軟件無線電的無線應用(07-100)

　　無線通信基礎設施制造商針對大面積覆蓋范圍的要求，傳統地開發出單標準、大功率、高性能網絡。設計這些網絡來支持專門的無線標準，而且為了更新前回收投資。隨著無線通信需求的增加，新的無線標準正在出現，特許頻段數正在增加，創新正在以更快的步伐加速。由于實現專用網絡的成本很高，所以，電信運營商正尋求提高性能的方法，以便在不重復的情況下投資基礎設施，支持不同的無線標準。此外，較小的電信運營商和具有遠程覆蓋范圍的電信運營商，正在尋求新技術和新功能，以便保持競爭力，得到新的收入機會。

　　現在，電信運營商需要有一種方案;在單個平臺上同時工作多個標準，而且有足夠的靈活性、縮放性和移植性來適合各類RF覆蓋范圍和功能要求，此方案就是軟件無線電。

　　軟件無線電也稱為SDR(Software-defin radio)，完全以軟件提供給無線運營商采用新技術(GSM，CDMA以及未來新技術)的能力，避免購買新的高成本專有硬件設備。軟件無線電給出節省成本的方案，其優點包括：

　　·在網絡上增加新技術時無硬件重復;

　　·在單一平臺上同時運行多標準的能力;

　　·利用商業上現成的計算服務商，以確保高性能低成本硬件;

　　·從中心存儲單元遠程軟件下載，可增強系統能力或增加無線標準。

　　·由于是IP基方案，所以有顯著小的回程費用。

　　蜂窩基礎設施方法與軟件無線電比較

　　傳統無線通信工作類似于其他無線電：一個天線和一個收發器檢測和發射無線電波。接收器濾波和下變頻這些無線電信號，然后，由DSP、FPGA、ASIC或三者組合數字化，進一步處理這些信號。發射器利用同樣的元件，在基帶生成和處理數字信號，并上變頻數字信號為模擬波形。結果是經空中發射的聲音或數據被無線裝置接收。

　　軟件無線電的目的是在軟件中借助開發的無線技術標準(GSM，CDMA，3G和未來標準)，從硬件平臺上區分無線標準。芯片成功地使計算機運行更快，利用計算能力的增強實現這種方法是可能的。這使軟件無線電方案能沿Moore定律性價曲線發展，其中第14~24個日計算機處理能力加倍。

　　軟件無線電的目的看起來似乎簡單，然而，新標準在軟件中實現并非容易。設計一個在寬頻率范圍內具有均勻增益的單天線、濾波接收的信號、有效的放大發射信號以及執行寬帶模/數變換，這些都是艱巨的任務。軟件無線電在真正實用前必須克服這些問題。

　　軟件無線電技術

　　軟件無線電比硬件無線電具有顯著的優越性，實現信號處理軟件如同運行在標準Linux或POSIX依從操作系統頂端的應用級程序。此方法為無線制造商和供應商提供如下好處：

　　·使得無線運營商能配置網絡和經濟地增加或改變服務標準，支持隨著技術的變化，對一個服務標準做超前財物評估。

　　·使軟件移植性最大化，使得重新實現軟件的時間、工作量及成本都最小。

　　·分配軟件來仿真RF設計工程師熟悉的構建單元。這些構建單元可以重新用在很多不同RF環境下(例如，室內，室外，城市，鄉村)，使無線運營商使用新技術的上市時間最短。

　　跨越所有系統的軟件結構

　　無線標準配置為兩部分，這兩部分有顯著不同的移植性任務。控制部分配置和控制系統，并實現較高級功能(如協議狀態機和網絡路由)。信號處理部分實現用戶數據和RF無線標準的采樣表示之間的高速變換。

　　信號處理元件由中件層(執行數據傳輸和模件集成)和信號處理模件庫(用于FM調制，Viterbi編碼，FIR濾波功能)組成。

　　控制元件是一個用C或C++編寫的可移植、模塊化的軟件應用。其中可移植軟件執行，可執行性是從較高級描述(如狀態圖)自動生成的，這降低了設計時間，增加了保證。

　　軟件的成本相當高。而且是軟件無線電工程成本的增長因素。在所有最大容量的應用中，軟件的開發成本是軟件無線電裝置單元成本的最主要部分。

　　現代軟件工程技術承擔高速信號處理的艱巨任務。構建信號處理的傳統方法導致軟件抽象、模件性和同類軟件工程技術的高開銷。

　　軟件移植性對于降低軟件成本和開發時間是一種關鍵手段。用其移植性針對每個新平臺不需要開發各自的無線標準。可移植模件的利用降低了測試成本和開發時間。

　　為無線標準移植設計的軟件無線電器件，給用戶帶來很大的好處。總之，軟件移植的高水平，為軟件無線電的應用和操作提供了良好的轉換效果。

　　軟件無線電實例

　　將來，軟件無線電將包括無縫處理頻率范圍和多個無線標準的器件。未來，軟件無線電可能替代很多現有的移動裝置。

　　無線運營商為更新其已有網絡而承受高成本時，發現軟件無線電具有特殊的無線基礎設施優越性。例如，Mid-Tex Cellwlar鄉村運營商在美國中心得克薩斯有14,000用戶，區域范圍100英里(長)×75英里(寬)。Mid-Tex選擇采用軟件無線電(圖1)，為已有TDMA用戶提供GSM/GPRS服務。為了與國家運營商達成的新漫游協議，增加另外蜂窩標準所需的靈活性。Mid-Tex從前運行在TDMA模擬網絡，此網絡在每個基站需要2個大機柜。

　　Mid-Tex選擇Vanu公司的Anywave基站做為此次更新的技術平臺。現在，GSM/GPRS的等效功能在單機架安裝的IT級服務器上執行。BTS(基站收發信臺)服務器和RF頭安裝在天線端，把BSC和其他功能集中。典型鄉村回程(如Mid-Tex)中的回程租用T1線路和微波鏈路，而對每一個無線標準都需要專門的回程。然而，用Vanu的軟件無線電，單個BT(圖2)服務多個標準，因此，大大地降低了回程。行業標準路由器提供遠程站和中心BSC之間的IP連接。BSC本身在IT級服務器中實現，靠千兆位Ethernet鏈路連接。早在2005年，Mid-Tek GSM/GPRS網絡已進入商業服務，粗略估計以27個BTS站支持在GSM/GPRS網絡(圖3)中運行、服務4000個用戶，每個有2300萬分鐘使用記帳單。現在Mid-Tex經認證，并承擔Cingular的GSM漫游。

　　軟件無線電的另一個理想應用是遠程站，在遠程站中到蜂窩交換機或PSTN的網絡接入是昂貴的和間歇式的。遠程站例子可以是遠程村莊、近海石油鉆機、巡航船或飛機。對網絡運營商特別感興趣的是家庭基站，家庭中的低成本毫微微蜂窩小區(femtocell)(采用寬帶Internet回程)能顯著地改善住宅覆蓋范圍，并消除了與陸線電話業務相關的成本。