浅谈软件无线电技术及其在3G与4G通信系统中的应用

浅谈软件无线电技术

及其在3G与4G通信系统中的应用

国防科学技术大学　游荐波　65521部队司令部　闫　凌

[摘　要]软件无线电是近年提出的一种无线通信的体系结构,是继从模拟技术到数字技术后,无线通信领域的又一突破性新技术,本文从软件无线电的基本概念出发,讨论了其功能结构、关键技术、主要特点及在3G、4G通信系统中应用与发展前景。

[关键词]软件无线电　3G　4G　通信系统

　　一、软件无线电的概念

由于计算机与数字信号处理技术的高度发展和军事通信的迫切需要,在无线通信领域产生了一种突破性的新技术——软件无线电。近些年来,软件无线电技术已成为人们研究的一个热点。

软件无线电(SoftwareRadio)的概念是由MITRE公司资深科学家JosephMitola在1992年5月的美国电信会议上首次明确提出的。软件无线电是一种基于宽带A/D、高速D/A器件、

以软件为核心的崭新体系结构。概括起来就是两个DSP芯片、

尽可能:尽可能地将宽带模数和数模转换器靠近天线;尽可能地通过可编程的DSP器件,用软件来实现电台的各种功能。软件无线电的基本思想就是将硬件作为其通用的基本平台,把尽可能多的无线及个人通信的功能用软件来实现,从而将无线通信新系统、新产品的开发逐步转移到软件上来。其最终目的是使通信系统摆脱硬件布线结构的束缚,在系统结构相对通用和稳定的情况下,通过软件来实现各种功能,使得系统的改进和升级都非常方便、代价小,同时不同系统间很容易互连与兼容。

二、软件无线电系统的功能结构典型的软件无线电系统包括天线、多频段射频变换器、含有A/D和D/A变换器的芯片以及片上通用处理器和存储器等部件,可以有效地实现无线电功能及其所需的接口功能。其功能结构框图如下

:

典型的软件无线电系统的工作模块主要包括下面三个部分:1)实时信道处理:实时信道处理包括天线、射频变换、A/D和D/A变换器、中频处理、基带与比特流处理及信源编码。其中射频变换包括输出功率的产生、前置放大、射频信号变换为标准中频或由标准中频变换为射频信号,以适应宽带A/D和D/A变换。中频处理部分变换基带和中频之间的发射和接收信号。比特流部分将多个用户产生的信源编码复用成比特流,或与之相对应将比特流多路分解。还提供信令、控制和操作、管理和维护功能。实时信道处理部分最合适的结构是多指令多数据(MIMD)多处理器的结构,即将多处理器组成一个流水线,来实现软件模块分配给内部连接在一起的各个处理器的不同的功能序列。2)环境管理:在准实时环境管理模块中持续地使用频率、时间和空间特征来表征无线电环境,这些特征包括信道识别和估计其它参数。环境管理模块的操作模块化,容易用一台MIMD并行处理器来实现。这种并行环境管理模块和流水线工作方式的实时信道处理模块之间的接口必须使环境管理的参数和信道处理模块同步。3)在线和离线的软件工具:在线和离线系统分析、信号处理和变宿主工具允许人们确定增量业务。这些业务的增加可在实时信道处理模块中生成和连接,也允许人们调整算法,以便测试参数位置、确定业务的一些数值和资源影响。高度集成化的软件工具可比较快地实施增值的软件升级,当软件定义的网络迅速扩大后,可通过无线传输提供改进了的业务服务。

三、软件无线电在3G与4G通信系统中的应用3G是“3rdGeneration”(第三代)的缩写,即第三代移动通信系统(IMT-2000),它是高速移动数据网络通信领域的行业术语。3G技术的设计基础是支持全系列的移动多媒体系统,其对多种数据速率提供灵活的支持,不仅可以传送语音数据,还可以根据需要传送视频数据。在3G系统所要实现的目标与系统的特点中,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:无线网与有线网的综合,移动网与固定网的综合,陆地网与卫星网的综合。这样可以提供全球无缝覆盖,为用户提供在无线与有线环境下统一的业务使用方式,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,它面对的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)。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。使用软件无线电技术可以解决多频多模式多业务终端问题。

由于3G的标准的统一是非常困难的,IMT-2000的发展策略已经改变过去“统一”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月的中间会议上一致通过了“的概念。它IMT-2000家族”放弃了在空中接口、网络技术等方面一致性的努力,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,针对这种情况,我们认为应该在第三代移动通信发展中引人软件无线电,充分利用软件无线电技术带来的系统灵活性

其关键思想和与传统结构的主要区别在于:1)将A/D和D/A向RF(射频)端靠近,在射频或中频对接收信号进行数字化采样,通过软件编程灵活方便地实现各种宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、调制解调、差错编码、信道均衡、信令控制、信源编码及加密解密等功能。2)用高速DSP/CPU代替传统的专用数字电路与低速DSP/CPU做A/D后的一系列处理。A/D和D/A移向RF端仅为软件无线电的实现提供了必要条件,关键是采用通用的可编程能力强的器件(DSP和CPU等)代替专用的数字电路。软件无线电的这种高度可编程性和结构的标准化、模块化和开放性,使新业务、新技术的引入变的十分方便、经济,往往只需更新版本、加载新的软件模块或个别硬件模块即可实现。因此,软件无线电具有高度灵活性和很好的适应性,具有较长的生命周期。

和通用性,实现第三代移动通信中多种空中接口的并存,以及第三代与GSM系统的兼容,并对将来新的通信标准的引人和升级带来非常大的便利,同时保护运营商和用户的利益,软件无线电是解决基站问题的利器。具体讲,软件无线电技术在3G系统中的应用体现在以下几个方面:

(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DOA(来波方向估计)的获得、每射频通道权重的计算和天线波束赋形;

(3)各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。

在3G通信系统中引入软件无线电技术,特别是利用软件无线电技术建造第三代多模多媒体终端,对软件无线电的相关技术提出了非常高的要求。然而我们认为目前技术的进步已经为采用软件无线电技术提供了坚实的基础,对于第三代移动通信,已经能够实现相当程度上的软件无线电;理想的软件无线电系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段,这对天线技术提出了较高的要求。对于第三代移动通信,一般认为其频带宽180MHz-230MHz。利用组合式多频段天线是完全能实现覆盖的。

但是3G时代尚未真正到来,就已经暴露出以下几点不足:1)3G缺乏全球统一标准;2)3G所采用的语音交换架构仍承袭了第二代(2G)的电路交换,而不是纯IP方式;3)3G很难达到较高的通信效率,提供服务速率的动态范围不大,不能满足各种业务类型要求以及分配给3G系统的频率资源已经趋于饱和等等。为了提供更高的数据传输速率、支持交互式多媒体服务、实现不同类型的无缝融合、完全集中服务、移动服务的可分级性以及更低的造价。在3G还没有完全铺开,离完全实用化还有一段时间的时候,已经有不少国家开始了对下一代移动 …… 此处隐藏：4319字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……