軟件無線電的無線應(yīng)用(07-100)

　　無線通信基礎(chǔ)設(shè)施制造商針對(duì)大面積覆蓋范圍的要求，傳統(tǒng)地開發(fā)出單標(biāo)準(zhǔn)、大功率、高性能網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)這些網(wǎng)絡(luò)來支持專門的無線標(biāo)準(zhǔn)，而且為了更新前回收投資。隨著無線通信需求的增加，新的無線標(biāo)準(zhǔn)正在出現(xiàn)，特許頻段數(shù)正在增加，創(chuàng)新正在以更快的步伐加速。由于實(shí)現(xiàn)專用網(wǎng)絡(luò)的成本很高，所以，電信運(yùn)營(yíng)商正尋求提高性能的方法，以便在不重復(fù)的情況下投資基礎(chǔ)設(shè)施，支持不同的無線標(biāo)準(zhǔn)。此外，較小的電信運(yùn)營(yíng)商和具有遠(yuǎn)程覆蓋范圍的電信運(yùn)營(yíng)商，正在尋求新技術(shù)和新功能，以便保持競(jìng)爭(zhēng)力，得到新的收入機(jī)會(huì)。

　　現(xiàn)在，電信運(yùn)營(yíng)商需要有一種方案;在單個(gè)平臺(tái)上同時(shí)工作多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而且有足夠的靈活性、縮放性和移植性來適合各類RF覆蓋范圍和功能要求，此方案就是軟件無線電。

　　軟件無線電也稱為SDR(Software-defin radio)，完全以軟件提供給無線運(yùn)營(yíng)商采用新技術(shù)(GSM，CDMA以及未來新技術(shù))的能力，避免購(gòu)買新的高成本專有硬件設(shè)備。軟件無線電給出節(jié)省成本的方案，其優(yōu)點(diǎn)包括：

　　·在網(wǎng)絡(luò)上增加新技術(shù)時(shí)無硬件重復(fù);

　　·在單一平臺(tái)上同時(shí)運(yùn)行多標(biāo)準(zhǔn)的能力;

　　·利用商業(yè)上現(xiàn)成的計(jì)算服務(wù)商，以確保高性能低成本硬件;

　　·從中心存儲(chǔ)單元遠(yuǎn)程軟件下載，可增強(qiáng)系統(tǒng)能力或增加無線標(biāo)準(zhǔn)。

　　·由于是IP基方案，所以有顯著小的回程費(fèi)用。

　　蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施方法與軟件無線電比較

　　傳統(tǒng)無線通信工作類似于其他無線電：一個(gè)天線和一個(gè)收發(fā)器檢測(cè)和發(fā)射無線電波。接收器濾波和下變頻這些無線電信號(hào)，然后，由DSP、FPGA、ASIC或三者組合數(shù)字化，進(jìn)一步處理這些信號(hào)。發(fā)射器利用同樣的元件，在基帶生成和處理數(shù)字信號(hào)，并上變頻數(shù)字信號(hào)為模擬波形。結(jié)果是經(jīng)空中發(fā)射的聲音或數(shù)據(jù)被無線裝置接收。

　　軟件無線電的目的是在軟件中借助開發(fā)的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GSM，CDMA，3G和未來標(biāo)準(zhǔn))，從硬件平臺(tái)上區(qū)分無線標(biāo)準(zhǔn)。芯片成功地使計(jì)算機(jī)運(yùn)行更快，利用計(jì)算能力的增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)這種方法是可能的。這使軟件無線電方案能沿Moore定律性價(jià)曲線發(fā)展，其中第14~24個(gè)日計(jì)算機(jī)處理能力加倍。

　　軟件無線電的目的看起來似乎簡(jiǎn)單，然而，新標(biāo)準(zhǔn)在軟件中實(shí)現(xiàn)并非容易。設(shè)計(jì)一個(gè)在寬頻率范圍內(nèi)具有均勻增益的單天線、濾波接收的信號(hào)、有效的放大發(fā)射信號(hào)以及執(zhí)行寬帶模/數(shù)變換，這些都是艱巨的任務(wù)。軟件無線電在真正實(shí)用前必須克服這些問題。

　　軟件無線電技術(shù)

　　軟件無線電比硬件無線電具有顯著的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理軟件如同運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)Linux或POSIX依從操作系統(tǒng)頂端的應(yīng)用級(jí)程序。此方法為無線制造商和供應(yīng)商提供如下好處：

　　·使得無線運(yùn)營(yíng)商能配置網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)濟(jì)地增加或改變服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，支持隨著技術(shù)的變化，對(duì)一個(gè)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)做超前財(cái)物評(píng)估。

　　·使軟件移植性最大化，使得重新實(shí)現(xiàn)軟件的時(shí)間、工作量及成本都最小。

　　·分配軟件來仿真RF設(shè)計(jì)工程師熟悉的構(gòu)建單元。這些構(gòu)建單元可以重新用在很多不同RF環(huán)境下(例如，室內(nèi)，室外，城市，鄉(xiāng)村)，使無線運(yùn)營(yíng)商使用新技術(shù)的上市時(shí)間最短。

　　跨越所有系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　無線標(biāo)準(zhǔn)配置為兩部分，這兩部分有顯著不同的移植性任務(wù)?？刂撇糠峙渲煤涂刂葡到y(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)較高級(jí)功能(如協(xié)議狀態(tài)機(jī)和網(wǎng)絡(luò)路由)。信號(hào)處理部分實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)和RF無線標(biāo)準(zhǔn)的采樣表示之間的高速變換。

　　信號(hào)處理元件由中件層(執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸和模件集成)和信號(hào)處理模件庫(kù)(用于FM調(diào)制，Viterbi編碼，F(xiàn)IR濾波功能)組成。

　　控制元件是一個(gè)用C或C++編寫的可移植、模塊化的軟件應(yīng)用。其中可移植軟件執(zhí)行，可執(zhí)行性是從較高級(jí)描述(如狀態(tài)圖)自動(dòng)生成的，這降低了設(shè)計(jì)時(shí)間，增加了保證。

　　軟件的成本相當(dāng)高。而且是軟件無線電工程成本的增長(zhǎng)因素。在所有最大容量的應(yīng)用中，軟件的開發(fā)成本是軟件無線電裝置單元成本的最主要部分。

　　現(xiàn)代軟件工程技術(shù)承擔(dān)高速信號(hào)處理的艱巨任務(wù)。構(gòu)建信號(hào)處理的傳統(tǒng)方法導(dǎo)致軟件抽象、模件性和同類軟件工程技術(shù)的高開銷。

　　軟件移植性對(duì)于降低軟件成本和開發(fā)時(shí)間是一種關(guān)鍵手段。用其移植性針對(duì)每個(gè)新平臺(tái)不需要開發(fā)各自的無線標(biāo)準(zhǔn)?？梢浦材＜睦媒档土藴y(cè)試成本和開發(fā)時(shí)間。

　　為無線標(biāo)準(zhǔn)移植設(shè)計(jì)的軟件無線電器件，給用戶帶來很大的好處?？傊?，軟件移植的高水平，為軟件無線電的應(yīng)用和操作提供了良好的轉(zhuǎn)換效果。

　　軟件無線電實(shí)例

　　將來，軟件無線電將包括無縫處理頻率范圍和多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)的器件。未來，軟件無線電可能替代很多現(xiàn)有的移動(dòng)裝置。

　　無線運(yùn)營(yíng)商為更新其已有網(wǎng)絡(luò)而承受高成本時(shí)，發(fā)現(xiàn)軟件無線電具有特殊的無線基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)越性。例如，Mid-Tex Cellwlar鄉(xiāng)村運(yùn)營(yíng)商在美國(guó)中心得克薩斯有14,000用戶，區(qū)域范圍100英里(長(zhǎng))×75英里(寬)。Mid-Tex選擇采用軟件無線電(圖1)，為已有TDMA用戶提供GSM/GPRS服務(wù)。為了與國(guó)家運(yùn)營(yíng)商達(dá)成的新漫游協(xié)議，增加另外蜂窩標(biāo)準(zhǔn)所需的靈活性。Mid-Tex從前運(yùn)行在TDMA模擬網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)在每個(gè)基站需要2個(gè)大機(jī)柜。

　　Mid-Tex選擇Vanu公司的Anywave基站做為此次更新的技術(shù)平臺(tái)。現(xiàn)在，GSM/GPRS的等效功能在單機(jī)架安裝的IT級(jí)服務(wù)器上執(zhí)行。BTS(基站收發(fā)信臺(tái))服務(wù)器和RF頭安裝在天線端，把BSC和其他功能集中。典型鄉(xiāng)村回程(如Mid-Tex)中的回程租用T1線路和微波鏈路，而對(duì)每一個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)都需要專門的回程。然而，用Vanu的軟件無線電，單個(gè)BT(圖2)服務(wù)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因此，大大地降低了回程。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)路由器提供遠(yuǎn)程站和中心BSC之間的IP連接。BSC本身在IT級(jí)服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)，靠千兆位Ethernet鏈路連接。早在2005年，Mid-Tek GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)已進(jìn)入商業(yè)服務(wù)，粗略估計(jì)以27個(gè)BTS站支持在GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)(圖3)中運(yùn)行、服務(wù)4000個(gè)用戶，每個(gè)有2300萬分鐘使用記帳單。現(xiàn)在Mid-Tex經(jīng)認(rèn)證，并承擔(dān)Cingular的GSM漫游。

　　軟件無線電的另一個(gè)理想應(yīng)用是遠(yuǎn)程站，在遠(yuǎn)程站中到蜂窩交換機(jī)或PSTN的網(wǎng)絡(luò)接入是昂貴的和間歇式的。遠(yuǎn)程站例子可以是遠(yuǎn)程村莊、近海石油鉆機(jī)、巡航船或飛機(jī)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商特別感興趣的是家庭基站，家庭中的低成本毫微微蜂窩小區(qū)(femtocell)(采用寬帶Internet回程)能顯著地改善住宅覆蓋范圍，并消除了與陸線電話業(yè)務(wù)相關(guān)的成本。