中最具有競爭力的產(chǎn)品必然是用軟件定義無線電的概念，具有多模式的基站和用戶終端。此發(fā)展方向已經(jīng)非常明確了，唯一未知的是出現(xiàn)在市場上的時間。

　　2． 軟件定義無線電的實現(xiàn)還必須克服大量技術(shù)上的困難和建立一套完整的體系結(jié)構(gòu)。相對來說，在微電子和基帶數(shù)字信號處理等方面的困難要容易克服一些，而體系結(jié)構(gòu)和射頻技術(shù)方面的困難要大得多。但在1~2年內(nèi)，我們將會看到這方面的突破。

　　3． 我國提出的TD-SCDMA 無線傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是唯一明確將智能天線和高速數(shù)字調(diào)制技術(shù)設(shè)計在標(biāo)準(zhǔn)中，明確用軟件無線電技術(shù)來實施的標(biāo)準(zhǔn)。可以說，TD-SCDMA技術(shù)在一定程度上代表了國際上移動通信無線傳輸技術(shù)的發(fā)展方向。另一方面，TD-SCDMA技術(shù)也是比較方便用軟件定義無線電來實現(xiàn)的技術(shù)。