SDR--未来无线通信设备的基本概念

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

中图分类号(CLC number)：TN929.5

文献标识码(Document code)：A

文章编号(Article ID)：1009-9336(2001)04-0066-10
 
1 引言

　　在笔者前一篇文章中[1]，对移动通信技术的发展方向进行了讨论和介绍。本文将着重介绍其中最具有革命性的软件定义无线电技术。

　　众所周知，在过去的20年内，无线通信技术取得了空前的高速发展。而21世纪的来临，又以第三代移动通信为代表，为无线通信的进一步大发展开辟了一个新天地。综观这20余年无线通信技术的发展，可以看到如下特点：

　　" 多址方式从频分多址(FDMA)到时分多址(TDMA)，再进步到码分多址(CDMA)；
　　" 每一代的技术均集中到相应的国际标准中，而标准的核心是无线传输技术(RTT)；
　　" 产品均按某一种特定的标准来开发和生产，并提供特定的服务；
　　" 产品的生产都依靠专用芯片，技术均固化在专用芯片内。

　　通过近20年的发展，移动通信已成为通信领域最活跃，市场份额最高的部分产业，也成为国际上市场竞争最激烈的部分。

　　但是，此传统的思路和产品开发及生产方式，已表现出不少问题，譬如：

　　" 产品是针对特定的标准中一个版本来开发和制造的。当新技术出现或版本升级或提供新业务时，只能开发新的专用芯片，制造新一代的设备。其结果不是限制了新技术和新业务的使用，就是给制造商、运营商带来更大的投资风险，给用户带来诸多不便；

　　" 用此传统思路，必然要求全球统一标准，但又难以实现。由于各国的经济利益，全球统一标准几乎是不可能的，反之，标准的种类还在不断增加。这样，造成频率的分配、管理更为困难，需要的频率资源增加，多频多模手持机制造困难，成本增加，而什么时候能实行真正意义的全球漫游，谁也说不清楚；

　　" 现代技术进步越来越快，在第三代移动通信还没有正式商用前，ITU已经在考虑由于技术进步所不得不进行的标准更新问题。由于前述原因，仅仅是标准升级和更新的程序就很难通过。这也在一定程度上影响了第三代移动通信设备的开发与制造，特别表现在由于技术进步，导致用户终端的开发(主要是专用芯片的开发)进度缓慢，第三代移动通信投入商用的时间推迟。

　　面对此问题，国际上，主要是美国，已经进行了大量的研究。典型的是麻省理工学院(MIT)的一个研究小组在征询了大量无线通信技术和产业界专家后所得到的结论：77%的专家认为，"软件定义无线电"(Software Defined Radio, 简称SDR)必将是一个解决全球无线通信需求的方案。1999年，美国FCC就开始组织有关专家对SDR进行研究；2000年3月，发表了一份文件[2]，对SDR的定义、要求和相关问题统一了认识，并倡导各公司和研究机构开发此技术。在SDR论坛，发表了大量讨论和见解[3]、[4]。2000年10月，美国代表团将它作为第三代后移动通信技术的发展方向，提交ITU-R WP8F会议并获得通过[1]。

　　本文的主要目的就是根据国际上的讨论和公开发表的信息，向读者介绍下一时期国际上移动通信技术的这个发展方向，为通信主管部门、研究开发部门、运营商和制造商的决策提供参考。

2 SDR的定义和要求

　　在过去几年，我们经常谈到软件无线电(Software Radio, 简称SR)，其概念是对接收到的信号或准备发射的信号在尽可能接近天线的地方实现数模(D/A)或模数(A/D)转换，用软件通过DSP、FPGA等可编程器件来实现硬件的功能。在通常意义上，软件无线电是实现某种特定的无线通信设备的一种手段。

　　而SDR的概念则要深刻得多，它是一个系统和体系的概念。SDR的无线通信设备考虑的是一个系统，它必须具有可重新编程和可重构的能力，使此设备可以使用于多种模式(标准)、多个频带和多种功能。它不仅仅使用如软件无线电中的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。SDR将是无线通信领域内一个革命性的概念。

　　目前人们对使用SDR的无线通信系统或设备，提出了如下的功能要求：

　　1． 重新编程及重新设定的能力；

　　" SDR设备可以被快速、简便地重新编程及重新设定，以支持任意传输形式的应用和在任何频率上的传输或接收；

　　" 重新编程及重新设定能力可实现用同一设备支持不同蜂窝技术、个人通信系统和其他无线业务在世界范围内使用。

　　2． 提供并改变业务的能力

　　" 采用SDR设备，用户不但可以支持传统业务并且可以支持新业务；

　　" 空中下载软件的概念可以保证用户可获得最新的业务服务。

　　3． 支持多标准的能力

　　" SDR能更好地体现"互操作性"这一概念，以支持多频段及多标准工作的无线通信系统；

　　" 在公共安全和紧急事件处理部门，采用SDR技术支持多频段通信；

　　" SDR能使无线运营商在基本不更换基站硬件的条件下，实现系统的版本更新、标准更新及升级换代。通过软件来定义出一个新的无线通信系统。

　　4． 智能化频谱利用

　　" SDR可提高频谱利用率和频率共享，可以灵活地接入到新频段；
　　" SDR设备具有"智能"功能，它可以监测其他设备使用的频谱，并在空闲频段上进行传输；
　　" SDR可以大大降低频率分配的困难和频率分配的风险。

　　总地说来，SDR是一个全新的，实现未来移动通信设备的概念和体系结构。它本身并不是一种孤立的技术，而是为所有新技术使用的公共平台。

3 SDR所带来的优势

　　使用SDR概念来设计和实现下一代的无线通信系统和设备，与传统的产品和设备相比较，具有明显的优势。它将使得从技术研究开发，到设备制造商，到电信运营商，到每个无线通信最终用户都受益。

　　3.1 对技术和产品的研究开发

传统的无线通信系统只对单一的标准进行产品开发，从标准相对稳定到设计和开发专用芯片，再到产品设计和实现是一个以年为单位的过程，开发周期长，开发成本高。上述情况导致在标准制定进程中，大多数新技术不能被应用，限制了新技术的发展和应用，导致商用产品和当时技术水平的巨大差异。
SDR将提供一个新概念和通用无线通信平台，在此平台上，可能基于软件来实现新业务和使用新技术，大大降低了开发成本和周期，使产品能跟上技术发展的水平。
未来的新业务将由用户来开发，只有使用SDR的概念，才可能让用户像使用PC一样，用SDR设备去开发所需的新业务。

　　3.2 对制造商

　　随着技术的进步，目前无线通信产品的生命周期越来越短，因此针对单一产品线的投资风险很大。这要求移动通信设备制造商有强大的技术开发和技术支持能力，大大增加了产品成本。即便如此，任何在决策上，管理上，市场上的失败都会导致投资的巨大损失。

　　SDR是基于产品的，基于SDR产品的生产将：

　　- 比传统产品原材料成本低；
　　- 产品寿命长，意味着投资风险低；
　　- 由于它简单化及标准化硬件使得产品容易生产。

　　因此，制造商生产基于SDR技术的产品，可得到远大于生产传统产品的效益。

　　3.3 运营商

　　移动通信网建设需要巨大投资，同时具有很大风险性。如我国现今一方面由于市场需求，GSM网络迅速扩容，增加GPRS设备；另一方面又面临第三代移动通信即将到来的时期，制定一个成功的投资战略极为困难。在下阶段又将考虑在第三代移动通信的多种标准中如何选择，也有很大的投资风险。

　　而基于SDR技术的产品将为运营商带来利益，它表现在：

　　- 比传统产品成本低；
　　- 投资风险低，同一基站目前可以工作于GSM网络，通过软件升级可提供GPRS业务，再升级可工作于任何一个第三代移动通信标准；
　　- 真正意义上的平滑过渡使得系统设备的寿命延长；
　　- 为提供新业务提供了灵活方便的硬件平台。

　　显然，SDR将给运营商带来比传统产品更多的利润。

　　3.4 对最终用户

　　基于SDR技术用户的设备，则是要为用户提供一个通用的终端设备平台。它应当能支持多达5~8种国际上通用的标准，而且可以通过空间加载软件技术达到用户设备升级的目的。只有这样，用户才不需要关心他所在的地区和运营商的问题而实现真正意义的全世界漫游。用户也才有可能获得他所希望得到的新业务。

4 SDR技术所面临的挑战

　　目前，很多国际上的研究单位和公司都在关心和研究SDR技术。但不同公司对SDR技术的未来仍然有不同的看法：多数欧洲公司认为它将在2008年后广泛使用，一些美国公司认为可能在2005年开始广泛应用，而少数小规模的高技术公司则在为2002-2003年推出初期SDR无线通信产品(基站和用户终端)而努力。到底SDR技术中有哪些挑战，有哪些关键技术问题，造成人们对此技术的广泛应用前景有如此大的差异？本节中将对此作一个简单分析。

　　4.1 体系和结构

　　SDR体系结构应具有如下特性：

　　- 灵活性：处理多模式、多频带、多标准等的可能性；
　　- 可升级性：必须兼容现有主要标准并有向未来可能考虑到的标准升级的能力；
　　- 可扩充性：有在设备功能、业务、容量等方面定量扩充的可能；
　　- 使用未来技术的可能性：此SDR设备应尽可能使用目前已在开发，未来可能应用的新技术。

　　目前，人们认为SDR的体系结构是一个通用的硬件平台。其构成应包括如图1所示的各基本单元。下面，对其主要单元予以说明：

　　" 收发天线及馈线：为了使用智能天线技术，它们均应当是由多只天线单元组成的天线阵。其辐射图形将由基带数字信号处理来控制；

　　" 射频发射机：由通用平台和多只射频发射机模块组成。其工作频率范围应当足够宽，并用数字频率合成技术来设置。对每种标准应能多载波工作。此发射机还包括多只高功率放大器。所有发射机均应当具有高线性，可以用数字预失真等技术来解决自适应非线性补偿等问题；

　　" 射频接收机：由通用平台和多只射频接收机模块组成。其工作频率范围应当足够宽，并用数字频率合成技术来设置。对每种标准应能多载波工作；

　　" 高速数字链路：射频和基带平台之间的链路是多条高速数字链路。为支持第二代和第三代移动通信标准，此链路上的数字信号传输速率将超过1~2Gbit/s这个总线结构的设计直接关系到系统的成功；

　　" 通用基带数字信号处理平台：此平台由多种相同或不同的数字电路板所组成，其数量根据系统容量决定，是可以积木式扩容的。在每只电路板中，主要的器件是可编程、可设置的基带数字信号处理电路。此平台应当完成图1中右面几个单元，诸如接口、信息应用及控制等功能。

　　" 多种软件包：在此平台建立起来后，大量的技术和内容就是各种软件，它们将包括：

　　- 控制软件包：如对基站进行配置、设置、管理等的软件；
　　- 物理层软件包：对每一种标准和制式将有其物理层软件；
　　- 高层软件：分别对每一种标准和制式；
　　- 系统接口软件：对多种接口要求。

　　这些软件都将存放在基带数字信号处理平台中，或通过网络加载进来。

图1 SDR结构的基本单元
Figure 1 Basic Elements of the SDR Architecture

　　4.2 宽带可编程、可配置的射频和中频技术

　　目前的无线通信标准中，每个载波的带宽从25kHz (TACS)到5MHz (WCDMA)；工作频段从800MHz 到3GHz；在射频接收和发射各方面都有不同的技术指标。这对SDR多模式设备来说是最具有挑战性的工作。其主要问题是：

　　- 宽带工作的问题。目前射频元器件的水平还只能支持20%左右的带宽，故在初期的SDR设备中，在支持多标准时还可能要求更换射频模块；

　　- 模拟电路的可编程和可配置问题。模拟电路是技术进展最缓慢的部分，故在目前设计SDR设备时，都尽可能降低对模拟电路进行编程的要求，而广泛采用中频(数字中频)技术。

　　4.3 智能天线技术

　　对未来的无线通信设备，特别是基站设备，不论工作于TDD或FDD双工方式，都必须基于智能天线才可能提供更高的频谱效率。对SDR基站设备，使用智能天线技术于所有所支持的模式也是一个挑战。

　　4.4 基带处理平台

　　从技术核心到实现可编程和可配置等方面，任何无线通信标准的核心是其RTT中的物理层技术。随着技术的进步，数字信号处理技术的复杂性越来越高，也就要求基带处理平台的能力越来越强。目前，能用软件实现数字信号处理的器件主要是数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)两大类。前者已达到数千MIPS的能力；而后者已超过百万门。以上两种器件各有其特点，分别适用于处理不同的问题和算法。一个重要的发展方向是将两者的优点结合起来，用并行处理的技术，在不无限提高主频的前提下将处理能力提高到上万MIPS，同时还具有快速编程和配置的能力：即所谓"超级并行处理器"(Re-configurable Processor, RCP)。

　　对用户终端来说，其基带处理平台将主要由MCU和RCP构成。在终端设备中，除要求强大的处理能力外，还要求低功耗，这也要依靠微电子近年的进展来保证。

　　4.5 准制式的接口

　　对无线基站，不同标准和体制有不同的网络接口，如GSM的Abis，3GPP的Iub，等等。其物理层和高层都不相同。在SDR基站中，必须要支持这些不同的接口要求，并通过重新编程和配置来解决。

　　4.6 业务问题

　　用户终端的新业务可以通过空间软件加载方式由运营商提供，但目前空间加载的技术仍需完善；由用户自己创建自己需要的业务则更是一个理想，还有很长的路要走。

5 小结

　　本文对近来国际上，主要是美国在面对移动通信发展的挑战，在软件定义无线电(SDR)技术方面的动向作了简单的介绍。从本文的介绍可以得到如下结论：

　　1． 在无线设备(基站和用户终端)的实现技术方面，最活跃的是软件定义无线电。它为新一代产品的设计和开发提出了革命性的前景。再经过几年的努力，无线通信产品市场中最具有竞争力的产品必然是用软件定义无线电的概念，具有多模式的基站和用户终端。此发展方向已经非常明确了，唯一未知的是出现在市场上的时间。

　　2． 软件定义无线电的实现还必须克服大量技术上的困难和建立一套完整的体系结构。相对来说，在微电子和基带数字信号处理等方面的困难要容易克服一些，而体系结构和射频技术方面的困难要大得多。但在1~2年内，我们将会看到这方面的突破。

　　3． 我国提出的TD-SCDMA 无线传输技术标准，是唯一明确将智能天线和高速数字调制技术设计在标准中，明确用软件无线电技术来实施的标准。可以说，TD-SCDMA技术在一定程度上代表了国际上移动通信无线传输技术的发展方向。另一方面，TD-SCDMA技术也是比较方便用软件定义无线电来实现的技术。