SDR--未來無線通信設(shè)備的基本概念

根據(jù)國際上的最新進展，本文對軟件定義無線電(SDR)進行討論和介紹。SDR是一個新的概念和體系，它是一個可重編程和可重構(gòu)的，能支持多種無線通信體制和標(biāo)準(zhǔn)的無線通信設(shè)備。本文介紹了美國對SDR設(shè)備的要求，此技術(shù)為產(chǎn)品開發(fā)、制造商、運營商及最終用戶帶來了好處，以及SDR所面臨的挑戰(zhàn)。顯然，在幾年內(nèi)，SDR技術(shù)將廣泛使用于新一代無線通信產(chǎn)品的設(shè)計中，基于SDR的無線通信設(shè)備將成為市場中的主要部分。

Abstract:Based on the latest international development, this paper presents an in-depth discussion of the Software Defined Radio (SDR) technology. As a new concept or system, SDR is re-programmable and re-configurable, and capable of supporting radio communications equipment of multiple radio communications systems and standards. This paper shows what the US requires in the SDR equipment, the benefits brought along by this technology to product developers, manufacturers, operators and the ultimate users, as well as the challenges facing SDR. It is evident that in the next few years SDR will be widely applied in the designing of the new-generation radio communications products, and the SDR-based equipment will grow up to become a key element of the radio communications market.

關(guān)鍵詞：軟件定義無線電（SDR）；優(yōu)勢；挑戰(zhàn)；

Key Words: Software Defined Radio (SDR); Advantage; Challenge

中圖分類號(CLC number)：TN929.5

文獻標(biāo)識碼(Document code)：A

文章編號(Article ID)：1009-9336(2001)04-0066-10

1 引言

　　在筆者前一篇文章中[1]，對移動通信技術(shù)的發(fā)展方向進行了討論和介紹。本文將著重介紹其中最具有革命性的軟件定義無線電技術(shù)。

　　眾所周知，在過去的20年內(nèi)，無線通信技術(shù)取得了空前的高速發(fā)展。而21世紀(jì)的來臨，又以第三代移動通信為代表，為無線通信的進一步大發(fā)展開辟了一個新天地。綜觀這20余年無線通信技術(shù)的發(fā)展，可以看到如下特點：

　　 多址方式從頻分多址(FDMA)到時分多址(TDMA)，再進步到碼分多址(CDMA)；
　　 每一代的技術(shù)均集中到相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)中，而標(biāo)準(zhǔn)的核心是無線傳輸技術(shù)(RTT)；
　　 產(chǎn)品均按某一種特定的標(biāo)準(zhǔn)來開發(fā)和生產(chǎn)，并提供特定的服務(wù)；
　　 產(chǎn)品的生產(chǎn)都依靠專用芯片，技術(shù)均固化在專用芯片內(nèi)。

　　通過近20年的發(fā)展，移動通信已成為通信領(lǐng)域最活躍，市場份額最高的部分產(chǎn)業(yè)，也成為國際上市場競爭最激烈的部分。

　　但是，此傳統(tǒng)的思路和產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)方式，已表現(xiàn)出不少問題，譬如：

　　 產(chǎn)品是針對特定的標(biāo)準(zhǔn)中一個版本來開發(fā)和制造的。當(dāng)新技術(shù)出現(xiàn)或版本升級或提供新業(yè)務(wù)時，只能開發(fā)新的專用芯片，制造新一代的設(shè)備。其結(jié)果不是限制了新技術(shù)和新業(yè)務(wù)的使用，就是給制造商、運營商帶來更大的投資風(fēng)險，給用戶帶來諸多不便；

　　 用此傳統(tǒng)思路，必然要求全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但又難以實現(xiàn)。由于各國的經(jīng)濟利益，全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)幾乎是不可能的，反之，標(biāo)準(zhǔn)的種類還在不斷增加。這樣，造成頻率的分配、管理更為困難，需要的頻率資源增加，多頻多模手持機制造困難，成本增加，而什么時候能實行真正意義的全球漫游，誰也說不清楚；

　　 現(xiàn)代技術(shù)進步越來越快，在第三代移動通信還沒有正式商用前，ITU已經(jīng)在考慮由于技術(shù)進步所不得不進行的標(biāo)準(zhǔn)更新問題。由于前述原因，僅僅是標(biāo)準(zhǔn)升級和更新的程序就很難通過。這也在一定程度上影響了第三代移動通信設(shè)備的開發(fā)與制造，特別表現(xiàn)在由于技術(shù)進步，導(dǎo)致用戶終端的開發(fā)(主要是專用芯片的開發(fā))進度緩慢，第三代移動通信投入商用的時間推遲。

　　面對此問題，國際上，主要是美國，已經(jīng)進行了大量的研究。典型的是麻省理工學(xué)院(MIT)的一個研究小組在征詢了大量無線通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)界專家后所得到的結(jié)論：77%的專家認(rèn)為，軟件定義無線電(Software Defined Radio, 簡稱SDR)必將是一個解決全球無線通信需求的方案。1999年，美國FCC就開始組織有關(guān)專家對SDR進行研究；2000年3月，發(fā)表了一份文件[2]，對SDR的定義、要求和相關(guān)問題統(tǒng)一了認(rèn)識，并倡導(dǎo)各公司和研究機構(gòu)開發(fā)此技術(shù)。在SDR論壇，發(fā)表了大量討論和見解[3]、[4]。2000年10月，美國代表團將它作為第三代后移動通信技術(shù)的發(fā)展方向，提交ITU-R WP8F會議并獲得通過[1]。

　　本文的主要目的就是根據(jù)國際上的討論和公開發(fā)表的信息，向讀者介紹下一時期國際上移動通信技術(shù)的這個發(fā)展方向，為通信主管部門、研究開發(fā)部門、運營商和制造商的決策提供參考。

2 SDR的定義和要求

　　在過去幾年，我們經(jīng)常談到軟件無線電(Software Radio, 簡稱SR)，其概念是對接收到的信號或準(zhǔn)備發(fā)射的信號在盡可能接近天線的地方實現(xiàn)數(shù)模(D/A)或模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，用軟件通過DSP、FPGA等可編程器件來實現(xiàn)硬件的功能。在通常意義上，軟件無線電是實現(xiàn)某種特定的無線通信設(shè)備的一種手段。

　　而SDR的概念則要深刻得多，它是一個系統(tǒng)和體系的概念。SDR的無線通信設(shè)備考慮的是一個系統(tǒng)，它必須具有可重新編程和可重構(gòu)的能力，使此設(shè)備可以使用于多種模式(標(biāo)準(zhǔn))、多個頻帶和多種功能。它不僅僅使用如軟件無線電中的可編程器件來實現(xiàn)基帶數(shù)字信號處理，還將對射頻及中頻的模擬電路進行編程和重構(gòu)。SDR將是無線通信領(lǐng)域內(nèi)一個革命性的概念。

　　目前人們對使用SDR的無線通信系統(tǒng)或設(shè)備，提出了如下的功能要求：

　　1． 重新編程及重新設(shè)定的能力；

　　 SDR設(shè)備可以被快速、簡便地重新編程及重新設(shè)定，以支持任意傳輸形式的應(yīng)用和在任何頻率上的傳輸或接收；

　　 重新編程及重新設(shè)定能力可實現(xiàn)用同一設(shè)備支持不同蜂窩技術(shù)、個人通信系統(tǒng)和其他無線業(yè)務(wù)在世界范圍內(nèi)使用。

　　2． 提供并改變業(yè)務(wù)的能力

　　 采用SDR設(shè)備，用戶不但可以支持傳統(tǒng)業(yè)務(wù)并且可以支持新業(yè)務(wù)；

　　 空中下載軟件的概念可以保證用戶可獲得最新的業(yè)務(wù)服務(wù)。

　　3． 支持多標(biāo)準(zhǔn)的能力

　　 SDR能更好地體現(xiàn)互操作性這一概念，以支持多頻段及多標(biāo)準(zhǔn)工作的無線通信系統(tǒng)；

　　 在公共安全和緊急事件處理部門，采用SDR技術(shù)支持多頻段通信；

　　 SDR能使無線運營商在基本不更換基站硬件的條件下，實現(xiàn)系統(tǒng)的版本更新、標(biāo)準(zhǔn)更新及升級換代。通過軟件來定義出一個新的無線通信系統(tǒng)。

　　4． 智能化頻譜利用

　　 SDR可提高頻譜利用率和頻率共享，可以靈活地接入到新頻段；
　　 SDR設(shè)備具有智能功能，它可以監(jiān)測其他設(shè)備使用的頻譜，并在空閑頻段上進行傳輸；
　　 SDR可以大大降低頻率分配的困難和頻率分配的風(fēng)險。

　　總地說來，SDR是一個全新的，實現(xiàn)未來移動通信設(shè)備的概念和體系結(jié)構(gòu)。它本身并不是一種孤立的技術(shù)，而是為所有新技術(shù)使用的公共平臺。