软件无线电技术及其在

软件无线电技术及其在WiMAX 中的应用*

刘富强 张欢

同济大学电子与信息工程学院 上海市四平路1239号 200092

摘要：软件无线电是通信领域继模拟到数字、固定到移动通信的第三次革命。本文介绍了软件无线电提出的背景，软件无线电技术在移动终端和基站中的应用以及适用于WiMAX802.16技术的软件无线电基站结构。

关键词：软件无线电，移动终端，基站，WiMAX， IEEE802.16

The application of Software Defined Radio for Multi-standard Abstract: Software defined Radio is the third evolution of communications field which has experienced from analog to digital， fixed to mobile. In this paper we introduce the background of SDR， the application of SDR for mobile station and base station and the configuration of based-SDR WiMAX base station.

Keywords: SDR， mobile station， base station， WiMAX， IEEE802.16

1．引言

通信是目前发展最快的领域之一，而移动通信为通信方式带来了革命性的变化。近二十年来，移动通信经历了从AMPS ，NMT 模拟移动通信，到D-AMPS ，IS-94，GSM 数字移动通信，再到第三代CDMA 技术，同时大量的无线网络标准不断涌现，一些如IEEE802.11无线局域网，IEEE802.16无线城域网等新兴非传统服务系统也已开始出现，而这些系统分别使用不同的软硬件技术，并且在调制、信道编码、复接方式上互不相同；也就是说在移动通信技术的发展为生活带来方便的同时，也出现了多种通信体制并存、各种标准层出不穷和频率资源缺乏的现象。以硬件为主的传统的通信体制难于适应这种局面，这些新标准由于射频载波频率和调制方式不同而限制了各种设备的互通和兼容，造成资金浪费和重复投入。另一方面由于每个国家有自己的利益， 移动通信的发展又日渐平衡， 那种一统天下的局面将不复存在。在未来， 国际统一的无线标准将几乎不可能。从长远来看， 为了满足国际性的移动通信需要及鼓励行业竞争， 开放结构和开放标准将变得越来越重要。针对目前多种无线通信标准和体制之间无法兼容的弊端，软件无线电概念被提出了。软件无线电技术为多体制、多标准的互通提供了灵活的解决方案。软件无线电技术成为对用户终端和服务提供商来说是最有前景的解决方案之一。随着无线标准――包括广域3G 、2.5G 、局域802.11网络以及城域802.16网络的扩展，未来无线器件将要支持多种空中接口和调制格式。软件无线电（SDR ）技术采用可重配置的多标准硬件平台，让无线器件具有兼容2G ，3G ，802.11，802.16等协议的功能。

2．软件无线电的基本特征

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*国家重点基础研究发展计划973课题（2004CB719802）资助项目

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。软件无线电技术通过空中下载带来的灵活性和可测性不仅对用户有利，而且对服务提供商来说也很有利。软件无线电技术应用于设计多频/多模的可编程手机。它可自动检测接收信号，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。在移动通信或PCS中，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，使基站和移动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，利用软件无线电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。而且通常情况下升级到一个新标准必须重新更换硬件平台，而使用了软件无线电技术后则无须更换硬件平台，从而不仅减少了网络运营商的硬件投资，而且增加了网络和移动设备的生存周期

3．软件无线电终端程序下载及终端重构过程

不同的无线接入网使用不同的接入标准，在众多无线接入网之中，用户将选择最适合要求的接入网。为了选择合适的无线接入网，需要考虑诸如用户终端速度，无线接入网容量，用户想用的服务类型等因素。

为了兼容不同标准，用户必须有支持多标准的终端设备。用户可以通过下载相应软件来重构终端设备以支持不同接入网的标准。重构考虑的因素之一是用户终端是否移动。根据用户终端的情况，从可利用的无线接入网中选择一个合适的接入网。假定用户正打算在家里使用终端设备，这种情况下用户终端不可能在多个基站间进行切换， 所以应选择具有最高数据速率的接入网。然而，如果终端设备正在高速移动，很可能在基站间发生频繁的切换，这将影响终端设备的性能。由于每个无线接入网有不同的覆盖范围，（例如，UTRAN覆盖2477.7米的范围，在欧洲对1到11Mbps 服务速率的IEEE802.11b 有46.4.到91.9米的覆盖范围，而IEEE802.16有50km 的覆盖范围。）为了避免以上问题，应选择在每个基站都有最大覆盖范围的无线接入网。

从普通意义上来说，软件下载可被定义为“引入信道程序代码到一个终端来改变它的操作或性能的过程”。 一般来说，在两种情况下可能需要软件下载过程。一种是移动设备刚上电时，另一种是当移动设备漫游到一个新区域时。下载了所需的软件后终端进行重构，重构过程随操作目的不同而不同，这个过程按事件发生的顺序来进行。重构过程以触发事件和终端的实际状态为条件。当前的用户设置或先前的用户设置、终端应用、终端资源系统、网络运营商、服务提供商或设备制造商都可以触发重构过程， 终端状态可被描述为空闲、启动进程、进程中三种。重构步骤如下：

1. 可利用模式查找

2. 检测新的空中接口&监测

3. 鉴权

4. 模式协商

5. 决定改变模式

6. 通过空中下载来下载软件

7. 重构

8. 位置更新

图1为一个简单的重构过程流图。为了实现重构，应该深入研究不同无线接入网的特性，因为每个无线接入网在它们的覆盖范围、容量、数据速率方面有不同的特性。

图1 重构过程流图

4．软件无线电基站及其在IEEE802.16中的应用

4.1 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。

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。用户或运营商根据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标准系统（这些系统包括GSM ，CDMA IS-95，EDCT ，UMTS 等）的必要软件的基站，这个基站被称作通用基站。基站将按需求下载软件代码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－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，接入和网络功能。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。

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，移动物体将要求基站通过空中下载来下载新的系统软件。如果基站使用宽带软件无线电结构，其硬件可以覆盖20MHz 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。对于正在发展中的协议如IEEE802.16来说，这种方法的优点将更为突出。

4.2 WiMAX软件无线电基站

一个使用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。软件无线电的硬件提供一个通用平台而它是由软件来定义无线性能。结合软件无线电技术和自适应技术的优点，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，超容量软件无线电基站可通过增加自适应天线阵列来减少对新站点的需求。自适应天线波束赋形技术（Adaptive beamforming）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。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。正如人们期望的那样，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。AirNet通信公司基于软件无线电技术的基站收发

系统的一个WiMAX可自适应阵列基站结构如图2所示。

PHY Layer Processing IF/RF

图2 基于软件无线电的WIMAX 基站收发

传统的基站技术在过去的20年中一直使用窄带硬件连接逻辑，导致在这些现有的应用系统中特征和性能的折衷。大部分技术专家意识到窄带技术已达到了极限，必须要一个宽带无线平台来支持新的数据服务和更大的容量。超容量软件无线电基站收发系统将为服务提供商提供一个软件重构方法，这个方法能通过软件升级使已出现的无线网络WiMAX802.16－2004（d）升级到将来的802.16e 移动标准。基站收发系统的服务能力通过软件来定义，这样易确保实现服务变化，升级和已出现的超容量移动数据服务，例如802.16eWiMAX 比用硬件解决方案（如：增加新基站和发射塔）花费更低的成本。

5．总结

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，成为第三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。

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作者简介：

刘富强，男，1965年3月出生，博士（后）。天津大学电子工程系无线电技术专业毕业。同济大学责任教授，博士生导师，电子与信息工程学院副院长，《同济大学学报》编委；中国图像图形学会常务理事，中国计算机学会多媒体专业委员会常务委员，科技部国家重点新产品计划评审专家，劳动与社会保障部特聘专家，上海市政府采购咨询专家，上海市市级和国家级重点新产品评审专家。

已经完成国家九五重点科技攻关计划项目、国家自然科学基金、江苏省应用基础项目、煤炭部科研项目及煤炭部重点推广项目、科技部国家创新基金、中国科学院自动化所模式识别国家重点实验室基金等科研项目多项，目前正在进行的项目有国家重点基础研究发展规划项目（973项目）、国际合作项目、上海市自然科学基金等。

先后获省部级科技进步奖共10项（一等奖2项、二等奖5项、三等奖3项），2004年获得同济大学首届“同济青年五四奖”。获得国家发明专利1项。发表论文70多篇，其中EI 、ISTP 检索10篇。出版著作3部（1部列入信息科学与技术丛书），教材5部（4部列入国家职业资格

培训教程，1部列入高等院校通信与信息专业规划教材），制订国家标准和上海市地方标准各1项。

联系地址：

刘富强

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