軟件無(wú)線(xiàn)電和重配置技術(shù)

　　在九十年代初，軟件無(wú)線(xiàn)電成為移動(dòng)通信中的一個(gè)熱點(diǎn)，當時(shí)許多人把該技術(shù)看作是現代多模/多頻帶移動(dòng)終端所要求的復雜的RF(射頻)和IF(中頻)處理問(wèn)題的解決方案。今天，軟件無(wú)線(xiàn)電更是被視作在設計、生產(chǎn)和使用等所有階段中可重配置終端的技術(shù)。

　　本文介紹了軟件無(wú)線(xiàn)電和可重配置技術(shù)的概念。提供終端可重配置協(xié)議棧的概念就如同軟件下載的概念一樣，會(huì )在3G和將來(lái)的4G標準中被采用。

一、軟件無(wú)線(xiàn)電概述

　　軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)(Software Radio Technology)是近年來(lái)隨著(zhù)微電子及計算機技術(shù)高速發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，相對于傳統的基于ASIC的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，它具有靈活性、通用性強和升級方便等特點(diǎn)。它的技術(shù)核心是隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步和芯片處理速度的不斷提高，而使得在DSP芯片或通用CPU芯片平臺上，利用軟件來(lái)完成以前用ASIC實(shí)現的多種數字信號處理的功能。

　　但是由于受寬帶天線(xiàn)、高速A/D及DSP等技術(shù)水平的限制，實(shí)現一個(gè)理想的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺的條件目前還不具備。因此，現在對軟件無(wú)線(xiàn)電的研究一方面集中在上述關(guān)鍵技術(shù)的研究上，另一方面更多的是在現有的技術(shù)條件下，研究如何最大程度地實(shí)現軟件無(wú)線(xiàn)電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設計思想體現到具體的應用實(shí)踐中。

二、實(shí)現軟件無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵技術(shù)

　　軟件無(wú)線(xiàn)電采用開(kāi)放式模塊化設計，使電臺業(yè)務(wù)功能與硬件平臺相對獨立，由此可帶來(lái)一系列的好處。但由于硬件水平的限制及體系結構理論尚待成熟，理想的軟件無(wú)線(xiàn)電還不可能馬上實(shí)現，實(shí)現軟件無(wú)線(xiàn)電的“瓶頸”包括：寬帶天線(xiàn)和射頻模塊、寬帶A/D變換、高速DSP器件等等。

　　1.寬帶天線(xiàn)和射頻模塊

　　軟件無(wú)線(xiàn)電臺可以在多頻段工作，必須應用寬帶、低損耗天線(xiàn)，美國已研究出幾個(gè)倍頻程的天線(xiàn)，但效率太低。射頻前端同樣需要很寬的頻率范圍，如低噪聲放大器、濾波、功放、AGC等，這在技術(shù)上不存在困難，市場(chǎng)上已有相關(guān)產(chǎn)品出現，如Mini Circuits公司的MAR系列寬帶低噪聲放大器就可滿(mǎn)足要求。

　　2.寬帶A/D變換

　　軟件無(wú)線(xiàn)電的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是將A/D變換盡可能地靠近天線(xiàn)，至少要對中頻進(jìn)行A/D變換，它要求A/D轉換器件具有較高的性能。評價(jià)A/D變換器性能的參數包括信噪比(SNR)、無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、互調失真(IMD)、采樣速率和采樣精度等，其中主要的兩項是采樣速率和采樣精度，一般用SNR來(lái)綜合表示這兩項指標，SNR可用下式計算：SNR=6.02B+l.76+101og10(fs/2fmax)(dB)，其中B為ADC的位數，fs表示采樣速率,fmax為輸入模擬信號的最高頻率。對于一個(gè)70MHz的中頻信號，若要求采樣精度達到l2位，SNR等于80dB，可以算出采樣速率為558MSPS。

　　3.高速DSP

　　軟件無(wú)線(xiàn)電是對整個(gè)工作頻段(25MHz左右)進(jìn)行數字化，中頻和基帶處理全部采用數字信號處理方式，實(shí)現軟件控制，它對DSP芯片的處理能力提出了很高的要求。以蜂窩移動(dòng)通信為例，系統頻帶為12.5MHz，采取過(guò)抽樣時(shí)的抽樣頻率為30.72MHz，采樣后的頻率變換、濾波、抽取等處理每個(gè)樣點(diǎn)至少進(jìn)行100次操作，則處理速率為3072MOPS。解決方法有兩種:一是用多個(gè)DSP芯片并行處理，Speakeasy I系統就是采用了這種方法，選用的是TI公司的Quad C40MCM芯片模塊，它由4片TMS32 C40及5Mbyte的RAM組成，達l100MIPS(16bit)和200MFL0PS(32bit)的處理速度，I/O速率為300Mbit/s。二是采用專(zhuān)門(mén)的可編程芯片，將中頻進(jìn)行下變頻，然后再進(jìn)行DSP處理。Harris公司的數字下變頻器(DDC)HSP500l6可完成從寬帶信號中提取有用信號的功能，其最大輸入速率為75MSPS(16bit)，通過(guò)編程可控制數據速率及數據輸出格式等。在目前來(lái)說(shuō)，采用DDC的軟件無(wú)線(xiàn)電系統是比較現實(shí)的，一旦DSP器件達到所需水平，就很容易過(guò)度到理想的軟件無(wú)線(xiàn)電系統。

三、軟件重配置

　　軟件重配置可提供漫游，低終端成本，動(dòng)態(tài)頻潛管理，固定錯誤，新特性，第三方加入，網(wǎng)絡(luò )運行的額外價(jià)值和個(gè)人化。開(kāi)放的軟件架構能允許終端成為可編程發(fā)信機以用于無(wú)線(xiàn)電、電視、家用網(wǎng)絡(luò )和辦公室，也就是固定移動(dòng)廣播集成。通過(guò)升級軟件實(shí)現重配置能適應將來(lái)革新和淘汰的快速循環(huán)周期。

　　下面列出了能通過(guò)下載新軟件而重配置的終端和集成電路平臺的主要益處：

　　1.減少不同模式的數量?？芍嘏渲眉夹g(shù)應該允許制造較少類(lèi)型的終端來(lái)支持不同技術(shù)標準。這使大規模終端制造朝低單位成本方向發(fā)展。

　　2.最后一分或延遲專(zhuān)用化。使用下載意味著(zhù)終端的最終配置應在部署之后，這樣增加了產(chǎn)品的功能，減少了任何產(chǎn)品召回或返回的可能性。

　　3.運行時(shí)應用。最終用戶(hù)應用像游戲等將位于將來(lái)終端上運行的下裁應用之首。

　　4.開(kāi)放平臺。如果引入了開(kāi)放平臺，那么第三方開(kāi)發(fā)商將能開(kāi)發(fā)終端的革新應用，能夠提高終端對最終用戶(hù)的吸引力。

　　下載軟件的缺點(diǎn)包括難以管理部署在現場(chǎng)的不同終端上的不同版本的軟件，以及如何保證其在所有用戶(hù)環(huán)境中的健壯性。

　　可重配置特性要求軟件無(wú)線(xiàn)電改變設計人員需要考慮的準則。由于純處理能力在當前的2G無(wú)線(xiàn)環(huán)境中占據主導地位，可編程功能也逐漸成為軟件無(wú)線(xiàn)電設計應用的焦點(diǎn)。

　　DSP和FPGA可輕易地進(jìn)行重配置，以實(shí)現軟件無(wú)線(xiàn)電設計的各種功能?，F有的通信ASIC雖然可以較低的成本提供更好的性能，但提供的可編程能力非常有限。

　　確定器件的處理功能可通過(guò)既支持W-CDMA也支持GSM的基站收發(fā)器結構來(lái)說(shuō)明。由于W-CDMA采用了擴頻通信技術(shù)，因此許多用戶(hù)可共享一條射頻(RF)信道。在上行鏈路l，920至l，980MHz之間和下行鏈路2，110至2，170MHz之間，W-CDMA信號在每條信道中占據5MHz的帶寬。

　　另一方面，在GSM系統的每條射頻信道中，窄帶TDMA技術(shù)一般只支持8個(gè)用戶(hù)。在上行鏈路890至915MHz之間和下行鏈路935至960MHz之間，窄帶TDMA的每條信道占據20OkHz帶寬。

　　為了在軟件無(wú)線(xiàn)電結構中有效地兼顧上述標準間的差異，中頻(IF)處理器的數字上行轉換器和下行轉換器都必須提供可編程的信道選擇、濾波器配置和采樣比調節。任何ASIC信號處理器件的使用都將給未來(lái)的升級帶來(lái)無(wú)法預料的風(fēng)險，因此中頻處理也必須使用FPGA或DSP器件。隨著(zhù)信號處理越來(lái)越多的來(lái)自數字中頻輸入，處理算法也變得越來(lái)越專(zhuān)業(yè)化，這限制了單個(gè)ASIC器件滿(mǎn)足所需可編程要求的能力，而FPGA或DSP實(shí)現則是一種更好的選擇。

四、下載新的空中接口

　　終端的最終軟件重配置被許多人看成是下載新的空中接口。提高功率和降低數字信號處理的成本將允許在移動(dòng)手機上使用可重配置基帶處理，這將逐步允許使用靈活的空中接口。

　　這將給消費者一個(gè)能與任何網(wǎng)絡(luò )協(xié)同工作的終端而不需要大幅度提高終端成本。這個(gè)設想也能使終端/IC制造商受益，因為它允許RF的制造和基帶處理器能適應所有可見(jiàn)的標準和市場(chǎng)。這種終端對最終用戶(hù)的主要好處之一是具有在許多不同空中接口標準間漫游的能力。制造空中接口重配置的終端需要三個(gè)關(guān)鍵要素

　　1.軟件無(wú)線(xiàn)電。盡可能多地用軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)現無(wú)線(xiàn)電處理。硬件重配置是可能的，但是通常比軟件實(shí)現要更大的成本。

　　2.標準。在新空中接口標準上運行的終端重配置將需要標準化協(xié)議，以用于傳輸、認證和下載軟件。

　　3.軟件架構。終端內的軟件架構要么在不工作的狀態(tài)下能完全改變，要么以如下方式構建，即協(xié)議軟件的關(guān)鍵部分能容易地改變而對終端成本的影響不大。

　　使用SDR提供第三代能力的終端將在大約3年內投入商業(yè)運用。列終端制造商的關(guān)鍵益處是SDR技術(shù)將允許使用一種硬件和軟件架構平臺來(lái)適應全世界的市場(chǎng)。SDR論壇對SDR終端市場(chǎng)的大小作了估計，認為到2005年將大約為一億三千萬(wàn)手持設備。
五、未來(lái)的標準

　　移動(dòng)通信技術(shù)不斷進(jìn)步，為移動(dòng)用戶(hù)提供更大的帶寬和許多不同業(yè)務(wù)。GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的一種可能的進(jìn)化路徑是從以話(huà)音業(yè)務(wù)為主的GSM進(jìn)化成為具有為用戶(hù)提供高帶寬的許多業(yè)務(wù)可能性的能力的3G(UMTS)標準。GSH的進(jìn)化由使用GSM標準擴展而引發(fā)；HSCSD(高速電路交換)和GPRS(通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù))都能提供高數據率。后者還提供分組數據能力。

　　軟件下載的一種可能的進(jìn)化路徑是：使用SIM應用工具包(STK)的簡(jiǎn)單菜單下載，然后WAP(無(wú)線(xiàn)應用協(xié)議)允許更復雜的下載，然后WAP（無(wú)線(xiàn)應用協(xié)議）允許更復雜的下載，之后是兩個(gè)MEXE(移動(dòng)站應用執行環(huán)境)標準用于下載應用。MEXE基于WAP,MEXE-2基于個(gè)人JAVA。最后，通過(guò)下載實(shí)現完全動(dòng)態(tài)重配置。做到這一點(diǎn)的新標準正由3GPP TSGT2/SWG/(MEXE)開(kāi)發(fā)。由于要增加可重配置的能力，我們需要新的標準形式。將來(lái)我們將從固定的標準移到靈活的標準，做到這一點(diǎn)的挑戰是如何選擇依舊維持著(zhù)多廠(chǎng)商的操作系統。如果下載發(fā)生于良好定義的軟件架構中，這是可能的；

　　目前來(lái)看，3G或UMTS終端的作用是為操作具有提供許多不同業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)應用數據流功能的移動(dòng)終端提供便利。使用低層協(xié)議重配置將增加終端匹配應用所要求的Qos的能力。

　　重配置技術(shù)和軟件下載的使用將促進(jìn)4G終端的發(fā)展，它將為特殊的應用提供許多不同的空中接口的最優(yōu)化配置。

　　因為下裁軟件的重配置能力，4G終端有望實(shí)現多模、多業(yè)務(wù)和多標準。完全的軟件重配置也將允許發(fā)展新的基站和網(wǎng)絡(luò )基礎設施，那將能動(dòng)態(tài)適應不同流量狀況，使可提供給操作者的有限資源(頻譜和帶寬)的使用效率最大化。

六、結論

　　在將來(lái)，通過(guò)使用軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)現的低層重配置技術(shù)，終端將會(huì )在終端硬件的限制范圍內具有下載新空中接口和運行新通信標準的能力。