第三代移动通信系统中的软件无线电技术.pdf
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1、移动通信0 0 0 2 0 7移动通信 M O BI LE CO M M U NI CA T I O NS 2 0 0 0 Vo l.2 4No.2 P.35-40第三代移动通信系统中的软件无线电技术吴启晖莫永成王金龙陈朝晖摘要:软件无线电技术是90 年代新技术之一,它已与第三代移动通信系统紧密的结合起来。第三代移动通信系统的研究推动了软件无线电技术的发展,而软件无线电技术又促使第三代移动通信系统更加灵活的实现。本文分析了软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用,并总结归纳了由于第三代移动通信系统的推动作用,软件无线电系统呈现出的一些新的发展趋势。关键词:第三代移动通信系统;软件无线电;虚拟
2、无线电;认知无线电;拓扑;模块化The Software Radio Technology for the 3G Mobile Communication System1引言软件无线电是近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和体制13。它的核心是:将宽带A D 和D A 变换器尽可能地靠近天线,而将电台功能尽可能地采用软件进行定义。软件无线电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功能用软件来实现。这样,无线通信系统具有很好的通用性、灵活性,使系统互联和升级变得非常方便,这很可能使软件无线电成为继模拟通信到数字通信和固定通信到移动通信之后的无线通信领域的第三次突破4。软件无线电在通
3、信系统中,特别是在第三代移动通信系统中的应用是越来越成为研究的热点。例如欧洲的A CT S(A d v a n c e d Co m m u n i c a t i o n s T e c h n o l o g i e s a n d Se r v i c e s)计划中,有三项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统(U M T SU n m i v e r s a l M o b i l e T e l e c o m m u n i c a t i o n s Sy s t e m)中的。FI RST(Fl e x i b l e I n t e g r a t e d Ra d
4、 i o Sy s t e m s T e c h n o l o g y)计划将软件无线电技术应用到设计多频多模(可兼容G SM、D SP18 0 0、WCD M A、现有的大多数模拟体制)可编程手机。这种手机可自动检测接受信号以接入不同的网络,且适应不同接续时间的要求;FRA M ES(Fu t u r e Ra d i o W i d e b a n d M u l t i p l e A c c e s s Sy s t e m s)计划目标是定义、研究与评估宽带有效的多址接入方案来满足U M T S要求,技术方法之一是采用软件无线电技术;SO RT(So f t w a r e Ra
5、 d i o T e c h n o l o g y)计划是演示灵活的有效的软件可编程电台,它具有无线自适应接入功能,并符合U M T S的标准。在美国,研究基于软件无线电技术的第三代移动通信系统的多频带多模式手机与基站。同时还注意到软件无线电技术与计算机技术的融合,为第三代移动通信系统提供良好的用户界面,如麻省理工学院的Sp e c t r u m W a r e 计划5。我国对软件无线电技术也相当重视,例如我国提出了第三代移动通信系统方案SCD M A6,SCD M A 是一f i l e:/E|/q k/y d t x/y d t x 2 0 0 0/0 0 0 2/0 0 0 2 0
6、7.h t m(第 18 页)2 0 10-3-2 3 12:2 4:0 7移动通信0 0 0 2 0 7种同步的直接扩频CD M A 技术,它结合了智能天线、软件无线电及全质量话音压缩编码技术等90 年代通信新技术。软件无线电技术在第三代移动通信中的应用是国家8 6 3计划的申请项目之一。因而软件无线电技术是我国第三代移动通信系统的关键技术之一。软件无线电技术是90 年代新技术之一,它已与第三代移动通信系统紧密的结合起来,第三代移动通信系统的研究推动了软件无线电技术的发展,而软件无线电技术又促使第三代移动通信系统更加灵活的实现。本文分析了软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用,并总结归纳
7、了由于第三代移动通信系统的推动作用,软件无线电系统呈现出的一些新的发展趋势。2 第三代移动通信系统中的软件无线电技术第三代移动通信系统是指国际电信联盟(I T U)正在组织进行研究的,未来公用陆地移动通信系统即FPLM T S,1996 年更名为I M T 2 0 0 0。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7。该系统具有以下特点:(1)提供全球无缝覆盖和漫游;(2)提供第二代系统不能提供的多媒体业务(速率可高达2 M b s);(3)适应多种业务环境:蜂窝、无绳、卫星移动、PST N、数据网、I P等
8、;(4)具有单一的通信号码;(5)保证高的服务质量、按需分配带宽;(6)有多频多模通用手机;(7)频谱利用率高,容量大;(8)网络结构能适用无线、有线多种业务要求;(9)系统起始配置能充分利用第二代设备和设施,随后可平滑升级。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。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
9、信系统可支持的速率为室内静止2 M b s;步行移动38 4k b s;车速移动144k b s;卫星移动9.6 k b 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8。由于第三代移动通信的标准的统一是非常困难的,I M T 2 0 0 0 的发展策略已经改变过去“一统”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月的会议上一致通过了“I M T 2 0 0 0 家族”的概念9、10,它放弃了在空中接口、网络
10、技术方面等一致性的努力,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f i l e:/E|/q k/y d t x/y d t x 2 0 0 0/0 0 0 2/0 0 0 2 0 7.h t m(第 2 8 页)2 0 10-3-2 3 12:2 4:0 7移动通信0 0 0 2 0 7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;(2)智能天线结构的实现,空间特征矢量包括D O A 的获得、每射频通道权重的计算和天线波束赋形;(3)各
11、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。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“I M T 2 0 0 0”家庭概念的要求,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的实现,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
12、能更快地跟踪市场变化,降低更新换代的成本。智能天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。各种信号处理软件是软件无线电关键,应积极探索新的算法为更好的解决多频多模问题铺平道路。软件无线电技术是当今计算技术、超大规模集成电路和数字信号处理技术在无线电通信中应用的产物。它在我国提出的第三代移动通信系统SCD M A 中,应用就更广泛了,SCD M A 系统的基站和终端都采用了高速数字处理器和高速A D 变换器,处理速度高于50 0 0 万次秒,全部基带信号处理和变换都用软件来完成。在SCD M A 中软件无线电将实现如下功能:(1)提供一个开放
13、的模块化的系统结构;(2)智能天线的实现;(3)同步检测、建立和保持;(4)用户终端D Q PSK 解调器中的载波恢复、频率校准和跟踪;(5)每码道功率的测得和发射功率控制的实现;(6)接收通道的电平检测和接收增益控制;(7)扩频调制和解调,包括W A LSH 码和PN码的产生;(8)语音编译码;(9)D T M F、M FC及各种信号的产生和检测;(10)信道编码、复接和分接;(11)发射脉冲成形滤波;(12)SW A P信令的差错检测;(13)接收信令的差错检测;(14)发射通道的数字预失真;(15)基站收发信机的校准。以上可以看出软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用是非常广泛的,而
14、且只有软件无线电技术才能解决第三代移动通信系统中的多频多模手机与基站问题。3第三代移动通信中的软件无线电的新进展第三代移动通信系统是一个极富挑战性与创造性的未来标准的构想,而软件无线电技术是第三代移动通信系统的关键技术之一,故世界各国都投入巨大的力量研究软f i l e:/E|/q k/y d t x/y d t x 2 0 0 0/0 0 0 2/0 0 0 2 0 7.h t m(第 38 页)2 0 10-3-2 3 12:2 4:0 7移动通信0 0 0 2 0 7件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用,推动了软件无线电的发展。特别是近几年来,软件无线电的体系结构出现了一个些新的发展
15、趋势。3.1体系结构分层化与软件模块化软件无线电采用开放式的模块化的即插即用的系统结构,大大增强了第三代移动通信系统的灵活性、重用性。这与以往的无线电台有本质的区别,但仅是采用此结构还是远远不够的。第三代移动通信系统的软件设计是非常复杂的,为了减小软件设计的复杂性,软件无线电需要按层或级的方式来组织。Jo s e p h M i t o l a 在数学分析的基础上提出了一个软件无线电分层虚拟机参考模型,如图111。通信服务虚拟机服务个性描述信道对象无线应用虚拟机代理信道状态机信息流无线基础结构虚拟机基础结构状态机线程建立与控制硬件平台虚拟机指令集结构操作系统图1软件无线电分层虚拟参考模型分层虚
16、拟机模型定义了关键的接口。最底层是由普通处理器与具有指令集的A SIC与FPG A 组成。它包括了设备驱动、中断子程序、任务控制、资源分配与相关的操作系统服务。它提供了一个统一的硬件平台。基础结构虚拟机是建立与控制信息传输线程的。这包括话音通道、数据路径、无线控制信息线程、定时分配、频率校准与本地服务。基础结构状态机是为每一个用户信道提出请求与分配内部资源的。信道状态机控制静音、同步、保密功能和多媒体数据与话音的传输。通信服务如连接一个蜂窝用户与一个SINCG A RS用户是通过建立连接与插入代理来实现。此分层虚拟机模型是初步的,还需要研究与细化。软件无线电不仅需要硬件模块化,软件也需要模拟化
17、12。由于缺乏标准的应用级的软件到软件的A PI 与缺乏对存储器、缓存空间与处理资源的量化。软件重用度低,花费大,研制周期长,因而需要把软件实用地分成模块并有清楚定义与广泛应用的接口。软件无线电论坛是根据A PI(A p p l i c a t i o n Pr o g r a m m i n g I n t e r f a c e)来进行区分,采用CO RBA 技术。CO RBA 技术能够无缝的共享应用数据,它提供了一种软总线。利用接口定义语言(JA VA 语言是一个子集),每一个软件包被提供一个信息传输接口到O RB,被确定数量的对象用CO RBA 接口来实现插拔。CO RBA 技术在软件
18、无线电中的应用还需要进一步研究。f i l e:/E|/q k/y d t x/y d t x 2 0 0 0/0 0 0 2/0 0 0 2 0 7.h t m(第 48 页)2 0 10-3-2 3 12:2 4:0 7移动通信0 0 0 2 0 73.2 软件无线电结构数学分析化当软件无线电经历从研究到实用的转变时,建立软件无线电结构的可证明特性越来越重要11。如虽然用CO RBA 技术可以实现软件的模块化,大大提高了软件的可重用性,但是由于缺乏数学分析对存储器、缓存空间与处理资源的量化,很难讲出一个软件模块的数据吞吐、响应时间及其它关键要求。当重用自己软件库中或第三方的软件时,可能存在
19、系统性能下降,甚至系统崩溃,需要用数学模型来刻划快速涌现的技术。利用拓扑学来研究软件无线电结构,提高了即插即用结构的应用和有效重用。分析拓扑结构特性产生了分层分布虚拟机参考模型(如图1)与一系列的设计原则,结构设计原则是:1)有界递归模块:这样的模块将消耗可预测的资源,且软件错误不大可能引起系统崩溃。2)清楚的可扩展的接口拓扑:用拓扑空间的基来定义软件无线接口,并使用可扩展语言如U M L、SD L、I D L和A SN.1。3)分布分层虚拟机结构:这样可以最大的使用高一层或低一层的组件。为软件无线电结构建立数学模型,并进行数学分析,可以提高系统的稳定性,与可重用性等。3.3面向对象化第三代移
20、动通信系统面向的是个人服务。因而第三移动通信系统中的软件无线电技术需要面向对象设计。面向对象设计是一种很有效的设计方法。软件无线电具有很强的灵活性,使对象具有很强的选择性,因此其功能的设计应面向对象。面向对象的软件无线电系统结构如图213、14。图2 面向对象的软件无线电结构技术的进步已经宣告了一个电台具有一个灵活的新的物理层。多频带技术能够接入不只一种通信信道。对于一个无线接点如个人通信基站,可能需要与光纤、电缆相连,因此这些也包括在信道集中。信道编码功能包括可编程的射频信道接入、中频处理与调制解调。多模式无线电具有多种空中接口波形。这些波形可能在不同的频带内,还可能扩展到几个频带内工作。由
21、于具有不同的信源编码与信道编码,因而变成f i l e:/E|/q k/y d t x/y d t x 2 0 0 0/0 0 0 2/0 0 0 2 0 7.h t m(第 58 页)2 0 10-3-2 3 12:2 4:0 7移动通信0 0 0 2 0 7了多个性。一个个性包括了频带、信道(控制与通信信道)、空中接口波形、协议与相关的功能。信息安全可以减小无线通信网络中的欺骗行为与使通信保密。有些信源可能远离无线电节点,可通过服务与网络功能经SD H 与局域网或其它网络来实现连接。这些功能都是通过一个联合控制功能用多进程多处理器软件来混合完成的。每一个在图中的功能盒对应一种库。任何一种功
22、能在特定应用可能是空的。从开放结构来看,系统集成者、网络操作者和服务提供者从基于标准的可共同操作的库中选择来实现服务。3.4认知化、智能化为了更好地为个人服务,最近Jo e M i t o l a 在软件无线电的基础上提出了认知无线电15,如图3所示。认知软件无线电是指无线电的内部工作状态是可知的,通过无线电知识描述语言(Ra d i o K n o w l e d g e Re p r e s e n t a t i o n La n g u a g e-RK RL)与网络,针对无线规则进行智能交流,并采用支持关于用户需要的自动推理的方式,更好地为个人通信服务。无线规则是指一系列适合无线频谱
23、使用的射频带宽、空中接口、空间时间模式。认知无线电使软件无线电从预先定义协议盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理,它能找出各种方式来提供各种用户需要的服务,甚至用户都不知道是如何得到它的。目前的软件无线电构思不可能与网络进行智能交流,因为没有基于模式的推理计划能力和没有语言能表达这些事。软件无线电台不能与网络讨论这些内部结构,认知软件无线电则采用丰富的内部模式,广泛的进行这种对话。G SM 的自适应均衡阶数反映了信道多径结构。例如,一个网络可能需要问一个手机:你看到多少可区分的多径成分。认知无线电则知道内部自适应均衡状态。当根本没有多径,或多径很小时,软件无线电的处理能力被浪费。认知软件无线
24、可以把这种能力转向更有用的部分,如无线电与网络可以增加编码冗余度来增加下载速度,或处于休眠状态。图3认知软件无线电系统结构3.5计算机化软件无线电计算机化可以为第三代移动通信系统提供更强的灵活性、网络性与良f i l e:/E|/q k/y d t x/y d t x 2 0 0 0/0 0 0 2/0 0 0 2 0 7.h t m(第 6 8 页)2 0 10-3-2 3 12:2 4:0 7移动通信0 0 0 2 0 7好的人机界面。计算机化是指软件无线电需要与计算机技术相结合。软件无线电的特征之一是实现模块化。模块化是建立在总线结构的基础之上。软件无线电采用了总结结构,使得无线通信系统
25、中各功能部件之间的相互关系变为面向总线的单一关系。这样使无线通信产品易于实现模块化、标准化、系列化和通用性。PC机的发展速度很快,功能强大,用PC机来实现控制与软件编程将使软件无线电的技术更加快速发展。目前软件无线电与计算机结合体现在两个方面:一是提供友好的人机对话界面(M M I);二是利用PC机进行第三代移动通信系统的基带处理。如最近研究很热的虚拟软件无线电10,是充分利用计算机进行基带信号处理。它依靠高性能的模数转换做成硬件插卡,采用PCI 总线,工作在高速的PC机上。将信号宽带数字化后,在PC机上进行数字信号处理而不是D SP上。这一方法允许我们利用PC机硬件与软件资源,用新的方法来进
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- 第三代 移动 通信 系统 中的 软件 无线电 技术
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