112

摘 要 文章首先概括地介绍了软件无线电的概念、实现的体系结构和关键技术，然后针对3G标准的大带宽、高速率、多媒体要求以及采用智能天线、多用户检测、Turbo码等技术带来的挑战，重点讨论了3G系统中采用软件无线电技术的难点及当前的进展情况。

　　关键词 软件无线电 多用户检测 智能天线 移动通信

1 前言

　　软件无线电(SWR)是将标准化、模块化的硬件功能单元，通过高速总线或高速网络等连接形成一个通用的数字式硬件平台，再通过软件加载的方式来实现各种类型无线通信系统的开放式体系结构。其基本思想是把A/D、D/A变换器放置在收/发信机的天线之后，用软件实现无线电系统的所有功能。典型的软件无线电系统包括实时信道处理部分、准实时的环境管理部分以及用于开发增强业务的在线和脱机软件等，图1中给出了典型软件无线电体系结构的功能框图。软件无线电实现方式多样，既可以利用ADC、FPGA、DSP和通用CPU形成具有SIMD和MIMD混合结构的流水线方式来实现，也可以在通用的PC机和工作站上实现，甚至可以通过高速网络利用网络资源实现。

 

　　无线电功能的软件化使得采用软件无线电技术实现的通信系统造价低廉、灵活性强。具有易于实现与不同的频带、带宽和调制方式的通信系统的互联、互通；系统的升级和嵌入新技术更方便；便于开发新的增值业务；能更充分地利用有限的频谱资源等优点。因此，软件无线电技术成为通信技术领域中的重要研究内容。

　　当前，蜂窝移动通信系统发展到第三代，3G系统进入商业运行一方面需要解决不同标准的系统间的兼容性；另一方面为了适应技术的飞速发展，3G无线通信系统要求具有高度的灵活性和扩展升级能力。软件无线电技术无疑是最好的解决方案。本文以实现CDMA2000和W-CDMA双模软件无线电系统为切入点，讨论在3G系统中采用软件无线电技术所面临的技术难题。作为3G移动通信标准中的两个主要标准，W-CDMA和CDMA2000都采用码分多址接入方式，且具有信道带宽宽，数据速率多样且支持高速率，不同业务采用信道编码不同等共性，同时，这两种标准之间在码片速率、信道带宽和信道选择码等方面也存在差异。这些方面以及为了提高系统容量在3G中将采用的智能天线技术(Smart Antenna)、多用户检测技术(MUD)等，使得软件无线电技术在3G系统中有着广泛的应用空间，同时面临巨大的技术挑战。

2 软件无线电体系结构及其关键技术

　　软件无线电实现的体系结构可分为三种：传统的流水线结构、基于高速总线的体系结构和建立在高速网络上的基于交换的体系结构。流水线结构匹配于通信系统的流水线串行处理机制，但是硬件平台中的射频、中频和基带处理等基本功能模块耦合过于紧密，难于实现系统扩展；基于总线的体系结构放宽了基本模块间的联系，各功能模块通过统一的、开放的标准接口由开放的高速总线连接，因而系统的结构灵活，开放性、通用性和可扩展性强，而缺点则表现在时分复用的总线利用机制与通信系统的流水线串行处理机制不匹配，多处理器间必须通过复杂的控制机制才能协同地实现无线电功能。软件无线电的高速网络交换方式是重要的发展方向。当前实现的软件无线电系统实际上是软件定义的无线电(SDR)，通常采用流水线结构实现，下面结合流水线结构介绍软件定义无线电的关键技术。软件定义无线电的流水线结构框图如图2所示。

　　下面把软件定义无线电实现的关键技术分为宽带天线与射频段、A/D-D/A与高速中频段、可编程基带与比特流处理段和软件技术四部分进行讨论。

(1) 天线及射频转换部分的关键技术

　　射频段要求能够接入多个波段甚至覆盖整个波段。主要包括组合式多频段天线及智能化天线技术，模块化、通用化收发双工技术、多倍频程宽带低噪声接收放大器技术，线性高功率放大器技术和宽带上下变频器技术。这部分只能用高频模拟器件实现，但可以用软件对其功能和参数进行控制。

(2) A/D-D/A与高速、高精度中频数字处理段关键技术

　　把A/D-D/A变换器放置在尽可能靠近天线的位置上是软件无线电与传统数字无线电的主要区别之一。在软件定义无线电中，A/D-D/A变换器放在中频对大带宽范围内的多路信号进行采样。根据Nyqist定理，大输入信号带宽要求A/D变换有很高的采样率；另一方面由多路信号间的远近效应而要求A/D变换器有大的动态范围与取样精度。当A/D技术不能满足要求时，有多种解决方案。如，把整个接收带宽分成多个子带，用多个窄带A/D对各个子带并行采样；用对数压缩等方法控制或抑制输入信号动态范围；量化与信号预测相结合，量化预测误差信号等。

　　数字下变频的任务是将A/D输出的含有多路信道的高速数字信号进行信道划分与提取，包括变频、滤波和降采样等处理。数字上变频是其逆过程。实现上、下变频所要求的运算量很大，是系统实现中最困难的部分。在移动通信系统中，基站和移动台在中频处理部分面临的问题和采用的技术不完全相同。由于基站一般要求同时处理多个来自不同频带的信号，因此，理想的方式是采用宽带接收机，利用多速率信号处理技术来提高计算效率，例如使用基于FFT的信道划分技术来提取所有信道。对于移动台和手机，由于只接收自身的一路信号，因此一般可采用专用器件来实现数字下变频，如Harris公司的HSP50214B等。

 

　　由图2中可见，软件定义无线电通信系统主要包括模拟信号处理子系统和数字信号处理子系统两部分。而A/D与D/A是模拟处理子系统和数字处理子系统。模拟信号处理子系统包括天线和射频前端；数字处理部分进一步分为高速中频处理部分和基带处理部分。

(3) 基带与比特流处理部分关键技术

　　基带与比特流处理部分主要完成单一信道信号基带可编程处理。包括调制/解调、编/译码、交织/去交织、扩频/解扩、加/解密处理、信道均衡，定时、同步甚至信源编码等。这部分要求具有高度的可编程、可重新配置特点。虽然数据速率比中频低，但对于3G标准(如W-CDMA和CDMA2000)，由于数据速率本身较高(W-CDMA最低为3.84Mbit/s，CDMA2000最低为1.2288Mbit/s)，同时，信道译码方法、RAKE接收、多用户检测算法和智能天线技术等运算量都很大，产生所谓DSP瓶颈。解决DSP瓶颈的方法是采用树型结构或网络结构的多处理器技术。基带处理部分由可编程器件如FPGA、DSP和通用CPU等结合实现。如何进行无线电功能的划分及将划分后的功能映射到具有不同灵活性和处理特点的器件上(FPGA的灵活性比DSP和通用CPU差，但具有分布特点的大计算量算法适合在FPGA上实现)，决定了整个系统的综合性能。

(4) 软件技术

　　实现软件无线电技术要求软件具有对硬件平台的独立性。实现软件对硬件独立的方式之一是建立介于硬件和软件之间的中间插件，实现硬件、软件和中间插件的层次结构。软件技术中另一个关键问题是软件下载,包括软件下载方式、接口方式和软件下载的认证、安全和协议等。手机实现软件下载有三种方式：通过使用智能卡编程等来支持某特定标准的静态下载方式；通过空中(OTA)下载来预先配置终端，以适应一组特定的协议、应用和无线电接口的伪静态方式；在通话过程中通过OTA重新配置软件的动态软件下载方式。目前考虑的将软件传送到软件无线电手机的接口有三种:手机与智能卡间的接口，它对应的是静态软件下载方式;手机与外设间的接口，它对应的也是静态软件下载方式，其中外设是具有扩展存储器和足够处理能力的计算机；手机与基站之间的无线接口，此接口与伪静态方式和动态软件下载方式相对应。

　　软件无线电中的关键技术还包括开放式高速、宽带数据传送技术。为了适应软件无线电的发展，需要速度更高、带宽更大的新型开放总线。基于网络的软件无线电要求高于10Gbit/s超高速网络。因此，开放式高速、宽带数据传送技术对结构灵活、开放、可扩展软件无线电实现非常重要。

3软件无线电在3G移动通信系统中的应用

　　上面讨论了实现软件定义无线电所面临的共性的技术问题。下面以实现CDMA2000(含IS-95)和W-CDMA双模软件无线电系统为例，针对3G移动通信系统的具体情况，分析3G中软件无线电技术的可行性及实现所面临的技术难题。讨论是在传统的流水线结构上进行的，首先讨论传统单用户接收机的软件无线电实现问题，然后讨论卷积码、Turbo码译码的软件实现，最后讨论智能天线技术和多用户检测技术的软件无线电实现中所面临的问题。

3.1 传统单用户接收方式的软件无线电实现

　　这里的讨论仅限于下行链路接收过程中的A/D变换器和数字处理子系统。讨论是从实现各种无线电功能的计算复杂度这个角度进行的，而且仅讨论资源需求中的主要矛盾，包括成形滤波和RAKE接收等。

3.1.1 实现W-CDMA和CDMA2000双模无线电系统在标准方面的基础

　　为了在移动台中支持多种通信标准，从降低复杂度和造价等方面考虑希望能用同一个主系统时钟为每种工作模式产生工作时钟，这个主时钟可以是每种模式的时钟频率的最小公倍数。从表1可以得出CDMA2000 1X和W-CDMA码片速率的最小公倍数是30.72 MHz，CDMA20003X和W-CDMA码片速率的最小公倍数是92.16 MHz。由于这个公倍数较小，可用其二倍频率184.32 MHz作为主系统时钟，CDMA2000(1X和3X)或W-CDMA各自的时钟均可由此主时钟导出。所以说W-CDMA和CDMA2000标准为W-CDMA/CDMA2000(包括IS-95)多模移动台的实现提供了方便。

3.1.2 VLSI器件提供的有利条件

　　表2中给出了部分当前最先进的A/D变换器和可编程DSP处理器。下面通过比较A/D变换器和可编程DSP处理器的实际水平与实现W-CDMA和CDMA2000双模系统对这些器件的要求来讨论实现的可行性和难点。

(1) A/D变换器

　　A/D变换器的采样率选择为61.44MHz。选择的依据有两方面，首先是为了满足采样定理。无线频谱资源是十分有限的，这里假设分配给每个标准的频谱都是25MHz，采样定理要求采样率至少是信号带宽的2倍，实际中常取为信号带宽的2.5倍，61.44MHz的采样率基本满足要求；其次61.44MHz采样率可由184.32 MHz的系统时钟3倍降采样直接得到。从表2中列出的当前最先进的A/D器件水平看，AD6644和AD9244在65MHz采样率时能提供14bit的精度。其中AD6644在Nyquist频带上可提供100dB的FSDR，可满足要求。

(2) DDC器件

　　DDC器件可选择Intersil公司的HSP50214B-65。HSP50214B-65最高输入样本速率为65MHz，精度为16bit，并可以进行非整数倍的降采样。下面分别确定W-CDMA和CDMA2000的降采样倍数。为了使后续处理部分能更精确地实现码片同步，降低采样后的数据速率取为码片速率的4倍。于是得到W-CDMA的降采样速率为4，CDMA2000 3X降采样率为4.1667，CDMA2000 1X降采样率为12.5。降采样后的数据率分别为15.36MSPS(W-CDMA)、4.9152MSPS(CDMA2000 1X)和14.7456MSPS(CDMA2000 3X)。

(3) 可编程DSP处理器

· 脉冲成型滤波处理计算量估计

　　脉冲成型滤波器也是按4采样速率进行的。3GPP2明确给出了成型滤波器长度(在四采样时， 1X时的滤波器长度为48，3X时的滤波器长度为108)。3GPP协议中给出的成型滤波器是滚降因子为0.22的根平方升余弦滤波器，长度为25(单采样率)的根平方升余弦滤波器可以满足3GPP的要求。计算时考虑滤波分别计算结果在表3中第一行给出。脉冲成型滤波器收发都要用到，而且是I、Q两路，所以总的计算量仍然很大，对DSP处理能力要求很高，但是用FPGA实现很方便。

·　RAKE接收中的运算量估计

　　当完成精确的码片同步后，脉冲成型滤波器输出数据速率可以降为码片速率，此后的计算都是在码片速率基础上进行的。RAKE完成解扩、解扰和多径合并等处理。解扰是复乘运算，对每个码片信号解扰需四条指令。I、Q两路解扩需要两条指令，共需6条指令/每码片。对应W-CDMA和CDMA2000(1X和3X)，解扰、解扩所需的DSP计算量由表4第二行给出。假设RAKE接收机共有6条指峰，则所有解码、解扩所需指令由表3第三行给出。这里的结果是假设信道参数已知，且采用最大比合并条件下得到的。在合并之前，每个指峰首先与复值信道估计参量进行复乘再进行叠加。当指峰数为K时，每个数据点的计算量为K×4个指令。而解扰、解扩后的数据率与扩谱因子有关，对W-CDMA，扩谱因子取值范围是4～512，所对应的数据率为960～7.5 kSPS，因此，最大比合并的计算量为K×0.03～K×3.84MIPS。CDMA2000可以得到相似结果。

　　发射过程的计算复杂度一般要小于接收过程的计算复杂度，所以，总的复杂度一般不会超出接收处理复杂度的两倍。但是，应该说明的是上面的讨论主要考虑的是数字处理部分中对总计算量起决定作用的功能模块，而没有考虑信源编码及协议实现等所需要的处理量。目前最先进的DSP器件TMS320C6416-600的处理能力已经达到4.8GIPS。实现上述处理的要求可用两片TMS320C6416-600芯片或者用FPGA来实现成型滤波器，用一片TMS320C6416-600来实现其余处理。

3.2 信道译码器的软件无线电实现

　　CDMA2000和W-CDMA的信道编码方案中都包括卷积码和Turbo码两种方式。卷积码采用Viterbi算法实现译码；Turbo码译码器可以采用MAP算法和SOVA算法通过迭代实现，由于MAP算法十分复杂，实际中采用的是降低复杂度的LOG-MAP算法、MAX-LOG-MAP算法或SOVA算法。Turbo码译码器的计算复杂度与采用的算法、编码器的约束长度和实现的迭代次数有关。各种算法中MAP算法复杂度最高，LOG-MAP算法次之，而SOVA算法复杂度最低。与这些算法复杂度依次降低相对应的是算法的精度相应地也降低了。在CDMA2000和WCDMA标准中，Turbo码主要用于高速数据业务和高QoS要求的业务。表4中列出了CDMA2000标准中在不同无线配置条件下部分信道所采用的信道编码方式，及根据参考文献中给出的算法计算复杂度公式得到的软件实现所需要的MIPS数。估计中假设DSP芯片中乘、比较和查表等是在单指令下实现的。这种假设对于内部提供Viterbi算法支持的DSP芯片是成立的，如TMS320C54X信片等。从表4中可以看出，当迭代次数N为6时，完全满足CDMA2000标准中各种速率要求的Turbo码译码器需要的运算量为2.7GIPS。所以，在可编程DSP上用软件实现Turbo码的译码算法对DSP提出了很高的要求。一种可行的方案是用DSP+灵活的硬件译码器方法实现，DSP对硬件译码器进行配置，然后具体的译码算法在硬件中实现，解决了灵活性与处理要求高的矛盾。庆幸的是，在部分高级DSP芯片，如TMS320C6416中，针对3G移动通信标准中的信道编码要求嵌入了高性能的Viterbi译码器和Turbo码译码器。这些协处理器能完全满足CDMA2000和W-CDMA标准中不同信道的译码要求，它们与DSP核心处理器并行工作，通过高性能DMA完成与DSP的数据交换。

3.3 智能天线和多用户检测的软件无线电实现

　　CDMA系统是干扰受限系统，多址干扰(包括同小区内用户和其它小区用户的干扰两部分)和多径干扰大大降低了CDMA系统的容量和覆盖范围。智能天线和多用户检测技术是降低多址干扰的两种关键技术。图3中给出了智能天线和多用户检测技术联合的一种方式。

　　智能天线利用信号传输的空间特性，自适应地调整天线方向图，在跟踪有用信号的同时减少或抵消干扰，增加信号干扰噪声比，增加系统容量，提高通信频谱利用率，降低信号发射功率，提高通信系统覆盖范围。智能天线波束形成算法可分为基于训练序列的算法和盲算法两大类，这些算法性能通常与通信系统的多址方式有关，如对于3G标准来说，MDIR算法是优选方案。因此，在软件无线电实现的可以支持不同频段、不同多址方式的通信系统中，智能天线处理的体系结构与算法应当实时地与系统具体采用的标准保持一致。

　　智能天线处理包括调整天线阵元权系数和利用给定的权系数对输入信号实时处理两方面的计算。不同的智能天线算法复杂度不同，同一算法在系统中天线阵元数不同时复杂度也不同。对于基于训练序列的智能天线算法，参考文献中给出了采用LSM、RLS、FTF和LSL等自适应算法调整天线阵元权矢量的计算复杂度。参考文献给出了适用于3G标准的MDIR算法的复杂度。结果表明，当基站的智能天线由4个阵元组成时，每个用户的波束形成需要用一片浮点C6203DSP处理器。可见，对于同时要处理多个用户信息的基站来说，实现MDIR智能天线算法难度较大。

参考文献

［１０］给出了一种次最优的、低运算复杂度的盲智能天线算法，适用于采用CDMA多址方式的移动通信系统。特点是采用时—空处理结构在解扩之后的基带进行天线波束形成运算，调整天线权系数和实现阵列处理输出都以信息符号的速率进行。当天线阵元数为N时，一次处理需要3N个复乘和N个复加运算，按复乘用四条指令完成，复加用两条指令完成计算共需14N条指令实现一次处理。当天线数取为16，信息符号速率采用CDMA2000标准中的最高符号速率1.0368M计算时，用一片处理能力为4.8GIPS的TMS320C6416-600可以完成20个用户的空间处理。可见，基站中采用此低复杂度智能天线算法的可行性很大。

 

　　多用户检测技术通过信号处理手段来降低多址干扰、多径干扰和远近效应的影响，从而增加系统容量和覆盖范围。多用户检测器可分为最优的多用户检测器(MLSD检测器)和次优型多用户检测器，而次优型多用户检测器又可分为线性多用户检测器和非线性多用户检测器。MLSD检测器的复杂度为。参考文献中给出了部分降低复杂度的次优型多用户检测器的复杂度。复杂度过高是制约所有多用户检测方法使用的决定因素。例如，实现最优多用户检测器需要几十至几百TFLOPS，采用多级硬判决反馈算法的多用户检测方法需要至少7GFLOPS(或30GOPS)的处理量才能满足WCDMA的要求。用当前最先进的定点DSP芯片TMS320C6416-600来实现3G系统的多用户检测器，需要至少7片并行处理才能实现。对于不受体积、功耗等因素制约的基站来说，采用当前最先进的微处理器技术已经可以实现软件无线电多用户检测器。

　　当前的软件无线电多用户检测器研究尚处于功能实现阶段，通常采用全DSP结构或DSP加FPGA的混合结构来实现。在采用DSP和FPGA混合结构实现的软件无线电多用户检测器中，用FPGA实现算法中计算量大、实时性要求高的部分，而DSP实现算法中结构复杂的部分，如矩阵求逆等。在参考文献中，采用改进的匹配滤波器方式实现了匹配滤波MF接收机、近似解相关检测器AD、严格解相关检测器DC、最小均平方误差解相关器MMSE、连续干扰对消检测器SIC、并行干扰对消检测器PIC等多用户检测算法。可根据业务QoS的不同要求，采用不同的多用户检测方法。全DSP结构的软件无线电多用户检测器灵活性更高。参考文献中采用4片RISC处理器PowerPC G4实现的基于判决反馈算法多级干扰对消的多用户检测器，可同时支持128个实时的、同时通话的话音用户。

　　前面从算法复杂度的角度讨论在3G系统中采用软件无线电技术所面临的技术难题、解决方法和当前VLSI技术提供的有利条件。讨论没有涉及体积、功耗、成本等方面，而这些方面对于技术产品化是至关重要的，这些问题在实现软件无线电手机中更为突出。对于基站，虽然技术更复杂，但是由于受功耗、体积方面的限制较少，在当前VLSI技术条件下，通过多片FPGA和DSP并行处理是可以实现软件无线电基站的。在市场需求的巨大推动下，芯片在处理能力、功耗方面的进步是很快的，可以说软件无线电技术在3G移动通信系统中的应用的前景是十分光明的。

4 结束语

　　多种3G移动通信标准的加入使得本来已经十分庞大的移动通信标准族变得更加繁杂。从近期发展上看，软件无线电技术可以解决不同标准的兼容性，为实现全球漫游提供方便；从长远发展上看，软件无线电发展的目标是实现具有可以根据无线电环境变化而自适应地配置收/发信机的数据速率，调制、解调方式，信道编、译码方式，甚至调整信道频率、带宽以及无线接入方式的智能化无线通信系统，从而更加充分地利用频谱资源，在满足用户QoS要求的基础上使系统容量最大。当然，实现这一美好目标有待于理论与应用研究的进一步深入

本篇文章来源于 中国协议分析网|www. 原文链接：http://www./Class/otherprotocol/200610/14517.html