軟件無線電技術(shù)在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用前景 - 全文

近年來，A/D/A轉(zhuǎn)換、可編程邏輯器件、存儲器以及處理器方面的技術(shù)取得了長足的進展，產(chǎn)品的性價比不斷提高，這為軟件無線電技術(shù)從研究領(lǐng)域走向大規(guī)模商用提供了前提條件。軟件無線電技術(shù)的主要工作是信號處理，DSP技術(shù)的迅速發(fā)展使得信號處理可以由軟件來實現(xiàn)，這為無線空中接口的實現(xiàn)提供了高度的靈活性。隨著移動和個人通信市場的發(fā)展，用戶的需求也日益多樣化，現(xiàn)在的第二代通信系統(tǒng)也必須平滑過渡到第三代系統(tǒng)，這對未來移動系統(tǒng)的靈活性和創(chuàng)新性也提出了更高的要求。技術(shù)和市場的發(fā)展，促進了軟件無線電技術(shù)在第三代移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

軟件無線電與未來移動通信系統(tǒng)

傳統(tǒng)上，軟件無線電的基本思想在于：把天線上的信號或中頻信號由高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化后，再傳送給高性能終端(計算機、移動電話等)處理；終端內(nèi)部的軟件用來實現(xiàn)各種無線通信的基本功能單元，使得無線通信系統(tǒng)擺脫硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的束縛。近幾年來，人們對軟件無線電的研究正在趨向深入，產(chǎn)生了對軟件無線電更加寬泛的定義，它把移動終端看成具有高度適應(yīng)性和靈活性的未來移動計算平臺。我們可從以下三個層面來看廣義的軟件無線電技術(shù)：

①無線物理層的軟件無線電技術(shù)

②支持軟件無線電的協(xié)議結(jié)構(gòu)

③移動終端支持的業(yè)務(wù)與應(yīng)用

以上三個方面都可以看作是軟件無線電所要實現(xiàn)的目標(biāo)，但三者之間又是相互獨立的。鑒于已有許多文章對無線物理層的軟件無線電技術(shù)進行了討論，本文將從上述的后兩個層面介紹軟件無線電技術(shù)在未來移動系統(tǒng)中的應(yīng)用。協(xié)議結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和交換消息的研究應(yīng)與移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計聯(lián)系起來，這樣可以建立一個在未來研發(fā)過程中通用的結(jié)構(gòu)框架和系統(tǒng)平臺，大大增加了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和創(chuàng)新性。

第三代移動系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計思想

多種接入方式

雖然第三代移動系統(tǒng)的標(biāo)準尚未最終確定，但是，有一點人們已經(jīng)達成共識，即：在向第三代系統(tǒng)演進的過程中，要保護運營商和制造商在第二代系統(tǒng)上的投資，并允許其平滑過渡到第三代系統(tǒng)。這樣就需要建立一個公用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，支持多種空中接口標(biāo)準，以實現(xiàn)從第二代向第三代的平滑過渡。

圖1表示了世界范圍內(nèi)的第二代無線接入子系統(tǒng)的地域多樣性。為了支持地區(qū)性的第二代無線接入方式，系統(tǒng)就要支持多種空中接口，這就需要一個兼容多種接入技術(shù)的交換平臺。另外，對第三代移動系統(tǒng)本身，在不同的情況下，也需要不同類型的空中接口。例如：在語音業(yè)務(wù)繼續(xù)發(fā)展并占市場主導(dǎo)地位的同時，移動IP應(yīng)用在蓬勃發(fā)展，這將會促進CDMA TDD技術(shù)的發(fā)展，因為TDD技術(shù)在傳輸非對稱數(shù)據(jù)方面具有靈活性。

圖1.世界各區(qū)域第二代的后向兼容性與第三代標(biāo)準

　　 不但以前的各類空中接口可以接入未來公用骨干網(wǎng)，IMT-2000的無線傳輸系統(tǒng)也應(yīng)能有效的運轉(zhuǎn)于現(xiàn)存的各種類型的網(wǎng)絡(luò)平臺。這就要求用模塊化的方法來標(biāo)準化IMT-2000，以增強各類系統(tǒng)之間的互通性。

IMT-2000的模塊化結(jié)構(gòu)

為便于向第三代系統(tǒng)的演進，ITU提出了一個建議“FPLMTS內(nèi)的模塊化與無線通用性結(jié)構(gòu)框架”，它描述了在處理與射頻有關(guān)的IMT-2000的問題時所采用的模塊化原則。根據(jù)這種原則，可以把現(xiàn)存的不同網(wǎng)絡(luò)融合到第三代移動系統(tǒng)中。

圖2. IMT-2000系統(tǒng)模型

　　圖2表示IMT-2000的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，它使用了模塊化的思想。在此模型中，接入網(wǎng)(Radio Access Network，以下簡稱RAN)與核心網(wǎng)(Core Network，以下簡稱CN)之間有明確分界，RAN和CN之間的Iu接口是除了空中接口Uu外，ITU所要標(biāo)準化的另外一個重要接口。

RAN允許新的無線接口接入到現(xiàn)存的第二代網(wǎng)絡(luò)，同時也支持現(xiàn)存的多種空中接口向IMT-2000核心網(wǎng)的接入。RAN就好像一個交換網(wǎng)絡(luò)，它為不同的空中接口模塊提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，以實現(xiàn)與核心網(wǎng)的連接。

RAN可以分成以下兩個模塊：

* 無線承載公用功能模塊(RBCF)，包括所有的與無線接入方式無關(guān)的控制和傳輸功能，用于在核心網(wǎng)和服務(wù)于IMT-2000的不同運營環(huán)境的無線傳輸技術(shù)之間做出適配。

* 無線傳輸專用功能模塊(RTSF)，包括所有與射頻技術(shù)有關(guān)的功能，它又可分為無線傳輸技術(shù)模塊(RTT)和相關(guān)的無線傳輸適配功能模塊(RTAF)。RTT功能位于空中接口的兩側(cè)，即移動終端MT和接入網(wǎng)RAN的兩側(cè)。RTAF用來把不同的RTT適配到公用的接入部分。

在核心網(wǎng)CN內(nèi)，除了IMT-2000核心網(wǎng)，也要支持第二代的核心網(wǎng)，這種情況下，它們與IMT-2000核心網(wǎng)的互聯(lián)由相應(yīng)的互通功能模塊(IWF)來實現(xiàn)。同樣，如果采用相應(yīng)的適配模塊（AF），第二代的核心網(wǎng)也能支持IMT-2000的無線接入和它們的終端。

根據(jù)以上的結(jié)構(gòu)安排，各運營商有了統(tǒng)一的目標(biāo)系統(tǒng)模型，它們可以通過不同的途徑演進到第三代系統(tǒng)。采用模塊化結(jié)構(gòu)，不同的無線接入方式和網(wǎng)絡(luò)模塊，通過合適的方法都可以安排到未來的系統(tǒng)中去。

總之，這樣的模塊化結(jié)構(gòu)，有兩個主要特點：

* 把RAN劃分成依賴于射頻(RD)和獨立于射頻(RI)的兩個部分。

* 在固定網(wǎng)和接入網(wǎng)之間定義了一個統(tǒng)一的接口(即Iu接口)。

未來移動系統(tǒng)的設(shè)計思想

圖3.支持軟件無線電的系統(tǒng)劃分

　　ITU和ETSI都認為采用單一的無線接入技術(shù)不能滿足未來移動通信的要求。而軟件無線電被認為是解決多種接入方式的長遠方案。很顯然，要把軟件無線電的概念用于下一代移動系統(tǒng)中，把系統(tǒng)分成RI和RD兩部分是一個先決條件.

從圖3中可以看出，在第三代通信系統(tǒng)中，把依賴于射頻的功能塊（RD）從UMTS核心網(wǎng)中分離出來，放置在MT和BTS部分，而在無線接入系統(tǒng)和核心網(wǎng)內(nèi)提供最大的通用性和射頻獨立性。

要達到射頻獨立的目標(biāo)，系統(tǒng)控制協(xié)議(如：呼叫處理、移動性管理和切換控制等)要用統(tǒng)一的方式來定義。這些協(xié)議應(yīng)具有通用性，其消息的參數(shù)應(yīng)該有足夠的靈活性，以滿足不同的空中接口的要求。這些通用的系統(tǒng)控制協(xié)議可以承載與射頻有關(guān)的信息，但是必須用獨立于射頻的方式去承載它們。

另外，UMTS固定網(wǎng)子系統(tǒng)也應(yīng)該是通用的，它的各組成部分必須與射頻無關(guān)。通過把大多數(shù)依賴于射頻的功能分離到無線接入部分(即：MT和RAN)，當(dāng)需要支持一個新的無線接口時，只需對MT和RAN的射頻依賴模塊進行軟件更新，而對固定網(wǎng)和終端幾乎不需做任何修改，這樣就大大削弱了各個功能模塊之間的耦合程度。

在圖3的結(jié)構(gòu)中，對MT和RAN上的RI/RD接口定義后，RI和RD部分可以獨立開發(fā)。當(dāng)要增加新的需求時，更新只集中在RI部分，而不影響RD部分；為了支持不同的無線接入方式，RD功能集的更新也不影響RI部分，當(dāng)然，這種更新只有在新的RD功能集符合已定義的RI/RD接口的情況下才能實現(xiàn)。這樣就提供了一個模塊化的、靈活的、面向未來的設(shè)計思路。

RD和RI部分的劃分以及RI/RD接口的定義，保證了軟件無線電的概念可被用于支持不同的無線接入方案(如：WCDMA，TD-CDMA等)，而它們在UMTS網(wǎng)絡(luò)中，有公用的核心網(wǎng)。RD功能塊可用軟件配置到需要的無線接入方案，而對RI功能的影響非常小。支持軟件無線電的協(xié)議結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，假定軟件存貯于核心網(wǎng)內(nèi)一個專用的業(yè)務(wù)中心，根據(jù)一定的控制協(xié)議，可以把軟件下載到接入網(wǎng)的射頻獨立部分或移動終端。對于支持軟件無線電的協(xié)議結(jié)構(gòu)的討論將集中在兩個接口Uu和Iu上。

圖4.UMTS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)

圖4表示了UMTS協(xié)議的框架結(jié)構(gòu)。在這個結(jié)構(gòu)中，接入網(wǎng)和核心網(wǎng)分離的目的在于在接入功能和核心網(wǎng)功能之間建立一個明確的分界。這種分界在UMTS中非常重要，這樣可以保證接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的獨立發(fā)展，同時允許特定的接入網(wǎng)接入到不同類型的核心網(wǎng)。

在此協(xié)議框架結(jié)構(gòu)中，引入了接入層和非接入層的概念。接入層負責(zé)與接入有關(guān)的功能，可以看成UE與CN間的傳輸通道，它包括嵌入接入網(wǎng)的所有層，與接入網(wǎng)相連的UE和CN的底層部分。非接入層執(zhí)行典型的UE-CN過程，如呼叫處理和移動性管理等，這對接入層是透明的。接入層通過業(yè)務(wù)接入點（SAP）向非接入層提供業(yè)務(wù)。在這些業(yè)務(wù)中，有UE與CN間的控制信令的信令連接和用戶數(shù)據(jù)的無線承載。

根據(jù)上面的框架結(jié)構(gòu)，控制軟件下載到接入網(wǎng)的協(xié)議應(yīng)該在接入層，而控制下載到UE的協(xié)議應(yīng)該在非接入層。

在接入層內(nèi)，為了處理軟件下載，應(yīng)定義CN和RAN之間的軟件無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議（SRNAP）。此協(xié)議需要有尋址能力，以便對可以執(zhí)行軟件更新的物理實體進行尋址。在應(yīng)用中，對協(xié)議的區(qū)分也是必要的，這樣可以在同一個物理實體內(nèi)尋址不同的軟件模塊。

在非接入層內(nèi)，應(yīng)用層上除了包括傳統(tǒng)的呼叫處理和移動性管理實體外，還應(yīng)包括軟件無線電控制協(xié)議實體，它負責(zé)建立和維護用戶平面內(nèi)用于實際文件傳輸（軟件下載）的資源，還應(yīng)能夠執(zhí)行命令來激活已經(jīng)存在的軟件模塊。這樣就保證了系統(tǒng)極大的靈活性并使之獨立于具體的物理實現(xiàn)。 　　軟件下載時，在接入網(wǎng)內(nèi)，Iu接口上的傳輸層可以用基于ATM平臺的IP協(xié)議來實現(xiàn)。下載大文件時，要用AAL5作為專用于軟件無線電的協(xié)議結(jié)構(gòu)的ATM適配層。在無線接口上，要定義一個點到多點的無線信道，以保證在任何網(wǎng)絡(luò)中軟件下載的可行性。因為在文件傳輸中沒有非常嚴格的時延限制，所以為了充分利用無線資源，此信道上的傳輸層應(yīng)該使用數(shù)據(jù)包傳輸機制。業(yè)務(wù)與應(yīng)用

從GSM的發(fā)展過程來看，它最初的目標(biāo)是支持具有廣大市場前途的數(shù)字語音業(yè)務(wù)和附加業(yè)務(wù)，在沒有明朗的數(shù)據(jù)通信市場前景的情況下，GSM只提供了有限的數(shù)據(jù)通信能力，如：短消息業(yè)務(wù)。近年來，Internet的高速發(fā)展成為數(shù)據(jù)通信市場發(fā)展的巨大推動力。Internet的發(fā)展展示了用戶在通信性能、價格、功能和內(nèi)容等方面的需求。目前，這些用戶需求的實現(xiàn)正在從固定網(wǎng)轉(zhuǎn)向移動網(wǎng)，IP網(wǎng)絡(luò)會逐漸占有網(wǎng)絡(luò)傳輸中越來越大的份額。

同時，個人計算與個人通信的融合趨勢也大大加快。目前，業(yè)界已達成共識：未來個人通信業(yè)的增值將依賴于應(yīng)用的開發(fā)和軟件的提供。適應(yīng)這種發(fā)展趨勢，未來個人通信設(shè)備必須支持更加靈活多變的、獨立于物理層和協(xié)議結(jié)構(gòu)的軟件應(yīng)用。

計算和通信業(yè)的共同合作將促使業(yè)務(wù)的開發(fā)與應(yīng)用變得更加靈活和開放。大多數(shù)業(yè)務(wù)經(jīng)過短時間的開發(fā)，都將可以進入市場，并應(yīng)用于第二代和第三代移動系統(tǒng)。例如，Java技術(shù)引進通信領(lǐng)域，使得Java在未來移動終端應(yīng)用的開發(fā)上將發(fā)揮重要作用。智能卡技術(shù)的發(fā)展，電子商務(wù)的興起都將在未來的應(yīng)用和開發(fā)方面發(fā)揮重要作用。WAP、Bluetooth正在為更多的移動設(shè)備提供更加靈活的業(yè)務(wù)支持。SIM卡工具包的發(fā)展使GSM可以支持更靈活的業(yè)務(wù)。

在應(yīng)用和業(yè)務(wù)領(lǐng)域內(nèi)軟件無線電思想的引入將為未來移動通信業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造一個新的契機。用戶將能得到更加豐富多樣的服務(wù)，業(yè)務(wù)的多樣性使運營者有更多機會獲得贏利，網(wǎng)絡(luò)運營商將能大幅度提高網(wǎng)絡(luò)的利用率,并可以從第三方(例如:廣告商)獲得贏利。結(jié)論

在第三代移動通信系統(tǒng)中，通過在無線接入子系統(tǒng)和固定網(wǎng)之間定義一種簡單的接口(Iu接口)，把網(wǎng)絡(luò)分成獨立于射頻和依賴于射頻兩個部分，使系統(tǒng)模塊化，將易于軟件無線電的實現(xiàn)。這種模塊化的方法，大大減小了軟件無線電更新對系統(tǒng)帶來的影響，而大大增加了系統(tǒng)的靈活性。在未來的移動通信系統(tǒng)設(shè)計中，軟件無線電技術(shù)必將發(fā)揮更加重要的作用。