软件无线电的现状和发展趋势

□潘子欣刘毅

一、引言

移动通信在过去几十年中获得了飞速发展，成为现代通信中的一个亮点。同时由于移动通信的迅速发展和高收益，带来了激烈的竞争，从而造就了移动通信技术和系统的多样性，而各技术标准和系统之间差别很大又不能互相兼容。特别是新业务的巨大吸引力又给用户和移动业务提供商造成了很大的压力，迫使他们不断更新设备，可是这通常要造成设备和投资的浪费。问题的关键在于目前的绝大多数移动通信设备是完全基于专用硬件设计的，给移动通信系统的兼容和并联，以及快速、灵活的升级带来了很大的约束。此外通信设备制造商在研制新产品时，由于种种因素的制约，其设置的产品可能会存在缺陷，以致在产品售出后不得不重新召回，增加了产品的制造成本和设计周期。而软件无线电确能很好解决这些问题。

二、软件无线电的概念及其特点

软件无线电（ＳｏｆｔｗａｒｅＤｅｆｉｎｅｄＲａｄｉｏ，ＳＤＲ）是二十世纪９０年代初提出的通信新技术，它的基本思想是将标准化、模块化的硬件功能单元，通过高速总线或高速网络等连接形成一个通用的数字式硬件平台，再通过软件加载的方式来实现各种类型无线通信系统的开放式体系结构，用软件方式实现各种通信功能。并且能通过对软件的重新编程来实现系统的升级更新和适应不同的通信标准和协议。

由于软件无线电技术具有通用性广、可移植性好、适应性强等优点，在军用电台方面得到迅速的发展和应用。近些年，随着第三代移动通信（３Ｇ）系统的发展，软件无线电在民用领域也开始崭露头角。人们期待这种新技术能兼容现在所有的３Ｇ标准，从而制成通用的移动通信设备。软件无线电已经成为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。

软件无线电具有灵活性和集中性两大优点。

灵活性即可以任意地转换信道接入方式，改变调制方式或接收不同系统的信号等。当前蜂窝通信标准不断地发展变化，这种灵活性对移动通信系统来说就显得尤为重要。例如：基站可以通过承载不同的软件来适应不同的标准，而不用对硬件平台进行改动；基站间可由软件算法协调动态地分配信道与容量以优化性能；移动台可以自动检测接收到的信号的工作方式，以接入不同的网络（ＧＳＭ、ＤＡＭＰＳ等）。

集中性即多个信道享有共同的射频前端与宽带模／数、数／模转换器，以获取每一信道相对廉价的信号处理性能。尽管软件无线电要比传统的接收机贵很多，但每一信道的费用则低得多。在移动通信系统中，一般一个基站能容纳２０个甚至更多的无线接收器，这样软件无线电技术就显得很吸引人。

软件无线电硬件采用模块化结构宽带模／数和数／模转换及高速ＤＳＰ，建立公共硬件平台，支持并行、流水线及异种多处理机。软件采用基于ＯＳＩ参考模型的分层软件体系，支持开放式的模块化设计。灵活应用软件无线电的基本硬软件模块，可使软件无线电设备对传播条件具有多种自适应能力，多种抗干扰能力，灵活可变的多址方式、用户需要的多种业务及多种组网与接口能力等。

随着计算机硬件的迅速发展，软件无线电技术日益广泛地应用于陆上移动通信、卫星移动通信与全球定位系统等。对于不同的新标准（ＧＳＭ、ＤＣＳ１８００、ＩＳ－５４、ＩＳ－９５等），软件无线电提供了灵活的解决方案——

—在通用的硬件平台上由可变换的应用软件模块提供对不同新标准的兼容性。由于在移动通信领域中，用户对新业务的要求不断变化，空中接口标准不断发展，传统的数字系统会很快被淘汰，而软件无线电这种由软件的变化、升级实现增强业务功能的能力使得由软件无线电技术构筑的系统的生命周期要长的多，很有竞争力。

三、软件无线电的发展历史

为了解决军用无线电台多频段、多制式的互通问题，１９９２年５月，ＭＩＴＲＥ公司的ＪｅｏＭｉｔｏｌａ在美国电信系统会议上首次提出软件无线电的概念。其基本思想是：构造一个标准化、模块化、开放性的通用硬件平台，将通信中的各种功能，如设定数据格式、确定载波频率、信道编码、信道调制、加密、通信协议等用软件来完成。在这一构想中，宽带模／数转换器尽可能地靠近射频天线，最大限度地通过数字的方式来实现电台的各种功能。这样的软件无线电台不仅可以与普通电台进行通信，还能在两种不同制式的电台系统间充当“转接器”的作用，使两者能够互通互连。

在软件无线电概念产生不久后，美军提出了“易通话”（ＳＰＥＡＫＥＡＳＹ）科研计划，其主要任务是研制多频段多模式无线电台（Ｍｕｌｔｉ—ＢａｎｄＭｕｌｔｉ—ＭｏｄｅＲａｄｉｏ，ＭＢＭＭＲ）。这种电台的工作频率为２～２０００ＭＨｚ，能同时处理４种不同的信号波形，兼容美军当时的１５种电台，并适用于不同频段和不同调制方式下的通信互联。

１９９５年５月，ＩＥＥＥ《通信杂志》出版了软件无线电专刊，全

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面论述了软件无线电与数字无线电的区别，硬件和软件的实现方法，性能分析和结构体系，为软件无线电的研究提供了理论基础。

１９９７年５月，软件无线电概念的提出者ＪｅｏＭｉｔｏｌａ在欧洲召开的软件无线电会议上提出：用矢量（Ｎ，ＰＤＡ，ＨＭ，ＳＦＡ）来衡量软件无线电的“软件”程度。Ｎ是指空中接口所能够支持的频道数；ＰＤＡ指可编程数字化访问（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＤｉｇｉｔａｌＡｃ－ｃｅｓｓ）；ＨＭ指硬件的模块化程度（ＨａｒｄｗａｒｅＭｏｄｕｌａｒｉｔｙ），也可理解为硬件可编程性；ＳＦＡ指软件模块化程度，也可认为是软件的可移植性。

四、软件无线电的应用

（１）军事领域方面的应用

军用无线电通信在抗毁性、机动性和灵活性等方面存在独特优势，但它也存在一些问题。如：产品生命周期短、升级不便、电台互通能力差等。这些缺点在二十世纪９０年代初的海湾战争中表现得尤其明显。当时多国部队各兵种需要进行联合作战，但不同部队间难以进行顺畅的通信联系。单就美军而言，陆、海、空三军的通信装备在工作频段方面就是完全隔离的（陆军：３０￣８８ＭＨｚ；空军：１０８￣１７６ＭＨｚ；海军和海航：２２５￣４００ＭＨｚ）。频带分割虽然解决了三军之间相互干扰的问题，但也导致各兵种在协同作战时无法快速沟通和情报共享。

联合战术无线电系统（ＪｏｉｎｔＴａｃｔｉｃａｌＲａｄｉｏＳｙｓｔｅｍ，ＪＴＲＳ）是满足三军装备需求的多频段多模式的联合战术无线电系统。它是一种通用的战术电台，能传输和接收不同频段、不同制式、甚至不同网络结构下的通信信号。指挥官借助ＪＴＲＳ，能使用语音、图像或数据来调度和指挥部队。ＪＴＲＳ与“易通话”相比，新增了硬软件可插拔、大型波形数据库、系统可现场编程，甚至智能自主编程等功能。

（２）民用领域方面的应用

近些年，软件无线电技术在民用领域的发展势头也非常强劲。这主要是由于无线应用发展迅速（以我国为例，短短几年光景，我国的移动电话用户数就跃至世界第一），从而引发了一系列技术问题难以解决，如混乱的频段分配、无线服务供应商采用完全不同的系统结构、多种多样的标准使空中接口不统一、新技术不断涌现使产品生命周期太短等等。

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一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。最先将软件无线电技术融人第三代移动通信的是欧共体的ＡＣＴＳＦＩＲＳＴ（ＦｌｅｘｉｂｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＲａｄｉｏＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），它的目标是研制出可兼容ＧＳＭ、ＤＣＳ１８００、ＷＣＤＭＡ及现有大多数模拟制式的通用型手机。上述问题依靠可编程、可动态分配信道、终端工作频段可调的软件无线电可望解决。为此，软件无线电在民用领域被寄予厚望，它的终极目标是成为提供无绳电话、３Ｇ手机、寻呼机、无线传真、三维网浏览、视频会议等多种功能的全能通信设备。并能实现多频段、多模式无缝漫游。

五、软件无线电的发展趋势

近年来软件无线电技术在军用电台、反恐战争、３Ｇ移动通信等方面取得了飞速发展，这表明一种崭新的通信观念已逐步深入人心。

当前，蜂窝移动通信系统发展到第三代，３Ｇ系统进入商业运行，一方面需要解决不同标准的系统间的兼容性；另一方面为了适应技术的飞速发展，３Ｇ无线通信系统要求具有高度的灵活性和扩展升级能力。而已经大规模投入商业运营的２Ｇ，在一定的时期内还是会占有相当大的市场份额。因此对于运营商和移动终端制造商来说，如何解决２Ｇ、３Ｇ和将来使用的４Ｇ之间的兼容问题，以及如何实现系统间的无缝漫游，给移动用户提供新的服务，已经变为一个亟待解决的问题。这就需要采用一个通用平台，通过软件的重新编程，来适应不同的标准和协议，来解决不同系统和协议之间的兼容问题。软件无线电由于其具有良好的可重构性，通过重新编程可以很方便地解决这个问题。一些著名的生产厂商，如Ａｉｍｅｔ、Ｅｒｉｃｓｓｏｎ、Ｌｕｃｅｎｔ、Ｎｏｒｔｅｌ已经研发了基于ＳＤＲ思想的基站设备。一些手机供应商（如Ｎｏｋｉａ）也开始借鉴软件无线电思想，将多个空中接口集成到一块通用计算机芯片上。

在未来应用中，软件无线电还将实现智能接收和发送。但是软件无线电在具体的应用中遇到的挑战还是很严峻的。软件无线电系统的大规模应用还需要器件制造工艺的进步，同时也需要解决技术上的一些难题。随着微电子技术的进步，通用或专用微处理器的运算能力越来越强，软件无线电最终将由纯软件来实现。未来的软件无线电将可以根据无线电环境的变化而自适应地配置终端的数据速率，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，从而更加充分地利用频谱资源，在满足用户要求的基础上使系统容量最大。可以预见，软件无线电技术将会引领人类进入软件通信时代。■

（作者单位：潘子欣，广东省科技信息中心；刘毅，仲恺农业技术学院信息学院）

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