软件无线电全球发展动态及技术挑战

    软件无线电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，并将在下个世纪形成和计算机及程控交换相当的巨大产业。

 

    从软件无线电技术的实现看，决定性的步骤在于将A/D和D/A变换器尽量向射频端靠拢，应用宽带天线和多频段天线，并将整个中频信号作A/D变换，这之后整个处理都用通用可编程数字器件特别是软件来实现。这样一个体系具有非常大的通用性，可用来实现多频段、多用户和多体制的通用移动通信系统。所以下个世纪个人通信系统将很可能是一个具有惊人处理能力和标准射频接口的通用硬件平台，依靠不同软件提供异常丰富的功能和业务，所以软件无线电被称为“通信世界里的PC（个人计算机）”，也就是说通信领域将经历与PC在八、九十年代所经历的变革。

 

    以美国为代表的西方国家对软件无线电技术的发展非常重视。尽管最初的应用背景主要还是军事方面，但在过去5年间，软件无线电已从军事研究脱颖而出，成为经济的、应用广泛的、全球通信的3G的战略基础。

 

 

 

    软件无线电是70年代后期首次在美国提出的。在美国1992年开始介绍SWR在军事技术上的应用。美国国防远景规划局（DARPA）的易通话第一期的发起人于1995年对软件无线电在军事通信的应用进行了全面的介绍。易通话第二期有力地促进了创立于1996年3月的模块化多功能信息传输系统（MMITS）论坛的发展。MMITS论坛致力于支持开发和使用先进的无线系统开放式结构，最近MMITS论坛重新定义为SDR论坛，标志着软件无线电开放结构标准从侧重军用向侧重商用的转变。该论坛的主要目标是：

（1）.在不同网络、多个标准和技术方案环境中实现各种功能的无缝综合；

（2）.加速软件无线电系统的扩展；

（3）.推进无线开放式结构的采用；

（4）.提高多功能系统的灵活性；

（5）.确保满足当前和未来用户在话音、数据、图像、多媒体等方面的需求。目前MMITS的全球参与者包括：法国的Alcatel、瑞典的Ericsson、日本的Keio University、英国的Motorola、芬兰的Nokia、德国的Rhode and Schwarz、南朝鲜的Samsung Electronics和德国的Siemens等。

 

    美国除了成功研制出易通话多功能多频段电台外，美国麻省理工学院计算机科学实验室Spectrum Ware项目从通用计算机实现软件无线电的角度出发，引入了更多的软件成分，提出并试图实现“虚拟”无线电。Motorola等公司对软件无线电的基站进行了深入的研究，同时美国Airnet公司已研制出可灵活配置的基站。

 

    随着欧洲委员会于1997年5月在布鲁塞尔成立软件无线电专题研究组，欧洲个人通信产业中软件无线电的前景已明朗了许多。在此之前，产业界已对软件无线电进行调研，并在一定范围内对软件无线电进行试验。在此之前，实现软件终端的数字信号处理（DSP）和无线射频（RF）技术的快速发展潜力在欧洲一直备受争论。

 

    随后布鲁塞尔专题研究组根据第三代ACTS（先进通信技术和业务）移动通信委员会要求，于1998年6月在希腊的Rhodes举行了第一届国际软件无线电研讨会。大量相关的泛欧研究项目已在欧洲委员会的ACTS计划中着手进行。欧洲共同体在欧洲先进通信和ACTS项目的研发中，资助软件无线电的预先竞争。欧洲委员会目前正把软件无线电技术作为重要的研发项目。

 

    亚洲有关软件无线电的研究直到1998年4月，日本Keio大学成立第一个亚洲专题组才广泛开展。但其研究的深度和广度与欧美相比，还存在着一定的差距。

 

 

    美国和欧洲有关软件无线电工作的方向和急切程度反映了非常不同的市场情况。在欧洲7年前才起动的GSM数字蜂窝移动通信系统发展非常迅速，所以目前欧洲人对于PC和话音电话业务的无线接入已非常容易和方便。当他们跨越整个欧洲和世界的大部分国家时，漫游已不成问题。

 

    相反，近年北美经历了从模拟到多种数字标准的转变。因此未来几年软件定义的多模式手机存在明显的需求。对于软件基站，北美也认为存在类似机会，它既能支持模拟的AMPS也能支持新的数字标准。然而值得注意的是，软件无线电在应用市场中还未取得成功。另外，美国由于个人通信业务（PCS）已占用分配给3G的频谱，所以迄今为止除了参与知识产权（IPR）争议外，美国的3G还处于初级阶段。

欧洲对多模式手机和基站的需求较不紧迫。由于GSM900/1800双频移动电话在今后两年将成为市场标准，该产品的需求是由于欧洲为GSM分配了双频段所驱动的。然而这种需求真正影响的只是RF，而不是软件无线电。双模DECT/GSM产品的需求已降低，在任何情况下，这个市场与蜂窝市场相比都比较小。

 

    3G标准和支持移动多媒体业务的通用移动通信系统（UMTS）的出现已成为欧洲软件无线电的商用驱动力。从基站的前景看，软件无线电可为基础设施提供从GSM向UMTS发展的手段；从手机的前景看，软件无线电可为制造商提供3G手机在UMTS还无法延伸到区域软切可换到GSM的潜力，同时它也允许制造商在UMTS不同发展阶段寻找区域市场。

 

    这些区别预计导致商用软件无线电产品首先在北美出现，而欧洲更象为3G所需的更有能力和更强大的产品铺平道路。

 

 

 

    软件无线电的关键思想在于：1）.将A/D/A尽量靠近天线；2）.用软件实现尽可能多的功能。可以说除了上述两点关键思想被普遍接受以外，其它方面的内容都在争论和探讨中。所以目前国际上软件无线电更多的是以一种概念和假想的形式出现，具体的定义和体系结构尚无定论。

 

    理想的SWR是多频段多模式电台，这种电台的动态能力完全由包括物理层的各层协议栈软件来定义。这种理想的技术的更合理名称应是“数字式可编程无线电”。数字式可编程无线电也用ADC对天线上的信号或中频信号进行数字化，但数字化后的数据不是只靠软件进行处理，而是利用各种灵活的可再配置的ASIC和通用数字信号处理器（DSP）来缩减系统功耗、体积和成本。这些ASIC是可编程的，可以针对不同频道的特性和调制方式进行调节。具体的实施方案包括ASIC或现场可编程门阵列（FPGA），它们比完全灵活的DSP实施方案更为经济。软件无线电的实际定义包括那些含有一套预先定义的硬件模块（如ASIC或FPGA）的无线电。这些模块必须可以通过软件进行选择，用作几种不同系统的公用硬件。因此，今天的实用软件无线电是把一些挑选出来的功能交由集成电路去完成，但又得保持足够灵活性，以便根据各种不同的标准对其重新进行配置。

 

    目前国外正在研究如何实现软件的Plug&Play, 并提出了基于JAVA/CORBA的软件协议和标准（Common Object Request Broker Architecture, 公共对象请求代理体系结构）。该标准是由面向对象管理集团（OMG）制定的。它的思想是在“软件总线”的基础上，建立一个开放、易用的体系结构。所谓“软件总线”与通常的“硬件总线”类似，就是将应用模块插入按标准做成总线即可实现集成运行，从而支持分布式的计算环境。这种设计思想与软件系统中软件的可重用性是一致的。

 

    面向对象结构可以方便地描述软件无线电的实现方法，每一个功能块对应一个类函数。例如第三代移动因特网业务，可通过业务和网络支持库的现有因特网协议（IP）栈与来自信道编解码库的3G IF调制解调器相混合设计。3G的移动分类可通过在Java虚拟装置上执行的程序语言实现。这种扩展的观点体现了SWR概念从理想的纯理论抽象到实际应用体制的发展，商用产品正引导SWR朝这个方向发展。

软件无线电的产业化要求综合兼容的硬件、微程序语言和软件模块，最近国外提出“分层虚拟机”的参考模型，通过“分层虚拟机”参考模型，软件无线电将这些模块组织起来，促进产业化。分层虚拟机使软件无线电的每一功能的实现层次和手机的每一模式结合起来，层越少意味着调用手机的特定资源的运算效率越高。

 

 

(1).低功耗、小型化技术

 

    到目前为止，软件无线电手机除了受技术制约以外，还受到功耗、体积和成本的制约。美军的易通话第二期工程样机接收功耗高达60瓦。所以降低功耗、减少体积是软件无线电手机必须逾越的难关。

目前的电源管理DSP芯片由DSP ISA为ASIC核的ASIC构成。软件无线电可控制话音和数据通信的短工作周期，使手机有更长的休眠模式或时间。寻呼信息的定时结构减少了错误概率，进一步保存了电池寿命。

 

(2).高速A/D和DSP数字处理

 

    AD变换和DA变换技术始终是软件无线电手机的瓶颈，近期内满足2000MHz频段采样的AD芯片尚无法实现，即使能生产其功耗、价格也无法解决，因此从信号分析的角度研究采样方法是可取的。

从采样频率出发，人们把采样分为过采样、奈奎思特采样和欠采样，由于软件无线手机接收的信号相对其覆盖频率而言是窄带的，因此，欠采样应是软件无线电手机最有前途的研究方向。

DSP数字信号处理技术是软件无线电手机的基础。从“易通话”第二期工程的设计看，未来的软件无线电台将越来越依赖数字信号处理技术的发展，但目前尽管低功耗DSP、超强功能DSP发展迅速，但DSP在速度、功耗上的现状仍然是制约软件无线电手机发展的关键。

DSP的另一研究内容就是软件，软件是软件无线电手机的核心。在目前DSP不能满足软件无线电手机设计要求的情况下，开发DSP的数字信号处理软件应是软件无线电手机的主攻方向。这其中包括各种FFT算法，调制解调、信源编码、信号编码等各种通信软件，也包括方式控制、信号控制和数据交换软件。

 

(3).时钟的产生与分配

 

    时钟的产生和分配会消耗大部分手机电源，特别是多模式SWR手机必须对所支持的每一标准产生几个不同的时钟速率，每一标准的参考晶振增加元器件数量、复杂性和由此产生的成本。手机总的损耗功率约与时钟速率的平方成正比，而第二代手机W-CDMA、GSM的主时钟速率较高，这种高速主时钟的不实用性表明第二代手机的局限性。因此需要采用低功耗SWR手机时钟的新技术以便在多标准手机的软件中产生纯频谱的信号。对3G时钟的选择非常重要，它既可将多模式手机的成本减少到大量市场可接受的水平，或将3G降到小的高端市场的位置。

 

(4).接收机结构

 

    接收机的复杂性一般是发射机复杂性的四倍或更多倍，因此接收机结构是影响手机成本的首要因素。直接变换接收机可将本振参考信号与RF信号混频后，直接产生基带信号，并可抑制超外差接收机的杂波信号。理想的SWR接收机使用宽带ADC接入IF，信道选择和转换到基带信号由可编程滤波器ASIC或FPGA码实现。但目前这种DSP和ADC非常耗电。所以松下公司已将其SWR手机发展计划制定为从现阶段的基带DSP开始的三个阶段。因此近期软件无线电手机的接收机还将采用软件包括IF处理的超外差式。但由于直接变换可实现便携低成本手机的收发信机，且可兼容多种标准，所以最近几年直接变换原理又开始受到重视。

 

(5).手机生产

 

    批量生产手机的成本几乎与零件成本成正比。最近的微电子机械系统（MEMS）技术使用三维微切削加工将元器件集成到半导体基片上，MEMS器件包括400个微RF开关，这些开关的体积是传统的PIN二极管RF开关的1/1000，平均功率不到传统RF开关的1/100。悬臂梁滤波器的质量因子（Q）已高达80000。另外，镍MEMS器件不需熔化可被装配到现有CMOS芯片上。设置MEMS器件调谐频率的机械结构本身可变，通过微驱动器设置到指定的数值。除了产品元件的微调参数，这种微驱动器还具有满足未来SDR可编程特性的足够的动态范围和机械寿命。

 

 

    灵活综合无线电系统和技术（FIRST）和ACTS计划的FRAMES项目已对使用原型SWR的下一代空中接口进行调研。ADC性能的缺陷是基站SWR的经济制约。基站应用所需的并行数字信道的数量取决于已知带宽上ADC的有效动态范围（分辩率精确度）。基站的成本与RF-ADC信道的数量成正比。因此ADC技术将是具有真正全球化能力的SWR基站的主要技术挑战。

 

    软件无线电基站的开发动力可能会促使第三代系统的出现。但运营公司已在第一代和第二代无线系统中投入大量的投资，因此，至少从目前来说，运营公司在不久的将来不愿意考虑部署软件无线电网络。预计，全世界的移动通信制造商都把软件无线电看作是很久以后才能实现的机遇，它们将把重点放在市场活力大的变种软件无线电上。这种实用的态度导致数字式可编程无线电的研制，这种无线电实现了第二代系统向第三代系统的跨越。

 

    软件无线电正处于艰难的诞生阶段。它的萌芽包括军用的低RF频段、控制可编程滤波器ASIC和基带DSP。然而它的近期经济性取决于3G的发展。一些技术挑战是由于无法实现跨越世界各地区的空中接口规范化而产生的；另一些技术挑战是由于电源损耗、时钟速率、动态范围和线性技术的局限性产生的。随着时间的推移，这两方面都会产生先进的ADC、DSP、ASIC、FPGA和软件技术。成功的关键是通过开放标准控制软件无线电的发展进程。

 

 

    由于受到基础产业和元器件的制约，发展我国新一代无线电系统只能走系统集成和专题配套相结合的道路。一方面，在系统控制、软件和模块设计上下功夫，明确软件无线电的发展方向、目标和应用前景，以需求为牵引推动软件无线电的发展；另一方面，安排国内的元器件单位开展配套元器件的研究。同时利用市面上已有的国外元器件，如DSP、高速AD、DA等国内尚不具备研制基础的元器件为我所用，加快软件无线电系统的研究进度。

 

 

    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相结合，是一个中长期的研究项目，需要很强的综合实力。采用什么样的体系结构对于发展我国的软件无线电非常重要，这包括两个层次。一是系统的总体结构，不仅要考虑目前的实现，还要考虑到长远的发展，不然很可能使得软件无线电成为众多“标准”之后的又一种，甚至是出现多种互不兼容的软件无线电“标准”，而不是将这些现有的标准统一起来。另一个层次是子系统的设计，我们认为关键的部分是RF端设计和计算机体系结构设计。

 

    系统总体涉及的主要技术应包括：系统的功能定义、模块划分、接口标准、总线定义、软件平台的选择和实际应用的模拟。

 

 

    软件无线电技术涉及当今电子、计算机和通信技术的最新成果，尽管我国在“九五”就开始跟踪研究，但受总体技术和配套元器件的制约。应该承认我国在软件无线电领域和欧美相比存在着一定的差距，不可能在近期解决软件无线电的全部问题，有必要选择关键技术实施突破。

(1).多信道数据交换技术；

(2).高速数字信号处理技术；

(3).系统软件设计技术；

(4).宽带射频和模块化技术；

(5).高速AD/DA技术；

(6).嵌入式开放系统控制技术；

(7).多媒体业务。

 

 

    目前我国软件无线电的开发与研制基本是依靠国外的元器件，主要原因一方面是受国内基础电子工业技术水平的限制，国内目前尚不具备研制和生产高速AD、DSP、CPU芯片的能力；另一方面则是元器件配套未能跟上，所以建议未来我国部分软件无线电台的配套器件如电调滤波器、宽带中频放大器、功率放大器模块等相关模块和整机一起配套研制。