软件无线电硬件体系结构研究

摘要：软件无线电具有开放性、标准化、模块化和高度可编程的特点,被认为是继模拟通信技术、数字通信技术之后的第三代无线通信技术。在了解传统无线电体系结构的基础上,首先简单介绍了软件无线电体系结构的演化过程:数字无线电、软件定义无线电、理想软件无线电以及虚拟无线电。然后,详细总结了目前软件无线电硬件体系结构的两种常用实现———流水线式、总线式结构的特点。最后,引入目前研究的新方向———交换式及基于工作站簇的结构。

关键词：软件无线电；硬件体系结构；流水线式结构；总线式结构；交换式结构；基于工作站簇的结构　　

现代微电子技术及微处理器技术的不断进步,特别是大规模集成电路和可编程器件的出现,使传统无线电硬件体系结构发生了重大的变革,无线电技术进入新的阶段———软件无线电(SR:SoftwareRadio)。软件无线电的出现,是无线电通信从模拟到数字、从固定到移动后,由硬件到软件的第三次变革。

1992年5月,在美国电信系统会议上,MITRE公司的JosephMitola首次提出了软件无线电的概念。简单地说,软件无线电就是一种基于通用硬件平台,并通过软件可提供多种服务的、适应多种标准的、多频带多模式的、可重构可编程的无线电系统。

软件无线电的提出最早是美军为了解决海湾战争中多国部队各军兵种进行联合作战时所遇到的“互联互通互操作”(简称“三互”)问题。但是随着研究的深入,软件无线电不仅在军事通信领域得到广泛应用,而且在民用领域(如移动通信、微电子以及计算机等电子领域)也获得了巨大关注。

1 体系结构的演化过程

如表1所示,无线电技术演化的进程是由模拟电路发展到数字电路;由分立器件发展到集成器件;由小规模、中规模、大规模到超大规模集成器件;由固定集成器件到可编程器件。因而先后出现了模拟无线电、数字无线电、软件定义无线电、理想软件无线电以及虚拟无线电。

1.1 模拟无线电

1901年12月12日意大利人马可尼首次完成了人类横渡大西洋(3200km)的无线通信实验,向全世界宣布了无线电的诞生。从此,无线电技术得到了蓬勃发展。

传统的模拟无线电是指由硬件实现各种通信功能的无线电。如表1所示,早期的模拟无线电的功能仅限于发射和接收调幅或调频波,同时具有对RF、功率、音量和静噪的控制。其充要组成部分只有天线、模拟发射机、接收机和硬件控制。

1.2　数字无线电

数字无线电是一种在天线和输入/输出设备之间的某一级进行数字化的无线电。例如表1中,针对CDMA无线接口,专门设计相应的具有特殊功能的集成电路来分别实现独立功能(如数字解扩)。

数字无线电并不一定是软件无线电。二者的区别主要表现在二者的可编程数字接入的程度:最早的由ASIC实现的DR是没有可编程数字接入能力,并且是固定功能的无线电;另外,目前的PDR是仅在基带具有可编程性的SR;而SR则是全部可编程数字接入的无线电。

现在,数字无线电技术已经广泛应用于无线通信的基带和中频处理模块中。在数字信号处理模块的实现上,基本的趋势为DSP、FPGA和ASIC并举,通用DSP和专用DSP并举。由于DSP和FPGA具有可编程能力,因此用DSP或FPGA实现的数字无线电也称为PDR(ProgrammableDR)。目前,在无线电数字信号处理模块中,TI、AD、Motorola以及Lu2cent等公司的DSP芯片以及Altera等公司的FPGA得到普遍使用。

1． 3 义无线电

　SDR是目前技术条件下可实现的软件无线电,通常被认为是具有中频(IF)可编程数字接入能力的无线电。其接收端的数字化是在天线后面的某一级,通常是在宽带滤波、低噪声放大器和用来把射频信号下变频到低频的混频器等级连器件的后端进行的;对于发射机的数字化过程则正好相反。无线电的各种功能特性是由灵活的、可重构的功能数字信号处理模块来实现的。

1． 4 想软件无线电

理想软件无线电也可称为基于软件的无线电(SBR:SoftwareBasedRadio),其核心思想是:采用数字信号处理技术,在可编程控制的通用硬件平台上,利用软件来实现无线电台的各部分功能,包括前端接收、中频处理以及各种基带处理,都由软件编程完成。其体系结构如图1所示。

从技术上讲,软件无线电硬件体系结构的实现需要遵循以下两大原理:

(1) ADC和DAC尽可能地靠近射频(RF)端。

(2) 使用高速数字信号处理器代替传统硬件结构。

显而易见,理想软件无线电体系结构具有很强的通用性、兼容性、灵活性、开放性和可扩展性。

1.5 虚拟无线电

虚拟无线电是由美国麻省理工学院计算机科学实验室V.Bose等人在SpectrumWare项目支持下提出来的。SpectrumWare系统实时实现了GSM系统两个物理信道完整的数据传输工作(包括语音编码、信道编码、调制、信道分离、解调、信道均衡、信道解码和信源解码等),其中大部分数据处理工作由四台IntelMMX200完成,而实时处理需求高的调制解调由外加的一些加速单元完成。

SpectrumWare系统抛弃传统的流水线式结构,以通用计算机为处理单元,大大增加了设备的可配置功能和可扩展性。因此今后软件无线电发展的目标就是引入网络式结构。未来的虚拟无线电是建立在通用、高速、宽带网络平台上,利用通用、高速、宽带移动终端下载方式来实现的。

2 SR体系结构

软件无线电要求在一个通用的硬件平台上实现电台的各种功能,因此,其硬件体系结构需要有较强的通用性、兼容性、灵活性、开放性和可扩展性。目前,软件无线电硬件体系结构常用的实现方式有流水线式结构和总线式结构。针对二者所存在的缺点,清华大学又提出了新的研究方向:交换式结构,基于工作站簇结构。

2.1 流水线式结构

传统的软件无线电硬件体系采用流水线式结构,如图2所示。

早期的由ASIC功能模块实现的数字无线电就是一种流水线式结构。另外,当初JosephMitola博士提出的理想软件无线电也采用了流水线结构,他认为一个软件无线电手机最高层的部件包括:功率供应、天线、多频段RF转换器、单片ADC和DAC以及可编程处理器等。

由图2可见,流水线结构与无线通信的信号流方向是一致的,因此具有很高的效率。其优点是:时延短,硬件简单,实时性好,处理速率高。其缺点主要表现在:a)各个功能模块之间的耦合紧密,独立程度不高,不具有开放性;b)各模块间不具有统一和开放的接口标准,伸缩性和通用性差,不利于技术的协同和进步;c)带宽比较窄。

2.2 总线式结构

软件无线电的一个重要指标就是开放性和可扩展性,其通用硬件平台要求具有统一而开放的互连接口。因此,标准化总线结构成为目前软件无线电实现普遍采用的方法。

到目前为止,还没有软件无线电系统通用标准总线。但是,已有多种常用的工业标准总线,如ISA(Industry Standard Architecture)总线、VME(Versa Module Europe)总线和PCI(Peripheral Component Interconnect)总线等。因此,利用已有的标准工业总线作为软件无线电系统的互连系统成为研究的热点。1992年美国国防部高级研究局(DARPA)提出的SPEAKeasy(“易话通”)采用的就是总线结构。

2.2.1 基于VME总线结构

在软件无线电中为了提高处理能力往往采用多处理器系统,而VME总线正是针对多处理器系统设计的。基于VME总线的SR硬件体系结构如图3所示。

从图3中可以看出,在VME总线上各功能模块都有一些插板,随着技术的发展这些插板可以不断地更新和升级,充分体现了SR的开放性和可扩展性。美国在软件无线电研究的一期项目SPEAKeasyI中选择的就是VME总线结构。

2.2.2 基于PCI总线结构

PCI总线是一种高性能的32/64位地址数据复用高速外围设备接口局部总线,其峰值传输速率为132M/264MByte/s,适合高速数据传输。基于PCI总线的SPEAKeasyII硬件体系结构如图4所示。该结构充分利用了主机中的高速CPU和存储资源,可以很好地满足SR中数据处理的实时性和大容量的要求。

总之,基于总线的SR硬件体系结构具有如下特点:

(1) 支持多处理器系统;

(2) 具有宽带高速的数据传输特性;

(3) 硬件模块化程度高,具有很好的灵活性、开放性、通用性和伸缩性。

当然,由于目前还没有统一的总线标准,上述这些由工业总线实现的结构也存在很多固有的缺点,如效率低、时延长等,使得总线成为系统功能瓶颈。因此,这仍是软件无线电国际研究和标准化组织———SDR论坛的重要任务之一。

2.3 交换式结构

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式硬件平台的虚拟无线电系统,如图5所示。

该平台采用适配器(Adapter)和高速宽带交换网为各功能模块提供统一的数据通信服务,各个功能模块都是由相同的DSP组成的,模块之间通过数据包交换来传送数据,并通过公用交换网络来交换数据。

这种交换网络的结构的优点是:大大拓展了硬件平台的处理能力,极大地提高平台的灵活性和可扩展性,还可以方便地实现数据的广播(Broadcast)和多播(Multicast),具有效率高、带宽宽以及通用性好的特点。已证明具有较好的吞吐量和实时性能,可适用于多种无线通信系统。实验结果表明,采用基于交换网络的硬件平台结构是可行的,其优势也是明显的,它是硬件体系结构一个重要的发展方向。该体系结构的缺点是:时延长、硬件复杂,不太容易实现而且成本高。

在此基础上,清华大学提出了一种改进的结构———环形硬件体系平台。该结构中各个功能模块通过适配板组织成为一个环形的结构。这种环形结构也可以看作是一种交换网络,它既具有流水线的特点,同时又能够实现广播和选播,是一种非常有前途的结构。

2.4 基于工作站簇结构

此外,清华大学等还提出了一种基于工作站簇的虚拟无线电结构,如图6所示。

该系统的特点是:使用PC和网络进行并行的通信信号处理。另外,计算机的普及性以及Internet互联网络的成熟性,使得采用这一体系结构成为十分经济的选择,而且为最近出现的互联网络与移动通信结合的趋势提供强有力的支持。

目前,虽然该系统比DSP2FPGA方案软件化程度更高、更灵活、更接近理想软件无线电,但是该技术尚不够成熟,基于通用计算机实现软件无线电系统还比较困难,所实现的系统与完成的任务相比代价偏高,器件体积较大。

3 结束语

软件无线电自问世以来,就作为一种全新的通信理念在通信领域内受到极大重视,现已成为军用和民用通信的研究热点。同时,随着无线电技术与VLSI技术的迅速发展,高速实时DSP芯片以及FP2GA广泛地应用于软件无线电各功能模块中,使软件无线电系统的灵活性和可扩展性得到了极大的提高。同时,交换网络以及基于工作站簇结构带来了新的希望。目前,理想软件无线电系统的实现虽然尚没有一个完美的解决方案,但是随着各种软件无线电通信系统的研制成功,证明了软件无线电不但在技术上是完全可行的,而且还代表着未来无线通信体制的发展趋势,有着广泛的发展前景。