關鍵詞：軟件定義無線電（SDR）；優勢；挑戰；

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

中圖分類號(CLC number)：TN929.5

文獻標識碼(Document code)：A

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

　　在筆者前一篇文章中[1]，對移動通信技術的發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。

　　眾所周知，在過去的20年內，無線通信技術取得了空前的高速發展。而21世紀的來臨，又以第三代移動通信為代表，為無線通信的進一步大發展開辟了一個新天地。綜觀這20余年無線通信技術的發展，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)；
　　" 每一代的技術均集中到相應的國際標準中，而標準的核心是無線傳輸技術(RTT)；
　　" 產品均按某一種特定的標準來開發和生產，并提供特定的服務；
　　" 產品的生產都依靠專用芯片，技術均固化在專用芯片內。

　　通過近20年的發展，移動通信已成為通信領域最活躍，市場份額最高的部分產業，也成為國際上市場競爭最激烈的部分。

　　但是，此傳統的思路和產品開發及生產方式，已表現出不少問題，譬如：

　　" 產品是針對特定的標準中一個版本來開發和制造的。當新技術出現或版本升級或提供新業務時，只能開發新的專用芯片，制造新一代的設備。其結果不是限制了新技術和新業務的使用，就是給制造商、運營商帶來更大的投資風險，給用戶帶來諸多不便；

　　" 用此傳統思路，必然要求全球統一標準，但又難以實現。由于各國的經濟利益，全球統一標準幾乎是不可能的，反之，標準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；

　　" 現代技術進步越來越快，在第三代移動通信還沒有正式商用前，ITU已經在考慮由于技術進步所不得不進行的標準更新問題。由于前述原因，僅僅是標準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備的開發與制造，特別表現在由于技術進步，導致用戶終端的開發(主要是專用芯片的開發)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，已經進行了大量的研究。典型的是麻省理工學院(MIT)的一個研究小組在征詢了大量無線通信技術和產業界專家后所得到的結論：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就開始組織有關專家對SDR進行研究；2000年3月，發表了一份文件[2]，對SDR的定義、要求和相關問題統一了認識，并倡導各公司和研究機構開發此技術。在SDR論壇，發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的發展方向，提交ITU-R WP8F會議并獲得通過[1]。

　　本文的主要目的就是根據國際上的討論和公開發表的信息，向讀者介紹下一時期國際上移動通信技術的這個發展方向，為通信主管部門、研究開發部門、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備發射的信號在盡可能接近天線的地方實現數模(D/A)或模數(A/D)轉換，用軟件通過DSP、FPGA等可編程器件來實現硬件的功能。在通常意義上，軟件無線電是實現某種特定的無線通信設備的一種手段。

　　而SDR的概念則要深刻得多，它是一個系統和體系的概念。SDR的無線通信設備考慮的是一個系統，它必須具有可重新編程和可重構的能力，使此設備可以使用于多種模式(標準)、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基帶數字信號處理，還將對射頻及中頻的模擬電路進行編程和重構。SDR將是無線通信領域內一個革命性的概念。

　　目前人們對使用SDR的無線通信系統或設備，提出了如下的功能要求：

　　1． 重新編程及重新設定的能力；

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

　　" 重新編程及重新設定能力可實現用同一設備支持不同蜂窩技術、個人通信系統和其他無線業務在世界范圍內使用。

　　2． 提供并改變業務的能力

　　" 采用SDR設備，用戶不但可以支持傳統業務并且可以支持新業務；

　　" 空中下載軟件的概念可以保證用戶可獲得最新的業務服務。

　　3． 支持多標準的能力

　　" SDR能更好地體現"互操作性"這一概念，以支持多頻段及多標準工作的無線通信系統；

　　" 在公共安全和緊急事件處理部門，采用SDR技術支持多頻段通信；

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

　　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設備具有"智能"功能，它可以監測其他設備使用的頻譜，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險。

　　總地說來，SDR是一個全新的，實現未來移動通信設備的概念和體系結構。它本身并不是一種孤立的技術，而是為所有新技術使用的公共平臺。

3 SDR所帶來的優勢

　　使用SDR概念來設計和實現下一代的無線通信系統和設備，與傳統的產品和設備相比較，具有明顯的優勢。它將使得從技術研究開發，到設備制造商，到電信運營商，到每個無線通信最終用戶都受益。

　　3.1 對技術和產品的研究開發

傳統的無線通信系統只對單一的標準進行產品開發，從標準相對穩定到設計和開發專用芯片，再到產品設計和實現是一個以年為單位的過程，開發周期長，開發成本高。上述情況導致在標準制定進程中，大多數新技術不能被應用，限制了新技術的發展和應用，導致商用產品和當時技術水平的巨大差異。
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新業務和使用新技術，大大降低了開發成本和周期，使產品能跟上技術發展的水平。
未來的新業務將由用戶來開發，只有使用SDR的概念，才可能讓用戶像使用PC一樣，用SDR設備去開發所需的新業務。

　　3.2 對制造商

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

　　SDR是基于產品的，基于SDR產品的生產將：

　　- 比傳統產品原材料成本低；
　　- 產品壽命長，意味著投資風險低；
　　- 由于它簡單化及標準化硬件使得產品容易生產。

　　因此，制造商生產基于SDR技術的產品，可得到遠大于生產傳統產品的效益。

　　3.3 運營商

　　移動通信網建設需要巨大投資，同時具有很大風險性。如我國現今一方面由于市場需求，GSM網絡迅速擴容，增加GPRS設備；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準中如何選擇，也有很大的投資風險。

　　而基于SDR技術的產品將為運營商帶來利益，它表現在：

　　- 比傳統產品成本低；
　　- 投資風險低，同一基站目前可以工作于GSM網絡，通過軟件升級可提供GPRS業務，再升級可工作于任何一個第三代移動通信標準；
　　- 真正意義上的平滑過渡使得系統設備的壽命延長；
　　- 為提供新業務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產品更多的利潤。

　　3.4 對最終用戶

　　基于SDR技術用戶的設備，則是要為用戶提供一個通用的終端設備平臺。它應當能支持多達5~8種國際上通用的標準，而且可以通過空間加載軟件技術達到用戶設備升級的目的。只有這樣，用戶才不需要關心他所在的地區和運營商的問題而實現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務。

4 SDR技術所面臨的挑戰

　　目前，很多國際上的研究單位和公司都在關心和研究SDR技術。但不同公司對SDR技術的未來仍然有不同的看法：多數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年開始廣泛應用，而少數小規模的高技術公司則在為2002-2003年推出初期SDR無線通信產品(基站和用戶終端)而努力。到底SDR技術中有哪些挑戰，有哪些關鍵技術問題，造成人們對此技術的廣泛應用前景有如此大的差異？本節中將對此作一個簡單分析。

　　4.1 體系和結構

　　SDR體系結構應具有如下特性：

　　- 靈活性：處理多模式、多頻帶、多標準等的可能性；
　　- 可升級性：必須兼容現有主要標準并有向未來可能考慮到的標準升級的能力；
　　- 可擴充性：有在設備功能、業務、容量等方面定量擴充的可能；
　　- 使用未來技術的可能性：此SDR設備應盡可能使用目前已在開發，未來可能應用的新技術。

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

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

　　" 射頻發射機：由通用平臺和多只射頻發射機模塊組成。其工作頻率范圍應當足夠寬，并用數字頻率合成技術來設置。對每種標準應能多載波工作。此發射機還包括多只高功率放大器。所有發射機均應當具有高線性，可以用數字預失真等技術來解決自適應非線性補償等問題；

　　" 射頻接收機：由通用平臺和多只射頻接收機模塊組成。其工作頻率范圍應當足夠寬，并用數字頻率合成技術來設置。對每種標準應能多載波工作；

　　" 高速數字鏈路：射頻和基帶平臺之間的鏈路是多條高速數字鏈路。為支持第二代和第三代移動通信標準，此鏈路上的數字信號傳輸速率將超過1~2Gbit/s這個總線結構的設計直接關系到系統的成功；

　　" 通用基帶數字信號處理平臺：此平臺由多種相同或不同的數字電路板所組成，其數量根據系統容量決定，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、可設置的基帶數字信號處理電路。此平臺應當完成圖1中右面幾個單元，諸如接口、信息應用及控制等功能。

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

　　- 控制軟件包：如對基站進行配置、設置、管理等的軟件；
　　- 物理層軟件包：對每一種標準和制式將有其物理層軟件；
　　- 高層軟件：分別對每一種標準和制式；
　　- 系統接口軟件：對多種接口要求。

　　這些軟件都將存放在基帶數字信號處理平臺中，或通過網絡加載進來。

圖1 SDR結構的基本單元
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

　　目前的無線通信標準中，每個載波的帶寬從25kHz (TACS)到5MHz (WCDMA)；工作頻段從800MHz 到3GHz；在射頻接收和發射各方面都有不同的技術指標。這對SDR多模式設備來說是最具有挑戰性的工作。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設備中，在支持多標準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。模擬電路是技術進展最緩慢的部分，故在目前設計SDR設備時，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(數字中頻)技術。

　　4.3 智能天線技術

　　對未來的無線通信設備，特別是基站設備，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基站設備，使用智能天線技術于所有所支持的模式也是一個挑戰。

　　4.4 基帶處理平臺

　　從技術核心到實現可編程和可配置等方面，任何無線通信標準的核心是其RTT中的物理層技術。隨著技術的進步，數字信號處理技術的復雜性越來越高，也就要求基帶處理平臺的能力越來越強。目前，能用軟件實現數字信號處理的器件主要是數字信號處理器(DSP)和現場可編程門陣列(FPGA)兩大類。前者已達到數千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。一個重要的發展方向是將兩者的優點結合起來，用并行處理的技術，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構成。在終端設備中，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 準制式的接口

　　對無線基站，不同標準和體制有不同的網絡接口，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 業務問題

　　用戶終端的新業務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仍需完善；由用戶自己創建自己需要的業務則更是一個理想，還有很長的路要走。

5 小結

　　本文對近來國際上，主要是美國在面對移動通信發展的挑戰，在軟件定義無線電(SDR)技術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論：

　　1． 在無線設備(基站和用戶終端)的實現技術方面，最活躍的是軟件定義無線電。它為新一代產品的設計和開發提出了革命性的前景。再經過幾年的努力，無線通信產品市場中最具有競爭力的產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。此發展方向已經非常明確了，唯一未知的是出現在市場上的時間。

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