改變無線通信前進的方式詳細解說

軟件無線電最初起源于軍事研究。1992年5月，MILTRE公司的Joe Mitola在美國國家遠程系統會議上首次作為軍事技術提出了軟件無線電（Software Radio，簡稱為SWR）的概念，希望用這種新技術來解決三軍無線電臺多工作頻段、多工作方式的互通問題。從此，對軟件無線電的研究在全球范圍內迅速展開。

　　1994年，美軍完成了“易通話”(Speakeasy)軟件無線電的第一期工程。1995年5月，IEEE《通信雜志》出版了軟件無線電專刊，進一步闡述了軟件無線電的體系結構及其相關的A/D（模/數變換器）、DSP（數字信號處理器）等關鍵技術，并給出了可以用于軟件無線電的現有DSP芯片清單，從此拉開了軟件無線電在軍事、商用領域研究的序幕。

軟硬如何分離？

　　所謂軟件無線電，是指構造一個具有標準化、模塊化、開放性的硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等用軟件來完成，同時使寬帶A/D轉換器盡可能靠近天線，以充分實現數字化，提高可編程性。軟件無線電技術的重要價值在于：傳統的硬件無線電通信設備只是作為無線通信的基本平臺，而眾多的通信功能則是由軟件來實現，這打破了有史以來設備的通信功能的實現僅僅依賴于硬件發展的格局。軟件無線電技術的出現是通信領域繼固定通信到移動通信、摸擬通信到數字通信之后的第三次革命。

　　作為一種新興的技術，軟件無線電的基本概念就是在一個通用硬件平臺上，通過軟件加載的方式用軟件來實現所有無線電系統的通信功能。軟件無線電的基本思想就是將寬帶模數變換器(A/D)及數模變換器(D/A)盡可能地靠近射頻天線，建立一個具有“A/D-DSP-D/A”模型的通用的、開放的硬件平臺，在這個硬件平臺上盡量利用軟件技術來實現電臺的各種功能模塊。如使用寬帶ADC通過可編程數字濾波器對信道進行分離；使用數字信號處理器(DSP)技術，通過軟件編程來實現各種通信頻段的選擇,如HF、VHF、UHF和SHF等；通過軟件編程來完成傳送信息抽樣、量化、編碼/解碼、運算處理和變換，以實現射頻電臺的收發功能；通過軟件編程實現不同的信道調制方式的選擇，如調幅、調頻、單邊帶、數據、跳頻和擴頻等；通過軟件編程實現不同的保密結構、網絡協議和控制終端功能等。

　　軟件無線電技術是軟件化、計算密集型的操作形式。為此，軟件無線電以硬件為基本平臺，該平臺具有模塊化和標準化的特點，并以總線方式進行連接。它將使通信具有很大的通用性、靈活性，并使得系統互聯和升級非常方便。一個典型的軟件無線電平臺可以將硬件單元劃分成射頻、中頻、基帶、信源和信令等各層，它們具有模塊化結構，各層之間的連接通過控制總線和數據總線實現，其基本模型如圖1所示。

如何評價軟件無線電的“軟件化”程度？

　　1997年5月，軟件無線電概念的提出者Joe.Mhola在歐洲召開的軟件無線電會議上首倡用一種特征矢量（N，PDA，HM，SFA）作為衡量軟件無線電系統水平的尺度，矢量中每個參數的變化值為0～3。其中:

● N為空中接口所能支持的信道數，分為4類：單一信道（0）、雙信道（1）、多信道（小于6個）（2）以及RF頻段中的所有信道（3）。

● PDA是可編程數字化接入，指軟件無線電系統中數字可編程的程度，分為4類：無可編程性（完全模擬或固定功能的數字無線電）（0）、基帶可編程（1）、中頻可編程（2）以及射頻可編程（3）。

● HM是硬件的模塊化程度，指硬件可編程能力分為4類，無可編程性（0）、系統采用可編程專用模塊（1）、系統采用DSP（2）以及采用FPGA等（3）。

● SFA是軟件模塊化，指軟件的靈活性和支持能力。它也分為4類：無空中接口定義軟件（0）、應用于一種硬件平臺的軟件（1）、多種軟件應用于一種硬件平臺（2）以及多種軟件應用于多種硬件平臺（3）。

　　該參數表現了能夠提供即插即用軟件模塊的特點。如果在運行的過程中，功能沒有變化，那么由最初制造商提供的應用于硬件平臺的軟件可以滿足要求。但當有多個軟件供應商都能提供軟件產品時，只適用于一種硬件平臺的軟件無法滿足多種硬件平臺的需要。

　　通過以上參數的不同組合，可對軟件無線電系統的水平進行劃分。軟件無線電系統的級別分為4級，從0級到3級。目前很多的可編程數字無線電系統處于級別1，美國軍方的Speakeasy級別為2（如表所示）。

軟件無線電扎根無線電通信領域

　　軟件無線電技術首先在軍事領域得到應用。由于其優良的表現，軟件無線電技術很快滲透到民用的無線移動通信領域，特別是在即將走向商用的第三代移動通信領域具有廣闊的應用前景。軟件無線電從應用上看呈現許多特征。

　　軟件無線電（更嚴格地說是軟件和數字處理硬件的結合）已經存在一段時間了，尤其是這幾年在電子戰方面的應用，使人們對軟件無線電技術產生了濃厚的興趣。冷戰的結束導致了軍事市場的顯著萎縮，應用研究的重點發生了轉移。商業無線電應用需要能提供低價格的、快速應用于市場的無線電系統的開發技術。軟件無線電有希望成為更便宜、更靈活和用途更廣泛的無線技術的首選，應用于商業無線電行業。

　　由于軟件無線電具有現有無線通信體制所不具備的許多優點，因此它有著廣泛的應用前景。在軍用方面，軟件無線電技術可實現各種軍用電臺的互連互通；軟件無線電系統可接入各種軍用移動通信網。在民用方面，多頻段多模式移動電話通用手機、多頻段多模式移動電話通用基站、無線局域網及通用網關等都是軟件無線電的重要應用領域。

　　隨著無線網絡的發展，各種無線電功能、組成和設計規范不斷出現。特別是未來無縫多模式網絡要求無線電終端和基站具有靈活的RF頻段、信道接入模式、數據速率和應用功能。軟件無線電可以通過靈活的應變能力提高業務質量，同時軟件無線電結構簡化了硬件組成，提供了快速適應新出現的標準的管理方式。無線電接入點、小區和無線數據骨干網等這些基本設施結構可以通過安裝新編程的軟件滿足不斷變化的標準，而不用更換新的硬件設備。總之，任何一個希望接入多種無線電模式的使用者，都可能成為未來軟件無線電系統的潛在用戶。

　　軟件無線電通過由軟件編程實現通信功能的方式來提高業務質量和信道接入靈活性。隨著高性能DSP芯片的發展，軟件無線電正在進入商用移動通信系統。軟件無線電是實現不同多址接入方式兼容的最佳方案。盡管目前數字信號處理器的運算能力遠達不到軟件無線電的要求，但是隨著微電子技術和計算機技術的飛速發展，這些問題都會得到圓滿的解決。利用軟件無線電技術開發新一代的多模移動通信手機，可以實現一機在手，漫游天下的設想。隨著移動通信和PCS(個人通信服務)業務的不斷拓展，軟件無線電必將成為移動通信中的主流技術。

全球重視軟件無線電研發

　　目前，軟件無線電在國外得到迅速發展。1991年10月8日，美國國防部通信會議明確確定了“Speakeasy計劃”。Speakeasy系統的目標是使一個波形可編程的多頻段多模電臺能同時處理多種不同的信號波形（包括從AM到MQAM等）；能兼容美軍15種以上的電臺，占用多種不同的頻段；通信制式、組網方式、調制方法，以及語音速率和編碼方式以及信息保密方法都用可編程軟件實現。Speakeasy無線電系統工作頻率覆蓋2M～2000MHz，基本上能兼容現有的各類電臺，該電臺能同時處理4種以上不同的調制波形。1994年8月，Speakeasy一期工程為政府代表做了功能演示，演示的業務包括語音、數據和視頻圖像等。1995年，美軍啟動Speakeasy二期工程，在1995年7月到1996年9月的15個月里，研制出電臺樣機。

　　此外，歐共體的ACTS FIRST項目和美國RUTGERS大學分別進行了針對軟件無線電應用于第三代移動通信系統的研究。ACTS FIRST項目的目標是探討將軟件無線電技術應用到多波段多模式可編程手機的可能性，目前已取得了一些研究成果，確定了各模塊應滿足的性能指標。

　　美國哈里斯公司已研制成功AN/VRC-94（E）多頻段車載收發信機，可與其他電臺（如AN/PRC-117A和AN/VRC-94A）互通。南非Grinel公司研制成功TR600輕型多頻段多模式電臺。美國馬格納泛斯克公司也研制出AN/GRC-206（V）多頻段多模式電臺，它是一種HF/VHF/UHF綜合通信系統。美國陸軍正在研制新一代三頻段的超高頻戰術衛星通信終端，以實現真正意義上的互通。

　　在我國，軟件無線電技術受到相當重視，在“九五”和“十五”預研項目和“863”計劃中都將軟件無線電技術列為重點研究項目。我國提出的第三代移動通信系統方案TD-SCDMA，就是利用軟件無線電技術完成設計的。軟件無線電需要將現代先進的通信技術、微電子技術和計算機技術結合在一起，是一個中長期的研究項目，需要很強的綜合實力。

軟件無線電惠顧各方

　　使用軟件無線電概念來設計和實現下一代的無線通信系統和設備，與傳統的產品和設備相比較，具有明顯的優勢。它將使得從技術研究開發，到設備制造商，到電信運營商，到每個無線通信最終用戶都得到實惠。

1．對技術和產品的研究開發

　　傳統的無線通信系統只對單一的標準進行產品開發，從標準相對穩定到設計和開發專用芯片，再到產品設計和實現，是一個以年為單位的過程，開發周期長，開發成本高。上述情況導致在標準制定進程中，大多數新技術不能被應用，限制了新技術的發展，導致商用產品和當時技術水平的巨大差異。

　　軟件無線電將提供一個新概念和通用無線通信平臺，在此平臺上，可以基于軟件來實現新業務和使用新技術，大大降低了開發成本和周期，使產品能跟上技術發展的水平。未來的新業務將由用戶來開發，只有使用軟件無線電技術，才可能讓用戶像使用PC一樣，用軟件無線電設備去開發所需的新業務。

2．對制造商

　　隨著技術的進步，目前無線通信產品的生命周期越來越短，因此針對單一產品線的投資風險加大。這要求移動通信設備制造商有強大的技術開發和技術支持能力，大大增加了產品成本。即便如此，任何在決策上、管理上、市場上的失敗都會導致投資的巨大損失。

軟件無線電是基于產品的，基于軟件無線電產品的生產：

● 將比傳統產品原材料成本低；

● 產品壽命長，意味著投資風險低；

● 由于它采用簡單化及標準化硬件，使得產品容易生產。

　　因此，制造商生產基于軟件無線電技術的產品，可得到遠大于生產傳統產品的效益。

3．運營商

　　移動通信網建設需要巨大投資，同時具有很大的風險性。如我國現今一方面由于市場需求，GSM網絡迅速擴容，增加了大量GPRS設備；另一方面又處于第三代移動通信即將到來的時期，制定一個成功的投資戰略極為困難。在下階段又將考慮在第三代移動通信的多種標準中如何選擇，也有很大的投資風險。

　　而基于軟件無線電技術的產品將為運營商帶來利益，它表現在：

● 比傳統產品成本低；

● 投資風險低，同一基站目前可以工作于GSM網絡，通過軟件升級可提供GPRS業務，再升級可工作于任何一個第三代移動通信標準；

● 真正意義上的平滑過渡使得系統設備的壽命延長；

● 為新業務提供了靈活方便的硬件平臺。

顯然，軟件無線電將給運營商帶來比傳統產品更多的利潤。

4.對最終用戶

　　基于軟件無線電技術的用戶設備，則是要為用戶提供一個通用的終端設備平臺。它應當能支持多達5～8種國際上通用的標準，而且可以通過空間加載軟件技術達到用戶設備升級的目的。只有這樣，用戶才不需要關心其所在的地區和運營商的問題而實現真正意義上的全球漫游，用戶也才有可能獲得所希望得到的新業務。

表 軟件無線電的級別

級別 (N，PDA，HM，SFA)取值及實例

０ 固定功能，包括模擬無線電(*，0，0，0)，FM和數字無線電

(*，1，0，0)，尋呼機(1，1，00)

１ 基帶可編程(*，1，>0,>0)

２ 中頻可編程(*，2,>0,>0)，如Speakeasy(1～n,2,2/3,1/2)

３ 射頻可編程，理想的軟件無線電(NN,3,1～3,3)

　　注：*表示可不考慮；n表示參數N為1、2或少量（＜6）同步空中接口信道的情況；NN表示參數N為RF頻道中的所有信道情況。

　　在無線通信領域拷貝PC發展的理念

　　我們不能說，軟件無線電的發展思路源于PC，但是PC與軟件無線電的發展思路有驚人相似的一面。說它是巧合也好，是偶然也罷，我們從中可以發現同樣的規律。

　　軟件無線電與個人電腦在概念上和結構上比較類似。依照無線通信的發展規律，我們可以將一個無線通信系統硬件與軟件分離，并形成完成不同功能的層次。圖2就是采用軟件無線電思想，對無線通信系統進行分層，不同的層次完成不同的功能。這與PC產品中模塊化、標準化思路有異曲同功之妙。軟件無線電可能會成為無線通信發展的一個里程碑。