移动通信结课论文软件无线电

现代无线通信技术
——软件无线电
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学院：电子信息工程学院
专业：电子信息工程
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随着移动通信的发展，一种基于软件定义而非通过硬连线实现的无线通信协议——软件无线电越来越受到人们的重视。

软件无线电采用开放式总线结构，以高速度的可编程器件为依托，使用宽带/多频段天线、宽带A/D转换等关键技术，通过软件编程来代替复杂的物理设备，实现多种通信制式下的相互通信，在第三代移动通信系统中得到了广泛的应用，具有很好的发展前景。

关键词：软件无线电总线结构关键技术软件编程应用发展前景
随着移动通信的发展，从20世纪90年代初开始，软件无线电（Software Radio，SWR）的概念开始广泛流行起来。

由于多种数字无线通信标准共存，如GSM、CDMA－IS95等，每一种制式对其手机都有不同的要求，不同制式间的手机无法互连互通。

为了解决这个问题，软件无线电方案提出将2MHz～2000MHz的空中信号全部收下来进行抽样、量化，转化成数字信号用软件处理。

换句话说，就是把空中所有可能存在的无线通信信号全部收下来进行数字化处理，从而与任何一种无线通信标准的基站进行通信。

从理论上说，使用软件无线电技术的手机与任何一种无线通信制式都兼容。

虽然在理论上软件无线电有良好的应用前景，但在实际应用时，它需要极高速的软、硬件处理能力。

由于硬件工艺水平的限制，直到今天，纯粹的软件无线电概念也没有在实际产品中得到广泛的应用。

但一种基于软件无线电概念基础上的软件定义无线电技术却越来越受到人们的重视。

软件定义的无线电(Software Defined Radio，SDR) 是一种无线电广播通信技术，它基于软件定义的无线通信协议而非通过硬连线实现。

换言之，频带、空中接口协议和功能可通过软件下载和更新来升级，而不用完全更换硬件。

SDR 针对构建多模式、多频和多功能无线通信设备的问题提供有效而安全的解决方案。

在2001年10月份举行的ITU－8F会议上，软件定义无线电（SDR）被推荐为今后无线通信发展极有可能的方向。

软件定义无线电是一个系统和体系，它必须有可重新编程和可重构的能力，使设备可以使用于多种标准、多个频带和实现多种功能，它将不仅仅使用可编程器件来实现基带数字信号处理，还将对射频及中频的模拟电路进行编程和重构，目前人们对软件定义无线电的功能的要求包括：重新编程及重新设定的能力、提供并改变业务的能力、支持多标准的能力以及智能化频谱利用的能力等等。

应该看到，SDR并不是一种孤立的技术，而是可为所有技术使用的公共平台。

一、软件无线电的发展历史
20世纪70～80年代，无线电由模拟向数字全面发展，从无编程向可编程发展，由少可编程向中等可编程发展，出现了可编程数字无线电（PDR）。

由于无线电系统，特别是移动通信系统的领域的扩大和技术复杂度的不断提高，投入的成
本越来越大，硬件系统也越来越庞大。

为了克服技术复杂度带来的问题和满足应用多样性的需求，特别是军事通信对宽带技术的需求，提出在通用硬件基础上利用不同软件编程的方法。

20世纪80年代初开始的软件无线电的革命，将把无线电的功能和业务从硬件的束缚中解放出来。

1992年5月在美国通信系统会议上，JesephMitola（约瑟夫·米托拉）首次提出了“软件无线电”（SoftwareRadio，SWR）的概念。

1995年IEEE通信杂志（CommunicationMagazine）出版了软件无线电专集。

当时，涉及软件无线电的计划有军用的speakeasy（易通话），以及为第三代移动通信（3G）开发基于软件的空中接口计划，即灵活可互操作无线电系统与技术（FIRST）。

1996年3月发起“模块化多功能信息变换系统”（MMITS）论坛，1999年6月改名为“软件定义的无线电”（SDR）论坛。

1996年至1998年间，国际电信联盟（ITU）制订第三代移动通信标准的研究组对软件无线电技术进行过讨论，SDR也将成为3G系统实现的技术基础。

从1999年开始，由理想的SWR转向与当前技术发展相适应的软件无线电，即软件定义的无线电（SoftwareDefinedRadio，SDR）。

1999年4月IEEEJSAC杂志出版一期关于软件无线电的选集。

同年，无线电科学家国际联合会在日本举行软件无线电会议。

同年还成立亚洲SDR论坛。

1999年以后，集中关注使SDR的3G成为可能的问题。

二、软件无线电的基本体系结构与特点
1．软件无线电的基本体系结构
软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。

功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（A/D和D/A变换）尽量靠近天线。

软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。

软件无线电的硬件平台采用模块化设计，是一个具有开放性、可扩展性和兼容性的通信平台。

我们基于这一相对通用的硬件平台，通过加载不同的软件来实
现不同的通信功能。

通过使用软件无线电，可以快速改变信道接入方式或调制方式，利用不同软件即可适应不同标准，构成具有高度灵活性的多模手机和多功能基站，这样不同通信体制就可以实现互联互通。

软件无线电的通用硬件平台设计通常采用总线形式。

软件无线电的硬件平台比PC要求高得多,它需要宽带射频前端、宽带A/D/A转换器、高速DSP器件等。

为了进行高速A/D/A变换及数字信号处理，软件无线电系统必须多个CPU并行工作。

另外，数字信号处理数据要高速交换，系统总线必须具有极高的T/O传输速率。

总线式结构的软件无线电结构中各功能单元通过总线连接起来。

并通过总线交换数据及控制命令。

软件无线电要求通信系统具有较高的实时处理能力。

只有采用先进的标准化总线结构才能发挥其适应性广、升级换代简便的特点。

软件无线电总线式结构具有以下特点：
1）支持多处理器系统；
2）具有宽带高速的特性；
3）具有良好的机械和电磁特性。

在目前符合要求的系统总线中，VME总线技术最成熟，通用性最好，且得到的支持最广泛。

VME提供多个CPU并行处理，支持独立的32位数据总线和地址总线，速率达40Mb/s(甚至320Mb/s)，是软件无线电的首选总线方式。

总线结构能够在恶劣的通信环境中正常工作，保证一定的通信性能，如图1所示：
图1 基于VEM总线的软件无线电结构
2．软件无线电的特点
图2给出了传统无线电系统和软件无线电系统的结构图。

不难看出，两种体系的主要区别在于A/D/A的位置不同。

理想的软件无线电体系是要利用多波段天线和宽带A/D、D/A转换技术，尽量将模数变换向天线端推移，在尽可能宽的频带上将模拟信号数字化，之后利用软件在通用可编程处理器上对中频及基带数字信号进行处理。

而传统的无线电系统则是使用专用的硬件设备解调之后，进行A/D转换，作基带数字信号处理，还原用户数据的，这在很大程度上限制了不同无线通信体制之间的互通性。

由于在软件无线电系统中，将A/D转换从基带和中频信号处理之间提到了中频处理之前，中频部分的信号处理也可以通过软件实现，从而给系统带来了巨大的灵活性，这是以往用专用硬件完成特定功能的方式所无法比拟的。

因而，与传统的无线电相比，软件无线电具有下述特点：
（1）具有可重配置性，实现灵活。

RF频段和带宽、信道接入方式、传输速率、接口类型、业务种类及加密方式均可由软件编程方式来改变，而软件本身就具有高度的可编程性和可重配置性；
（2）开放性、模块化和标准化；
（3）可实现无缝连接、全球漫游；
（4）具有集中性，节省基站费用，每个基站使用一部收发信机而不是每个信道使用一部收发信机，即多个信道共享射频前端与宽带A/D或D/A转换器；
（5）软件升级，而硬件无需改动。

产品投入市场的时间和升级将会更快速；
（6）稳定性好。

由于采用数字电路，适于大规模制造；
（7）运营商拓展业务更快捷、廉价，并可以自行开发业务软件；
（8）软、硬件间的联系减弱，对产品制造商的依赖程度降低；
（9）系统配置灵活多变，也更安全。

三、软件无线电的关键技术
软件无线电的关键技术主要有：
●宽带/多频段天线
●宽带模/数变换器(ADC)和数/模变换器(DAC)
●高速并行的DSP部分
●开放性及扩展性的总路线结构
●软件协议和标准(如JTRS-SCA)
●系统的功耗、体积和成本
1、宽带/多频段天线技术
根据短波软件无线电的结构，天线要能覆盖1.5MHz～30MHz频率范围；能用程序控制的方法对功能及参数进行设置。

而实现这些功能的技术包括：组合式多频段天线及智能化天线技术；模块化收发双工技术；多倍频程宽带低噪声放大器方案等。

2、宽频A/D转换
在软件无线电通信系统中，要达到尽可能多的以数字形式处理的无线信号，必须把A／D转换尽可能地向天线端推移，这样就对A/D转换器的性能提出了更高的要求。

为保证抽样后的信号保持原信号的信息，A/D转换要满足Nyquist抽样准则，而在实际应用中，为保证系统更好的性能，通常抽样率为带宽的 2.5倍。

由于短波通信的频率变化范围较大，对采样频率、位数及动态范围也提出了较高的要求，对此可采用并行A/D转换技术。

高速采样保持电路的时间精度可达纳秒级，通过串/并转换将量化速度降低，提高采样分辨率，这样用多个高速采样保持和A/D可完成超高速转换。

3、DSP处理部分
可编程DSP模块主要由DSP、FPGA(现场可编程门阵列)、FIR专用芯片组、存储器、I/O接口组成。

按照不同的数据处理流程可将DSP模块的功能分为：与终端的数据交换、自适应调制解调、信道环境分析和管理、SSB调制解调、频率变换等。

DSP是软件无线电的核心部件，但单个DSP的处理速度也是现阶段一个主要的瓶颈。

当单个DSP处理能力不足时，可采用多个DSP芯片的并行来提高运算能力，如Quad－40CMCM处理器包括4片TMS320C40处理器、5MB内存，已用于多频段多模式军用电台。

4、开放式模块结构
软件无线电的一个重要特点就是其优良的开放性，这主要体现在软件无线电所采用的开放式标准化总线结构，只有采用先进的标准化总线，软件无线电才能发挥其适应性广、升级换代方便等特点。

现有软件无线电研究和试验系统中采用双总线结构，即：控制总线和高速数据总线。

控制总线结构，如VME总线、PCI 总线等。

VME总线是一种支持多机并行处理的高性能总线，市场占有率也很高，故可将VME总线作为软件无线电的首选总线。

5、软件协议和标准
软件无线电的评价标准中，软件的可用性是其中很重要的一条。

正研究在软件无线电中如何实现软件的Plug&Play，提出了基于JAVA/CORBA的软件无线电协议和标准。

其中CORBA(CommonObjectRequestBrokerArchitecture，公共对象请求代理体系结构)是由面向对象管理集团（OMG）制订的标准。

四、软件无线电在第三代移动通信系统中的应用
第三代移动通信系统是指国际电信联盟（ITU）正在组织进行研究的未来公用陆地移动通信系统即FPLMTS，1996年更名为IMT-2000。

第三代移动通信系统的主要目标是要将包括卫星在内的所有网络融合为可以替代众多网络功能的统一系统。

它能提供宽带业务并实现全球无缝覆盖。

在第三代移动通信系统所要实现的目标与系统的特点中，最核心的问题是提供不同环境下的多媒体业务及实现包含水、陆、空的全球覆盖。

因而它要求实现多种网络的综合：无线网与无线网的综合，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）。

第三代移动通信系统可支持的速率为室内静止2Mbit／s，步行移动384kbit／s，车速移动144kbit／s，卫星移动9.6kbit／s，所以手机要适应宽带多业务的要求。

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。

只有软件无线电技术才能解决多频多模式多业务终端问题。

由于第三代移动通信的标准的统一是非常困难的，IMT－2000的发展策略已经改变过去“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“IMT －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，软件无线电是解决基站问题的利器。

具体地讲，软件无线电技术在第三代移动通信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；
开放的、模块化的系统结构是软件无线电技术的核心，对于第三代移动通信系统是非常重要的。

它为第三代移动通信系统提供了通用的系统结构，功能实现灵活，系统改进与升级很方便；利用统一的硬件平台，不同的软件来满足“IMT －2000”家族概念的要求，实现不同标准之间的互操作；系统结构的一致性使得设计的模块化思想能很好地实现，且这些模块具有很大的通用性，能在不同的系统及升级时很容易地复用；由于系统结构功能的实现主要是由软件来实现的，软件的生存周期决定了通信系统的生存期，这样就能更快地跟踪市场变化，降低更新换代的成本。

（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；
智能无线技术是第三代移动通信系统的关键技术之一，利用软件无线电来实现智能天线，可以提高智能天线的性能。

（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。

各种信号处理软件是软件无线电的关键，应积极探索新的算法为更好地解决多频多模问题铺平道路。

软件无线电可以充分利用数字化射频信号中的大量信息，评估传输质量，分析信道特点，实施采用最佳接入模式，灵活分配无限资源，实现移动通信系统的动态管理和优化。

多种3G移动通信标准（主要是CDMA 2000，WCDMA和TD–SCDMA）使得已经十分庞大的移动通信标准族变得更加的繁杂。

从近期发展上看，软件无线电技术可以解决不同标准的兼容性，为实现全球漫游提供方便；从长远发展上看，软件无线电发展的目标是实现可以根据无线电环境的变化而自适应的配置收发信机的数据速率，调制解调方式，信道编译码方式，调整信道频率、带宽以及无线接入方式的智能化，从而更加充分的利用频谱资源，在满足用户QoS要求的基础上使系统容量最大。

五、软件无线电技术的现状与发展前景
1．软件无线电技术的现状
软件无线电作为未来通信乃至未来无线电技术的发展方向，世界各国都在进行深入的研究，美国尤为突出。

在美国防部计划的推动下，其他一些国防电子公司也展开了多频段多模式电台（MBMMR）的研制工作，如美国Harris、南非Grinel、美国马格纳泛斯克等公司都成功地研制出MBMMR。

同时，软件无线电在移动通信领域中的应用越来越受到重视。

2．软件无线电的发展前景
●软件无线电产业间的全球合作将加强
为使国际接受无线接口层真正的动态重构产品,应扩大全球产业之间的合作,加强国际范围的协商和交流探讨。

如何建立国际管理体制管理对软件无线电技术有广泛兴趣的运营商、用户、国家政府、民间团体、制造商,这是影响未来发展趋势的主要问题。

●可提供具有市场活力的新业务
应用下载和移动因特网接入已开始运营,预计具有市场活力的移动业务将快速增长,目前移动运营商都把这种情况看作新的机遇和挑战。

提供这种具有市场活力的新业务应是软件无线电未来的发展趋势。

●实现软天线和软基站技术
软天线在移动网络中的潜在效益已被GSM和其它系统证实，宽带第三代系统的出现为软天线提供了新的机遇和挑战。

软天线与软基站的完全综合将是实现第三代系统的全部潜力的关键。

下个世纪初，软天线的增值业务将受到肯定，为使未来的产品易于演变，越来越多的人认为软件无线电基站和软天线的自适应处理之间需增加结构协同，所以目前需正确选择基站的结构。

●对通信产业的影响力将加大
任何一种主要技术的发展都会带来相关基础工业的发展,软件无线电也不例外。

软件无线电的许多潜在效益存在于价值链的不同层次上,最终的影响取决于如何使这种技术发展商业化。

由于更多的功能是在软件上实现,最终的产值将从硬件向软件转移。

目前全世界软件无线电的参与者正致力于确定软件无线电技术在产业价值链中的定位,未来软件无线电在应用层的实用将为网络运营商提供新的发展机遇,他将从不同途径对个人通信,实际上也对其他产业产生深刻的影响。

●增强自适应频谱管理
在大多数国家,有限而宝贵的频谱资源目前被永久性地低效率地分配给了实际使用率较低的系统,软件无线电技术通过自适应频谱管理(ASM)为充分利用这种已浪费的资源提供了工具。

可以预测扩展这种基本能力以便动态协调的潜力,不仅包括频率和时空的使用,而且包括优化空中接口,与发射功率和调制方式相适应,同时也扩展了跨越大量无线频谱的协调运作。

这种协调方式应包括业务优先信息,以便保证用户终端服从紧急或防御业务需要的频谱。

所以通过软件无线电增强自适应频谱管理将是未来的发展趋势。

结束语
软件无线电以其灵活性、开放性等特点已介入通信的许多领域的实际应用阶段。

近年来移动通信发展迅猛,世界各国着手努力探寻第三代移动通信,即未来个人通信的实现途径。

而通过软件无线电技术对多种体制进行综合,开发出新一代的多模移动手机,使人们摆脱终端的束缚,一机在手,漫游天下的思想已成为第三代移动通信的发展方向。

目前，软件无线电正处于蓬勃发展和逐渐完善的阶段，理论上已基本成熟，它对于军事和国民经济，特别是移动通信领域具有潜在的重大意义。

软件无线电这一新概念一经提出就受到全世界的广泛关注，其重要原因之一就是人们一开始就注意到了它的潜在的商业价值。

可以预见，随着超大规模集成电路技术以及微处理器性能的提高，相信软件无线电技术在无线通信领域，尤其是商用移动通信领域将会有更大的突破。

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