一种实现VEM总线结构的软件无线电方案

摘要：为了解决无线电通信领域内多体系并存、不同体系间无法制订统一标准等问题，在介绍了软件无线电提出的背景、硬件系统结构和软件系统结构的基础上，采用WiMAX802．16技术给出了一种实现VEM总线结构的软件无线电基站方案，以便满足用户在任何时间、地点的通信需求。研究了其对多种软件无线电标准的适应性，能够覆盖多个频段，能进行软件重构和复用。
关键词：数字信号处理；软件无线电；基站；VEM总线；WiMAX802．16

    1992年5月，MMTRE公司的Joe．Mitola首次明确提出了软件无线电(SDR)的概念。其中心思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，使A／D和D／A转换器尽可能靠近天线，将接收机的各种功能(如变频、滤波、加密解密、扩频和解扩等)用软件来完成，以研制出高度灵活和开放的无线电通信系统。文中主要利用该系统的核心技术，利用了高速、高精度ADC和DAC、可编程ASIC和DSP等来构造功能强大的软硬件平台，并通过选用和不断开发新的软件模块来满足多种通信需求。提高无线电通信设备接收和处理信号的能力，缩短新型无线电通信设备的开发周期，延长其使用寿命。

1 器件技术简介
    随着电路技术和器件技术的不断发展，如宽带高速A／D／A、宽带大动态接收机、高速DSP、现场可编程门陈列(FPGA)、高温超导等，使软件无线电的研究工作能在这些新器件的推动下取得新的突破。
1．1 宽带模数转换器(ADC)
    决定宽带模／数性能的关键是采样速率和位数，采样速率由信号带宽决定，量化位数则要满足一定的动态范围和数字信号处理精度。A DC的分辨率越高(位数越多)，需要转换的时间就越长，转换速率就越低，两者相互制约。高速ADC的结构主要采用全并行或闪烁型ADC；而高分辨率ADC主要采用∑-△结构。软件无线电中，在达到高速ADC的同时，兼顾高分辨率；同样，在达到高分辨率的同时，也要兼顾高速。具体应用时，还要考虑功耗、功能以及与外围其它电路的接口等。因此，在软件无线电的发展初期采用的ADC为AD9042，目前则有性能更为优越的AD6640。
1．2 数字下变频器(DDC)
    数字下变频器(DDC)是A／D变换后首先要完成的处理工作，包括数字下变频、滤波和二次采样，由合成器、正交混频器、低通滤波器和输出格式化器组成，是整个系统数字处理运算量最大的部分。DDC的主要功能是从宽带输入中提取出所需的窄带频段，并将该窄带频段变换到基带，以正交或实信号形式输出。窄带提取由下变频和将有用频带中置到数据载波完成。即由正交正弦信号乘以输入数据完成下变频，同相(I)和正交(Q)处理支路都由高抽取滤波器(HDF)和FIR滤波器级联组成，用来提取有用频段。输出格式化器对滤波器的输出进行整形，以提供各种串行数据格式。这部分的工作由专用可编程芯片完成，如美国Harris公司的HSP50016和HSP50214。
1．3 高速DSP
    软件无线电中，单片的DSP尚不能满足处理速度和容量的要求，必须采用多芯片并行处理。目前已商业化的产品如TI公司的TMS320C40(第一代并行DSP)，AD公司的ADSP2106X为可并行扩展的超级哈佛指令计算机(SHARC)，这种芯片内四套独立的总线，可完成双向数据存取、指令存取、非指令性I／O，而且可方便地构成多片并行的处理系统。另外，90年代中后期TI公司的TMS320C6X系列，也是专门为并行处理而设计的。TMS320C6X系列的主要特点是采用了甚长指令字(VLIW)的体系结构。该结构中，多个功能单元是并发工作的，所有的功能单元共享使用公用寄存器堆，由功能单元同时执行的各种操作是由VLIW的长指令来同步的，把长指令中不同字段的操作码分别送给不同的功能单元，这种代码压缩是由编译器完成的。开发工具在提供DSP系统的性能方面也起着重要的作用。

2 硬件体系结构
2．1 流水线结构
    Joe．Mitola提出的理想软件无线电结构如图1所示，是一种流水线结构，包括天线、多频段射频、RF转换、宽带A／D和D／A转换器以及DSP处理器等。理想软件无线电要求将A／DD／A尽量向RF靠拢，同时，用高速DSP／CPU代替传统的专用数字电路和低速DSP／CPU做A／D后的一系列处理，从而建立一个相对通用的硬件平台，通过软件实现不同的通信功能。

2．2 总线式结构
    总线式结构的软件无线电结构中各功能单元通过总线连接起来。并通过总线交换数据及控制命令。软件无线电要求通信系统具有较高的实时处理能力。只有采用先进的标准化总线结构才能发挥其适应性广升级换代简便的特点。软件无线电总线式结构应具有以下特点：
    1)支持多处理器系统；
    2)具有宽带高速的特性；
    3)具有良好的机械和电磁特性。
    总线结构能够在恶劣的通信环境中正常工作，保证一定的通信性能，如图2所示。

2．3 交换式网络结构
    清华大学在“863"软件无线电项目中提出了一种基于交换网络的软件无线电结构，如图3所示。各模块之间通过适配和交换网络进行数据包的交换，各模块之间遵循相同接口和协议。这样，不仅模块之间耦合很弱，还可以方便地实现数据的广播和选播，扩展性好。硬件平台中用PC机来完成交换机的功能，在实现某种具体的通信系统时可以具体考虑如何配置，各个功能板的功能，功能板之间可以通过建立虚电路来进行通信。因此这种结构灵活性好，可以适应多种无线电通信系统，并已证明具有好的吞吐率和实时性能。

3 软件无线电体系结构实现
3．1 软件总线
    在软件无线电多工作方式实现过程中，要求能实时加入新的功能软件，从而通过软件资源分配的办法来实现软件的功能重组。这就要求将通信协议及软件标准化、通用化，实现软件的即插即用。国外已经研究并提出了基于JAVA／CORBA(Common Obiect Request Broker Arch itec ture，公共对象请示代理体系结构)的软件协议和标准。该标准是面向对象管理集团(Obiect Management Group，OMG)制定的标准，它基于软件总线的思想，目的是建立一个标准、开放、通用的体系结构。软件总线与硬件总线类似。将应用模块按标准做成插件，插入总线即可实现集成运行从而支持分布式的计算环境。目前OMG正在研究专门用于通信的CORBA标准。
3．2 体系结构实现方法
    基本思想是把系统分为几个子系统，每个子系统执行特定的通信功能，比如调制、解调、编译码等这些子系统可以动态地增加和减少和它联系的通信功能以及通信参数都可以动态地配置。系统输入和输出的数据被分为一个个数据块，当一个数据块到达某个子系统时该子系统就开始运行，并把处理完的数据块发送到下一个子系统。每个子系统有多个输入输出口，可以动态地配置为可用或不可用，如图4所示。

3．3 体系结构分层及各层实现方法
    在分层体系结构中，无线电的功能实体以层划分，数据包的每层中加上报头后再传给下一层，在最后一层处理完毕后，信息将通过本层返回。
    分层体系的软件无线电结构如图5所示。它采用硬件分页的方法来重构无线电功能，与通过软件对内存进行分页管理相类似，它基于流处理的工作方式，可使得模块问的接口得到极大的简化并能有效地进行资源分配和复杂的数据处理，保持对硬件的重用性。所谓流是一个指定长度的含有数据或控制信息的信息包，而流处理是指每个处理模块只能处理全部任务中的一部分，而处理完这部分任务后需将数据和控制信息传送到下一个处理模块，进行另一部分任务的处理，直到全部任务完成为止。该体系结构分为3层：接口层、配置层和处理层，均是基于流处理的，应用软件设置在3层之上。接口层是无线电硬件与外部的接口，负责协调各种信息资源的输入和输出配置层存贮有配置处理层硬件的二进制代码负责接收接口层传来的信息包，并在该信息包的报头上加入配置信息，然后传送给处理层。处理层则是由一系列称为处理模块的可重构模块组成的，负责接收来自配置层的信息包，并对信息包中的数据进行处理，是真正进行数据处理的功能实体。处理层是软件无线电的核心，它由一套线性相关的处理模块组成，每一个处理模块都能通过重新配置来完成指定的功能，而不需要打断与主流水线的同步。

    分层体系结构提供了一个开放的结构来实现可重构平台的软件无线电系统，它的主要优点在于使硬件有极好的可重用性，只要在硬件上设置相应的参数，就能实现指定的功能，建立起类似于软件函数库的硬件函数库。另外，分层体系结构还有很好的信息流属性，使各层之间的接口非常简单，使系统具有较高的灵活性。

4 软件无线电基站
4．1 通信基站的基本需求
    所谓软件无线电就是将模块化、标准化的硬件单元，以总线方式连接构成基本平台，并通过软件加载，实现各种通信功能的一种开放式体系结构。软件无线电主要由天线、射频前端、高速A／D—D／A转换器、通用和专用数字信号处理器、低速A／D—D／A转换器以及各种接口和各种软件所组成。它是一种新兴技术，这种技术可由软件来建立灵活的，多服务，多标准，多频带，可重构，可重编程的无线系统。
    一般来说，通信基站要求通信的灵活性和信号可测性，不仅对用户有利，而且对服务提供商来说也有利。对于多频／多模的可编程手机。它要求能够自动检测接收信号，接入不同的网络，而且能满足不同接续时间的要求。软件无线电技术可用不同软件实现不同无线电设备的各种功能，可任意改变信道接入方式或调制方式，利用不同软件来适应不同标准，构成多模手机和多功能基站，具有高度的灵活性。针对移动PC通信终端，软件无线电还可以解决传统基站和移动终端的单一模式造成的不兼容问题，使基站和PC终端能够满足多种标准，能应付当前和将来复杂的通信模式和信令结构。另外，利用软件来实现动态信道分配机制，能够有效地提高系统性能和频谱利用率。
    值得指出的是，通常情况下基站升级必须重新更换硬件平台，而使用了软件无线电技术后则保护了网络运营商的硬件投资同时延长了各种终端移动设备的生存周期。
4．2 软件无线电基站
    传统的基于硬件的基站是一个复杂的无线电、控制体系以及通信和控制下层结构的混合体。许多分散的收发器为用户信号的传输提供通信信道，并且用户会话必须被汇集、数字化，并在通信下层结构里进行多路传输。该结构最大的问题是信号处理，因为它是由固定的硬件设备构建的，很难升级。而使用软件无线电技术可以很容易的从一个标准切换到另一个，只需要简单地把不同的软件加载到处理单元中就可以了。这种只需软件升级而不必进行昂贵的硬件更换从根本上改变无线基站的工作方式，这在无线技术快速变换的今天很具优势且很具实用价值。
    在不远的将来，在某一移动终端所处区域内很可能有多个不同系统存在。用户或运营商将根据这种新的网络条件来选择网络。选择合适网络后进行重构的第一步是确定哪种无线接入网可以利用。为了实现这一步必须有满足所有条件的标准系统(系统包括GSM，CDMAIS-95，EDC T，UMTS等)的必要硬件的基站，这个基站被称作通信基站。对应的软件基站将按需求下载软件模块到一个快速上电或漫游的移动设备上。每个通用基站有两种类型的信道一通用导频信道和通用数据信道，通用导频信道是一个同步参考，消息传播和发信号信道。为了下载系统软件，移动设备将通过这个信道与通用基站交换信息。通用数据信道是专门为移动设备用来下载系统软件代码的，用这些代码配置移动设备的硬件来提供调制，接人和网络功能。这种移动设备具有通用的可编程硬件以适用于众多的标准。

4．3 WiMAX软件无线电基站方案
    由于大多数的信号处理和滤波器是在硬件上实现的，窄带系统不能提供所需的容量从而只能通过宽带的软件无线电技术加以实现。如果基站使用宽带软件无线电结构，其硬件可以覆盖20 MHz范围几乎所有的在数字领域出现的信号处理，这样一来可以通过软件的更新来支持不同空中接口方便地实现无线性能改变。与常规的方法相比，这种方法在费用上、性能上和灵活性上等诸多方面都带来了重要的改进。对正在发展中的协议如IEEE802.16来说，该方法优点将更为突出。
    为了选择一个可利用的无线接入网，移动设备将先检测通用导频信道是否可用，检测完所有可用的通用导频信道后，通用基站将考虑移动设备的移动情况。通用基站在切换上应该有一定的门限，当选择一个无线接入网时，如果移动设备的移动预期切换超出门限，那么通用基站以更大覆盖区域为移动设备分配导频信道。选择网络后，通用导频信道将搜索已选的服务是否可用。选择了合适的网络后，移动设备将开始下载软件。如果移动设备移到一个新的区域，移动的QoS低而且同样的系统无法获得，移动设备将要求基站通过下载升级对应的系统软件。
    由于自适应天线波束赋形技术(Adaptive beam forming)能够在不增加新站点的前提下得到相同的覆盖面积，同时提供针对于高数据传输速率大容量的带宽。一个使用上述宽带软件无线电技术的蜂窝基站产品可以容易地实现从2G到2.5G、3G，以及4GWiMAX的演进．其自适应智能天线将大大扩大4G中针对移动高速数据的802.16eWiMAX协议标准的覆盖范围，尤其是在每个蜂窝的边界。软件无线电的硬件定义由软件来实现哪些功能。结合软件无线电技术和自适应智能天线技术的优点，当需要支持2．5G、3G和4G高速数据设备的更高载波干扰比(C／I)要求时，该软件无线电基站可通过增加自适应天线阵列来满足超容量需求，从而减少对新站点的需求。

5 结束语
    未来个人移动通信系统所要达到的目标是：任何人在任何时间，任何地点都可以和其他任何人进行任何种类(话音，数据，图像等)的通信。越来越大的通信需求，一方面使通信产品的生存周期缩短，开发费用上升；另一方面，新老体制通信共存，各种通信系统之间的互联变得更加复杂和困难，所以寻求一种既能满足新一代移动通信需求，又能兼容老体制，而且更具有扩展能力的新的个人移动通信体系结构成为人们努力的方向。而软件无线电正好提供了解决这一问题的技术途径，成为下一代代移动通信系统研究的热点。宽带、多载波、软件无线电移动无线网络结构直接适用已经出现的WiMAX802.16技术，尤其满足802.16e移动高速数据要求。因此，无论是已经展开的3G系统，还是下一代无线通信4G系统，软件无线电技术都是实现这些系统的关键技术之一。