国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志
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Mehul R. Naik1， C. H.维塔拉尼2
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| 有关文章载于Pubmed，谷歌学者 |
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固件和数字信号处理在无线电收发机设计中的作用已经增加，以满足全球覆盖的要求，并涵盖移动电话的额外功能。软件定义无线电(SDR)是实现这一目标的实用方法。本文综述了SDR的概雷竞技苹果下载念、好处、设计步骤、一些新兴概念、技术解决方案和挑战、应用和经济。
关键字 |
| 软件定义无线电，智能天线，射频，认知无线电。 |
介绍 |
| 集成无缝全球覆盖的概念要求通信设备支持两个不同的功能:第一，全球漫游或跨地理区域无缝覆盖;第二，与不同的系统和标准对接，在固定地点提供无缝服务。可以在不同蜂窝标准(如IS- 95和全球移动系统(GSM))之间切换的多模手机属于第一类，而与蓝牙或IEEE 802.11网络等其他服务接口的能力则属于第二类。此外，技术创新的速度正在加快，预测技术变革及其对商业的影响是有问题的。因此，为了使他们的系统保持最新，无线系统制造商和服务提供商必须通过升级系统来结合最新的创新来应对发生的变化。由于频繁的重新设计是昂贵的，耗时的，并不方便的最终用户，对未来的收音机的兴趣正在增加。 |
| 现有的语音、视频和数据技术使用不同的包结构、数据类型和信号处理技术。集成服务可以通过可以与提供补充服务的设备通信的无线电来获得。无线电可能必须使用的支持技术和网络可能随着用户的物理位置而变化。为了成功地与不同的系统通信，无线电必须使用不同的空中接口进行通信。此外，为了管理网络协议、服务和环境的变化，支持可重构硬件的移动设备还需要无缝地支持多种协议。这种无线电可以使用软件定义无线电(SDR)架构来实现，在这种架构中，无线电可以根据它将要连接的系统和它将要支持的功能来重新配置自己。 |
2软件定义无线电的特点 |
| 软件定义无线电这个术语是由Joe Mitola在1991年创造的，用来指代可重构无线电[1,2]。在软件中定义其调制、纠错和加密过程，显示对射频硬件的某种控制，并且可以重新编程的无线电显然是软件定义的无线电。因此，它是一个实质上在软件中定义的无线电，其物理层行为可以通过对其软件的更改而显著改变。传统无线电架构的功能通常主要由硬件决定，通过软件实现最小的可配置性。硬件由放大器、滤波器、混频器(可能有几个级)和振荡器组成。该软件仅限于控制与网络的接口，从数据包中剥离报头和错误纠正码，并根据报头信息确定数据包需要路由到哪里。由于硬件主导着设计，升级传统无线电设计基本上意味着完全放弃旧的设计并重新开始。在软件定义无线电设计的升级中，绝大多数的新内容是软件，其余的是硬件组件设计的改进。简而言之，软件定义无线电代表了从固定的、硬件密集型无线电到多波段、多模、软件密集型无线电的范式转变。 |
| 理想的软件定义无线电的实现需要天线的数字化，允许数字领域的完全灵活性，或者设计一个完全灵活的射频(RF)前端，以处理广泛的频率和调制范围。一个实际的软件定义无线电模型如图1所示。接收机首先是一个智能天线，提供增益与方向特性，以最大限度地减少干扰、多径和噪声[4]。智能天线为发射机提供了类似的好处。大多数实用的软件定义无线电在接收链中尽可能早地对信号进行数字化，同时将信号保持在数字域中，并尽可能晚地对使用数模转换器(DAC)的发射机转换到模拟域。通常接收到的信号在中频(IF)波段被数字化。传统无线电架构采用超外差接收机，其中射频信号与其他杂散/不需要的信号一起被天线拾取，用低噪声放大器(LNA)滤波、放大，并与本地振荡器(LO)混合到中频。根据应用程序的不同，此操作的阶段数可能有所不同。最后，IF被精确地混合到基带。 |
| 在中频范围内使用模数转换器(ADC)对信号进行数字化，消除了传统模型中遇到载波偏移和成像等问题的最后阶段。当采样时，数字中频信号给出的频谱副本可以精确地放置在基带频率附近，允许同时进行频率转换和数字化。数字滤波(信道化)和采样率转换通常需要将ADC的输出连接到处理硬件以实现接收机。同样，数字滤波和采样率转换通常是必要的，以将创建调制波形的数字硬件接口到数模转换器。处理在软件中使用dsp、现场可编程门阵列(fpga)或特定应用集成电路(asic)进行。用于调制和解调信号的算法可以使用软件方法，如中间件，例如公共对象请求代理体系结构(CORBA)[5,6]，或虚拟无线电机，其功能类似于JAVA虚拟机。 |
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3软件定义无线电的好处 |
| 软件定义无线电提供了一种灵活的无线电架构，允许更改无线电特性(可能是实时的)，并且在此过程中一定程度上保证了所需的QoS。体系结构中的灵活性允许服务提供商快速升级基础设施并推广新服务。这种硬件架构的灵活性与软件架构的灵活性相结合，通过实现面向对象编程和对象代理等技术，为软件定义无线电提供了将自身无缝集成到具有完全不同的空气和数据接口的多个网络的能力。此外，软件定义无线电架构为系统提供了易于用软件实现的新功能。例如，典型的升级可能包括干扰抑制技术、加密、语音识别和压缩、软件支持的功耗最小化和控制、不同的寻址协议以及高级错误恢复方案。这些功能非常适合3G和4G无线需求以及先进的无线网络方法。综上所述，[3]有望推动软件定义无线电得到更广泛的接受: |
| 1.多功能——例如，支持蓝牙功能的传真机可以向附近配备有支持蓝牙接口的软件定义收音机的笔记本电脑发送传真。 |
| 2.全球移动性——对透明度的需要，即无线电在世界不同地理区域使用部分(最好是全部)这些标准的能力，促进了软件定义无线电概念的发展。 |
| 3.紧凑性和功率效率——软件定义的无线电方法导致紧凑的设计，在某些情况下，特别是随着系统数量的增加，因为同一块硬件是重复使用的。实现多个系统和接口。 |
| 4.制造的便捷性-射频组件是出了名的难以标准化，然而，在接收器链的早期对信号进行数字化可以导致设计包含更少的部件，这意味着减少库存。 |
| 5.易于升级——灵活的架构允许改进和附加功能，而无需召回所有单元或更换用户终端。此外，随着新设备被集成到现有的基础设施中，软件定义无线电允许新设备与传统网络无缝连接，从空中接口一直到应用程序;通过动态下载软件来覆盖所需的空中接口标准。 |
四、软件无线电的设计步骤 |
| 无线电设计总是需要广泛的设计技能。虽然人们最初可能会认为软件定义无线电需要比传统无线电设计更高水平的数字信号处理编程技能，但事实并非如此;由于无线电子系统的依赖性，无线电设计的几乎所有方面都需要较高的技术水平。SDR的通用设计程序遵循并演示了无线电设计[3]的各个子系统之间的交互作用。 |
| ï ·第一步:系统工程——了解通信链路和网络协议的约束和要求，允许分配足够的资源来建立给定系统的约束和要求的服务。例如，对距离和发射功率的限制限制了可以支持的调制类型和数据速率。对于一个定义良好的标准，系统工程方面，如路由协议，在很大程度上是预先确定的。然而，由于在定义网络时允许额外的灵活性，系统工程和优化成为一项复杂的任务。在能够实时更改许多系统参数的理想SDR中，优化活动通信会话是一个主要挑战。 |
| ï ·第2步:射频链规划-软件定义无线电的理想射频链应同时包含功率增益、带宽、中心频率、灵敏度、动态范围、更高的IP3和1-dB压缩点以及杂散自由辐射[7]的选择灵活性。传统的射频收发器部分是超外差型，然而，在SDR中，各种射频架构，如直接转换[9]，数字中频采样[10]和带通采样[8]架构被建议。非常宽带的射频放大器、滤波器和振荡器电路需要覆盖感兴趣的整个频段。实现严格的灵活性是不切实际的，必须进行权衡。如果将通信系统限制在选定的商用或军用频段，则该优化问题将得到简化。然而，通过软件定义的无线电设计，有可能弥补数字领域射频组件的一些不足。功率放大器失真补偿或射频电路的功率管理，例如，可以使用预失真来完成。 |
| ï ·第3步:模拟到数字转换和数字到模拟转换的选择——对于理想的软件定义无线电来说，模拟到数字转换和数字到模拟转换是很难实现的，在实践中，选择需要交易功耗、动态范围和带宽(采样率)[11]。模拟到数字转换和数字到模拟转换的选择与RF对动态范围和频率转换的要求密切相关。信道化要求还影响模拟到数字转换和数字到模拟转换的选择。目前的转换技术非常有限，往往是整个系统设计中的薄弱环节。基于多速率数字信号处理的后数字化技术可用于提高数字化阶段的灵活性。 |
| ï ·第4步:软件架构的选择——该架构应该允许硬件独立，通过适当使用中间件，它作为面向应用的软件和硬件层之间的接口。软件需要了解通信链路两端的硬件(包括DSP和RF硬件)的能力，以确保兼容性并最大限度地利用硬件资源。此外，鉴于软件定义无线电将在现有的数据基础设施中运行，它必须快速有效地与该基础设施连接。这意味着软件定义的无线电需要控制诸如属性命名、错误管理和寻址等问题，而不考虑基础设施中使用的协议。将无线电函数划分为对象可以帮助解决这些问题，并有助于软件的可移植性和维护。示例对象可能包括图1中所示的模型软件定义无线电的块。安全是确保软件下载合法的一个重要问题。最后，考虑到诸如TCP之类的高层协议在管理会话的方式上有固有的约束，软件体系结构应该考虑整个协议栈的延迟和定时。 |
| ï ·第五步:数字信号处理硬件架构选择——核心数字信号处理硬件可以通过微处理器、fpga和/或asic实现。通常微处理器提供最大的灵活性、最高的功耗和最低的计算率，而asic提供最小的灵活性、最低的功耗和最高的计算率。另一方面，fpga在这些特性上介于ASIC和DSP之间。核心计算元素的选择取决于算法及其计算量和吞吐量的要求。在实践中，软件定义无线电将使用所有三个核心计算元素，但具体功能的实现选择之间的分界线取决于所支持的特定应用程序。在[12]中对SDR的软硬件结构进行了很好的分析。 |
| ï ·第6步:无线电验证——这不仅是确保通信单元正确运行的关键，而且是确保故障不会导致系统级故障。由软件定义无线电移动单元对相邻频段造成的干扰是软件定义无线电如何导致系统级故障的一个例子，这是政府监管机构非常关注的问题。考虑到SDR的许多可变参数，以及对软件模块的开放和不同来源的渴望，确保一个防故障系统是非常困难的。可以采取测试和验证步骤来帮助降低风险。构建软件结构，将各个模块与其局限性联系起来，有助于测试软件模块的兼容性。 |
五、软件定义无线电新兴概念 |
| 软件定义无线电的新兴概念是在智能天线、网络、数字预处理和软件领域。智能天线以数字方式组合天线通道，自适应形成波束和点空，并使接收信号[4]均衡。空时编码和多输入多输出(MIMO)天线系统是SDR中用于提高恶劣无线环境[14]性能的技术之一。软件无线电架构最初是为军事应用开发的，由于DSP技术的快速发展，现在在商业产品中变得经济可行。Razavilar[14]将[4]扩展到算法和流量工程方面。本文考虑在接收机处具有波束形成能力的无线网络，该网络允许两个或多个发射机共享同一信道与基站通信。从软件无线电系统模型的角度考虑了基站的具体计算复杂度和算法结构，最初采用全向天线。Hentschel和Fetweiss[15]解决了为多个SDR软件个性所需的多个空中接口提供时钟引用的关键问题。考虑到不同空中接口的精度要求，作者表明，从单个主时钟派生多个时钟与抗锯齿和保持频域特性有关，而不是时域插值。Munro[16]和Shepherd[17]的论文论述了软件的新兴方面。 Shepherd sets the software issues in a deployment context. The paper proposes a consistent software architectural framework for the dynamic implementation of these different protocols within an embedded environment. Munro critically examines the emerging needs for middleware that insulates radio applications from the rapidly evolving radio hardware platforms. The paper explores the issues of integration, the components of mobile middleware, and likely demands placed on such systems when mobile access comes to dominate personal communications. The Cognitive Radio [18] extends the SDR by enhancing the flexibilities of personal services through a Radio Knowledge Representation Language. The cognitive radio empowers SDRs to conduct expressive negotiations among peers about the use of radio spectrum across fluents of space, time and user context. |
六、技术解决方案与挑战 |
| 可编程的数字基带引擎和可重构的模拟前端电路是实现SDR的有效方案。对于可编程的数字基带引擎，人们必须谨慎地权衡灵活性和能源效率。只有当灵活性对总平均功率的影响足够低，或者它提供了广泛的控制选项，可以在后面的控制步骤中有效地利用时，才应该引入灵活性。对于可重构模拟前端，架构和电路的设计应满足载波频率、信道带宽和噪声性能的广泛要求，功耗损失最小，同时还提供能量可扩展性。一个主要的挑战是实现低能量可重构无线电实现，适合手持多媒体终端并与固定硬件实现竞争。使这样的终端成为现实;首先，在无线电基带和前端的设计中实现了有效的能量可扩展性。其次，利用可伸缩性，通过跨层控制器在运行时跟踪应用需求和传播条件的动态来实现低功耗操作。 |
| 未来的通信系统必须无缝地集成多种无线电技术和异构无线接入网络，以提供基于上下文的无处不在的连接和内容访问。对大数据速率的不断增长的需求表明了频谱的日益稀缺。因此，有效利用频谱的新范式显然是必要的。利用可重构无线电架构的能力的自适应频谱无线电的作用不断增长是可以预期的。如果把这推到极限，就会产生认知无线电的颠覆性概念。认知无线电被定义为一种能够基于与复杂环境的相互作用自主改变其传输参数的无线电。这种认知无线电的频谱数据/挖掘和敏捷空中接口需求也要求基于sdr的实现。这些CR系统实际上可以被认为是上面介绍的概念的扩展，即一个可重新配置的无线电，再加上一个可以感知、适应和学习的âÂ′ cognitiveâÂ′Â自适应控制。另一方面，由于需要在任何波段检测和/或生成几乎任何类型的波形，使得底层可重构无线电的规格达到了极限。 |
7软件定义的无线电应用 |
| 特别提款权的应用和经济是不可分割的。服务提供商需要提供差异化服务，例如针对亚洲语言[19]等语系定制的语音编码器。当然，差异化服务的需求是由市场经济驱动的。类似地，随着GSM从尖端技术逐渐变得与3G相比相对简单，GSM手机和基站软件实现的经济效益日益凸显。Turletti的论文从行业标准基准的角度描述了处理要求，极大地简化了成本/效益权衡[20]。对GSM到混合多载波基站进行了研究。Murotake[21]同样着眼于可重构的3G基站。它们的经济驱动力是有机会为此类基站的交付使用标准并行处理计算平台，扩大商业产品的生产基地，并有可能降低基站的成本。使用他们的方法，进入基站市场的成本似乎也会降低。此外，还有一种创新的软件无线电技术方法，使用基于软件的CDMA作为虚拟鼠标[22]的接近传感器。 It suggests the pervasive nature of low-cost software-based solutions to accomplishing tasks without wires. As mentioned earlier, SDR has found an application in CR. The analysis of software radio economics is also carried out [23]. The key finding is that it takes about 2 years and U.S. $25 million to transition a strong single-channel digital radio capability into a multiband, multimode SDR capability with wider bandwidth with RF and ADCs and DACs, large scale software, middleware, and pooled processing resources. |
| SDR的商业应用之一来自Alcatel-Lucent[24]。他们无线网络解决方案的灵活性，如3G nodeb引入的LTE软件模块所示，是提供融合RAN方法的更全面战略的一部分。凭借贝尔实验室多年的SDR研究和纯软件升级经验，阿尔卡特-朗讯为运营商的网络演进或改造提供了前所未有的灵活性。除了能够升级3G基站以支持LTE之外，他们的解决方案还允许不同的技术在单个基站中共存，以及灵活的基于软件的频谱重新分配。他们的SDR基站模块可以安装在他们已经部署的50万个基站上，确保客户的投资保护，并在未来顺利实现更先进的功能。 |
8结论 |
| 随着新的标准和协议的出现，无线通信正以惊人的速度发展。软件定义无线电代表了无线电设计范式的重大变化，其中大部分功能是通过可编程信号处理设备实现的，使无线电能够改变其工作参数以适应新的功能和能力。软件无线电方法减少了常规无线电的射频和其他模拟组件的内容，并强调DSP以增强整体接收机的灵活性。移动无线通信基础设施开发人员和服务提供商现在正在他们的业务解决方案中提出软件定义无线电的应用，这是未来技术无线电(SDR)概念的巨大成功。 |
参考文献 |
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