4G中軟件無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用

安徽廣播電視監(jiān)測(cè)臺(tái) 張理康

4G中軟件無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用

安徽廣播電視監(jiān)測(cè)臺(tái) 張理康

本文對(duì)當(dāng)前通信領(lǐng)域的一些基本情況進(jìn)行基本介紹，簡(jiǎn)要敘述了軟件無(wú)線電技術(shù)及其發(fā)展概況，并且對(duì)當(dāng)前流行的第四代移動(dòng)通信（4G）做了應(yīng)用方面的描述。

移動(dòng)通信；4G；軟件；無(wú)線電技術(shù)；智能天線

1 引言

當(dāng)前無(wú)線電的技術(shù)中存在以微電子技術(shù)為支撐的軟件無(wú)線電技術(shù)，這個(gè)技術(shù)的產(chǎn)生基礎(chǔ)是根據(jù)現(xiàn)代通信理論知識(shí)作指導(dǎo)，運(yùn)用現(xiàn)今的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)做支撐，主要目的為滿足個(gè)人通信的需求，主要市場(chǎng)為未來(lái)的通信需求。傳統(tǒng)的收發(fā)設(shè)備功能單一，硬件設(shè)計(jì)上可擴(kuò)展性差，通信的核心受到了限制，軟件無(wú)線電的產(chǎn)生突破了這一局限，設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)強(qiáng)調(diào)通信的開放性，簡(jiǎn)約通用，可在系統(tǒng)中配制或者重新擴(kuò)展不同的軟件進(jìn)行產(chǎn)品應(yīng)用，對(duì)各種無(wú)線電功能的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。軟件無(wú)線電技術(shù)的基礎(chǔ)在于構(gòu)造出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的模塊通用硬件，使之成為一個(gè)開放式的平臺(tái)，在平臺(tái)的集成中體現(xiàn)軟件模塊的多功能性，軟件主要控制工作頻率，調(diào)制和解調(diào)類型，數(shù)據(jù)格式，信息的加密方式，互相之間通信技術(shù)協(xié)議等方面。對(duì)于寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行研究，體現(xiàn)出模塊的靈活性，研制出開放性的新一代無(wú)線通信系統(tǒng)。

2 軟件無(wú)線電技術(shù)的模型

通常對(duì)軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)框架模型可以從下圖中看出。理想中的結(jié)構(gòu)組成由天線部分，射頻前端模塊部分，A/D-D/A的寬帶和窄帶轉(zhuǎn)換器部分，標(biāo)準(zhǔn)及專用數(shù)字信號(hào)處理器部分，各種調(diào)試解調(diào)軟件等組成。軟件無(wú)線電技術(shù)中的天線部分覆蓋的頻率波帶范圍比較大，主要為范圍內(nèi)的每個(gè)頻帶特性需要均勻，這樣才能滿足用戶的各種服務(wù)需求。模擬信號(hào)處理任務(wù)完全由數(shù)字化DSP軟件承擔(dān)。RF前端主要工作就是完成波段轉(zhuǎn)換，過(guò)濾無(wú)關(guān)波段，放大功率等任務(wù)，從而可以達(dá)到驗(yàn)收、放大、變頻、濾波等功能。為了減少處理壓力通用DSP，通常是數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器通過(guò)專用的數(shù)字信號(hào)處理裝置處理完成，減少數(shù)據(jù)流量，和之后的信號(hào)變?yōu)榛鶐?，然后?shù)據(jù)被發(fā)送到DSP通用處理。

圖1 軟件無(wú)線電技術(shù)結(jié)構(gòu)框架圖

從圖中可以清楚的看出三種類型結(jié)構(gòu)：射頻低通采樣數(shù)字架構(gòu)，RF帶通采樣結(jié)構(gòu)和寬帶數(shù)字帶通采樣數(shù)字架構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)形式主要有：

（1）射頻低通采樣的數(shù)字化的軟件無(wú)線電，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式較為簡(jiǎn)單，對(duì)模擬電路的元器件使用數(shù)目很少，可以實(shí)現(xiàn)基本的功能。

（2）RF帶通采樣的數(shù)字化的軟件無(wú)線電和之前的A/D使用相對(duì)窄的帶寬，功率傳輸濾波器的低通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)之間的主要區(qū)別，則根據(jù)所需要的處理帶寬帶通取樣。

（3）寬帶帶通采樣數(shù)字化軟件無(wú)線電架構(gòu)采用了一些混合系統(tǒng)或稱為超外差系統(tǒng)，這種類型和中頻數(shù)字接收機(jī)比較相似，主要特點(diǎn)是擁有更寬的中頻帶寬，并且利用軟件控制來(lái)實(shí)現(xiàn)所有調(diào)制解調(diào)器調(diào)整等功能。

3 軟件無(wú)線電技術(shù)的關(guān)鍵

在軟件無(wú)線電中的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

（1）高速A/D，D/A轉(zhuǎn)換：A/D的關(guān)鍵性能是采樣率和采樣精度，理想的軟件無(wú)線電為A/D直接在電臺(tái)轉(zhuǎn)換時(shí)，采樣率要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為了防止反射信號(hào)特性出現(xiàn)失真影響整體性能，采樣頻率（fs）的要求信號(hào)帶寬至少是普通的兩倍模擬接口媧。為了確保性能，在實(shí)踐中采樣的過(guò)程往往需要fs＞2.5WA。根據(jù)這樣的研究結(jié)果可以判別出有效的解決方案，根據(jù)多個(gè)高速采樣數(shù)據(jù)以及穩(wěn)定電路中的ADC量化速率，并通過(guò)并行——串行轉(zhuǎn)換器減少，增加采樣分辨率。

（2）寬帶/分波段天線：軟件無(wú)線電技術(shù)主要集中在短波工作，并且可以在范圍相當(dāng)寬的頻帶中進(jìn)行微波處理工作，因此就需要研究一種新的天線技術(shù)，天線的設(shè)計(jì)主要集中在全向?qū)拵?，同時(shí)使用軟件智能構(gòu)成軟系統(tǒng)，按照設(shè)計(jì)的頻率和輻射特性進(jìn)行有效的工作。目前的計(jì)劃是采取多頻段天線的組合可行性。

（3）高速并行DSP：數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片是必要的基礎(chǔ)軟件無(wú)線電設(shè)備。設(shè)計(jì)的軟件用于在數(shù)字信號(hào)處理芯片上進(jìn)行的。主要包括三個(gè)部分：基帶調(diào)制解調(diào)處理器，比特流處理和信源編碼。基帶調(diào)制解調(diào)器的主要功能就是通過(guò)各種波形的分析，然后進(jìn)行擴(kuò)大或縮小頻率，滿足頻率的適應(yīng)均衡以及各種數(shù)字處理通道的同步，同步工作需要在規(guī)定的實(shí)際內(nèi)處理幾十到幾百的MIPS的能力。比特流處理主要是針對(duì)信道編解碼器進(jìn)行復(fù)用、分解和交換工作，對(duì)信心命令進(jìn)行控制操作和基礎(chǔ)管理，對(duì)信息流進(jìn)行加密和解密步驟，每個(gè)人都需要的處理能力的數(shù)十種MIPS。信源編碼主要是進(jìn)行信息中的聲音，圖像等編碼進(jìn)行運(yùn)算處理，每個(gè)運(yùn)算通道都需要十幾個(gè)MIPS的處理能力，如果需要完成一個(gè)巨大的信號(hào)處理，就需要采用多個(gè)DSP并行處理結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行高速運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的可能。

（4）多載波功率放大器（MCPA）：在多個(gè)載波信號(hào)的發(fā)射方向理想的軟件無(wú)線電合成一路經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，與寬帶MCPA?；旌闲盘?hào)，低噪聲放大。因?yàn)榘j(luò)線信號(hào)和所述信號(hào)的混合信號(hào)振幅有很大變化，這是特別敏感的非線性放大器，采用抑制工作中不需要的互調(diào)載波反饋技術(shù)，寬帶MCPA獲得當(dāng)前狀態(tài)下的有效的功率，設(shè)備穩(wěn)步運(yùn)行使用電路優(yōu)化技術(shù)。

（5）軟件無(wú)線電算法：通過(guò)系統(tǒng)上的工作軟件進(jìn)行控制，將整個(gè)技術(shù)中的物理設(shè)備進(jìn)行數(shù)學(xué)模型描述，實(shí)現(xiàn)其各種功能，然后在計(jì)算機(jī)算法描述語(yǔ)言，并最終轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫的程序。軟件無(wú)線電算法特點(diǎn)：

⊙軟件無(wú)線電的算法應(yīng)該是自由化（易升級(jí)），開放性（模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化）的高度；

⊙呈現(xiàn)主算法數(shù)值方法，但不排除其他的算法，或算法的各種組合；

⊙實(shí)時(shí)信號(hào)處理。在時(shí)間和空間算法的要求是非常高的。

這些技術(shù)是在深入學(xué)習(xí)，實(shí)踐中不斷的進(jìn)行優(yōu)化。

4 軟件無(wú)線電技術(shù)當(dāng)前的發(fā)展

當(dāng)前日常生活中移動(dòng)通信系統(tǒng)第三代技術(shù)已經(jīng)非常成熟，3G無(wú)線系統(tǒng)早已經(jīng)開始了商業(yè)運(yùn)行模式。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)之間的不同標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)壁壘需要解決，否則無(wú)法適應(yīng)無(wú)線電技術(shù)的快速發(fā)展，并且用戶在使用無(wú)線通信系統(tǒng)時(shí)要求系統(tǒng)靈活性和擴(kuò)展能力的程度很高。作為第三代軟件無(wú)線電技術(shù)移動(dòng)通信目前使用的W-CDMA和CDMA2000是使用碼分多址，具有范圍廣的信道帶寬，數(shù)據(jù)率需要高速的支持才能從其他共同信道編碼上獲得不同的數(shù)據(jù)服務(wù)，同時(shí)在硬件標(biāo)準(zhǔn)之間的芯片速率和帶寬信道選擇碼存在不同的差異，為了解決提高系統(tǒng)容量的問(wèn)題適應(yīng)多種領(lǐng)域，3G將在智能天線技術(shù)（智能天線），多用戶檢測(cè)（MUD）被使用，使得軟件無(wú)線電技術(shù)具有在3G系統(tǒng)中的廣闊的應(yīng)用空間。

在歐洲共同體法令第一個(gè)項(xiàng)目中，軟件無(wú)線電技術(shù)被允許使用在多頻段、多模編程的手機(jī)系統(tǒng)中使用。通過(guò)對(duì)環(huán)境波段的自動(dòng)檢測(cè)接收信號(hào)，來(lái)訪問(wèn)波段不同的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了任意時(shí)間和環(huán)境下的連接要求。使用不同無(wú)線電設(shè)備中的軟件無(wú)線電技術(shù)，可任意改變接收過(guò)程中的信道接入方式以及調(diào)制方式，主要就是軟件基于的原理不同，適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也不相同，這些不同通過(guò)多功能基站的自協(xié)調(diào)性得到選擇。而智能天線技術(shù)在中國(guó)的實(shí)現(xiàn)方案主要為利用現(xiàn)有的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，識(shí)別和分析用戶信號(hào)到達(dá)方向和區(qū)域，然后通過(guò)天線主波束引入空分多址（SDMA）方式，對(duì)用戶信號(hào)傳播方向上的不同的空間提供不同的空間信道，對(duì)加權(quán)的接收信號(hào)，以形成多個(gè)波束成形的方法，對(duì)于手機(jī)用戶的接收和發(fā)送，無(wú)線電波段光束可以動(dòng)態(tài)跟蹤用戶，基站中發(fā)射的主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)的方向，發(fā)射干擾信號(hào)，形成功率上增益和遞減，從而達(dá)到抑制干擾的目的。此外，軟件無(wú)線電技術(shù)在使用過(guò)程中出現(xiàn)了一些新的發(fā)展趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在硬件條件下的層次結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中的軟件模塊，波段結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)分析，以及面向電腦和手機(jī)用戶的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。

5 4G中的軟件無(wú)線電技術(shù)

隨著通信市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)商發(fā)展3G技術(shù)的不斷成熟，以及用戶對(duì)通信需求的不斷提升，目前國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）已經(jīng)開始研究第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的制定，并已達(dá)成共識(shí)：軟件無(wú)線電技術(shù)的新產(chǎn)品4G使用與其他移動(dòng)通信系統(tǒng)LAN，WLAN等相結(jié)合，2010年之前4G技術(shù)中的數(shù)據(jù)傳輸速率較為3G技術(shù)得到大幅度的提升，達(dá)到100Mb/s，同時(shí)提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩囗?xiàng)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，與基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接中的藍(lán)牙，收音機(jī)，電視和衛(wèi)星通信相互兼容，真正意義上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫對(duì)接。

軟件無(wú)線電4G技術(shù)的組成包括：OFDM（正交頻分復(fù)用），軟件無(wú)線電，智能天線和IPv6技術(shù)。4G軟件無(wú)線電技術(shù)的橋梁就是4G軟件的設(shè)計(jì)和使用，它主導(dǎo)著4G技術(shù)的未來(lái)。由于無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展很多原理相輔相成，因此有助于降低4G軟件開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，并且擴(kuò)展了軟件的兼容性，使得4G網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)不同類型的產(chǎn)品要求，滿足了產(chǎn)品的多樣性。開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的降低帶動(dòng)開發(fā)系列產(chǎn)品的成本降低，并且芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，使產(chǎn)品在芯片上的使用穩(wěn)定性增強(qiáng)，從而減少了設(shè)備的投入，4G技術(shù)中的開放式架構(gòu)也允許更多的操作員進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中，由于使用DSP也彌補(bǔ)低成本RF（射頻）所引起的成本昂貴和反應(yīng)不靈活的缺點(diǎn)。由于4G通信系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)流的基礎(chǔ)上采用了全路的IP包的選擇，因此IPv6技術(shù)將成為下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的核心。而大量的鏈接類型（如數(shù)據(jù)，VOIP）的不同環(huán)節(jié)都可以通過(guò)SDR互連，此外動(dòng)態(tài)頻譜分配，也有利于新業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

4G天線技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)就是與SDR技術(shù)聯(lián)系在一起。這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的產(chǎn)生根據(jù)軟件無(wú)線電天線的新概念提出的設(shè)計(jì)，數(shù)字多波束形成（DBF）技術(shù)和產(chǎn)品的軟件無(wú)線電完美結(jié)合。首先軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展提供了智能天線技術(shù)可行理論的基礎(chǔ)，同時(shí)也提出了實(shí)現(xiàn)的有效辦法，其他智能天線軟件開發(fā)的無(wú)線電起到了促進(jìn)作用。他們都互相滲透和相輔相成的。基于軟件無(wú)線電智能天線包括：被誘導(dǎo)的RF信號(hào)單通道智能天線陣列，A/D采樣前端模擬預(yù)處理轉(zhuǎn)換寬帶IF信號(hào)時(shí)，寬帶IF由信號(hào)/e數(shù)字化為一個(gè)數(shù)字下變頻器（DDC），寬帶數(shù)字IF內(nèi)的特定感興趣的采樣速率轉(zhuǎn)換和數(shù)字正交下對(duì)信號(hào)帶寬轉(zhuǎn)換以低的采樣速率的基帶正交（I/Q）的數(shù)字信號(hào)，兼容信號(hào)的I/Q基帶數(shù)據(jù)被同時(shí)發(fā)送到M個(gè)數(shù)字波束形成（DBF），分別為不同的點(diǎn)波束成形的操作，最終實(shí)現(xiàn)所需的m個(gè)波束。M個(gè)光束同時(shí)解調(diào)過(guò)程中選擇最大信號(hào)的一個(gè)于光束的信噪比信息解調(diào)模塊（DEMOD）被解調(diào)，前者可以達(dá)到同樣的頻率復(fù)用，后者可以實(shí)現(xiàn)定向接受，提高輸出信號(hào)的信噪比。其次是多通道智能天線，它與單信道智能天線比較，經(jīng)過(guò)A/D設(shè)置出多個(gè)單信道的多波束形成器，天線形成多相濾波器通道，實(shí)現(xiàn)空間頻域遠(yuǎn)近傳輸?shù)哪芰Α?/p>

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的提高，家庭和企業(yè)的移動(dòng)通信需求標(biāo)準(zhǔn)各不相同，使得目前原有的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)需要作出相應(yīng)的改變。從軟件無(wú)線電技術(shù)近期體現(xiàn)的優(yōu)惠性來(lái)看，它的存在可以解決移動(dòng)通信中不同標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，實(shí)現(xiàn)了通信的全球漫游便利，而往深處著眼，軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展完全實(shí)現(xiàn)了通信的無(wú)線化，使得任何環(huán)境下都可以改變自適應(yīng)配置，關(guān)閉/發(fā)射機(jī)，調(diào)制解調(diào)信道編碼，解碼模式下的數(shù)據(jù)傳輸速率，甚至調(diào)整信道頻率，帶寬和無(wú)線接入技術(shù)。4G中的軟件無(wú)線電技術(shù)在現(xiàn)代智能通信系統(tǒng)中，可以更為充分地利用頻譜資源的最大容量，滿足用戶的對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的要求，相信隨著軟件無(wú)線電技術(shù)的不斷發(fā)展，其在4G的作用將日益突出，將更能提升用戶的需求，進(jìn)而促進(jìn)4G系統(tǒng)的改進(jìn)。