软件无线电技术.

第七讲软件无线电技术电子科技大学：王洪无线通信被广泛应用于商业、气象、军事、民用等领域。军方：大量不兼容的协议降低了联合作战的能力。（固定、机载、车载、背负。。。不同公司的产品）“沙漠风暴”行动和格林纳冲突，美军各种通信设备的不兼容性暴露无疑，不得不借助许多额外的无线电台，才能保障高效的通信联络。§7.1软件无线电概述1、软件无线电的由来软件无线电的由来民用：大量现有及新协议的竞争且互不兼容，无线电系统被割据，受地理范围限制，运营商为此投入大量费用，升级困难。欧洲第一代模拟网：加入欧洲邮电会议(CEPT)的16个国家，分别共使用6种不同的制式。这些模拟通信体系的制式，频率各不相同，不能互通、兼容。那些喜欢到邻国旅游的人们，车一出国门电话就不通了，带来了极大的不便。矛盾的核心：互通性到底怎么办？1）军方：设计一种能够使用几种不同协议在多个不同频段上运作的无线电系统，即多频段多模式无线电（MBMMR）在单个机箱内放置支持不同系统的所有硬件，不同系统的切换通过改变硬件设备的激活状态，实质是一种组合无线电系统。其庞大的开支，短暂的寿命，使这种设想并没有发挥多大作用。2）可编程数字无线电系统（PDR）对简单参数可编程，允许某种程度的重构，特别是基带处理过程，但无线电系统的主要功能仍由硬件定义，特别是发射和接收部分。3）软件无线电系统（SDR）将更多的无线电基本功能推延到软件领域，使数据转换过程更加接近天线，射频硬件获得更大的独立性。1992年，MILTRE公司的JosephMitola首次明确提出了软件无线电的概念。其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。目前，采用开放式系统体系结构（OSA），一种非专利、层次化的体系结构，每个层次公开且有明确定义的接口和标准未来，将数字化处理推延到天线端并实现包括天线在内的所有组件的完全可编程控制。4）感知无线电系统（CognitiveRadio）结合人工智能领域的概念，实现的无线电系统能够对所处的环境有所“感知”。以软件无线电为扩展平台的一种新的智能无线通信技术，它可以感知到周围的环境特征，并自动调整其设备的一些发射和接收参数。具有感知能力的设备能够在时域、频域和空域多维空间，对较宽的频段不断地进行频谱侦听，能够侦测到这些频段内主用户，从而能得知频谱的使用情况。整个过程可以通过“侦听—感知—自适应”的循环来表示，关键技术：无线电传输场景分析、信道状态估计、功率控制、频谱侦测功能、动态频谱分配、抗干扰技术。。。2、软件无线电的特点（1）可重构性：改变无线电系统个性化的能力，编程实现，波形、算法等可重构。（2）灵活性：不用改变体系结构就能适应可重构的能力（3）模块化：对每种功能的封装，增加或替换模块即可改变系统功能。（4）可扩展性：在系统硬件或软件中增加新模块的能力，经得起考验的（future-proof）无线电系统。（5）可复制性和互信道连接性：共享或交换信息的能力（6）开放性3、已开发和正在开发的软件无线电系统（1）SPEAKeasy（2）JTRS（联合战术无线电系统）目标：支持的工作频率范围最初为：2MHz-2GHz；可以通过波形软件进行重构；支持话音、视频和数据的应用；在软件和硬件方面都可扩展；利用商业现货组件；能够与不同的波形、传统的装备以及为不同环境而设计的无线电系统进行互操作。应用环境：机载、固定/舰载、车载、背负、手持实质上是一个无线电系统系列，共享通用的SCA（软件通信体系结构），SCA强调开放式系统体系结构和广泛使用的面向对象的方法。（3）WITS（无线信息传输系统）MOTOLARA开发，JTRS/SDR论坛的第一个具体例证，系列产品：6004/5004/3004,体系结构特点：具有分布式处理环境、分成红边和黑边，由基于CORBA的SCA促成。（4）SDR-3000数字收发机子系统由SpectrumSignalProcessing提供，能够同时支持许多发射和接收信道，每个信道具有独立的空中接口协议，与2G/3G/JTRS等兼容，包括输入输出模块、基带处理机和转换模块。（5）SpectrumWare麻省理工学院启动，考察学术性软件无线电体系结构，研究通用处理器在实现软件无线电系统方面的适应性，两个关键创新：用于处理系统输入输出的机制;创建快捷而简单的实时功能实现所需要的编程环境，其编程环境支持4个方面的适应性：信号环境、内部算法、用户需求、资源可用性。由Vanu公司研究成果的商业化。（6）CHARIOT(适于互操作通信的可变高级无线电系统)弗吉尼亚工学院开发，美国国防高级研究计划局的全球移动信息系统计划的一部分，集中发展3个前沿技术：自适应天线阵、多用户基站和自适应移动接收机。通过创建形式化的结构，在运行环境中使用可重构的硬件实现软件无线电系统，采用3种先进思想：自定义计算设备、基于流的处理和硬件分页。（7）其他：可编程模块化通信系统PMCSAtlanticPaw计划美国海军的数字模块化无线电系统大量具有软件无线电特征的产品和实验系统。。。。。。§7.2软件无线电的实例软件无线电技术的发现MBMMRSPEAKeasyPhase1SPEAKeasyPhase2序号时间发展历程11980年美国作为可编程模块化通信技术开始研究开发SDR技术21992年由Joe.Mitola正式提出软件无线电的概念31994年SPEAKeasy(PHASEI)开发完毕41995年欧洲电信标准协会(ETSI)举荐SDR做通用移动通信系统(UMTS)；IEEECommunicationsMagazines出SR专辑51996年美国FAA要求研究使用SDR；组建SDR标准化组织模块化多功能传输系统论坛(MMITSForum)61997年由MMITS主持第一次SDR专题研讨会：71998年准备策划制定面向MMITS的规格；年底更名为软件无线电论坛（SDRF）81999年美国完成了SPEAKeasy(PHASEⅡ)的开发；92001年开始IMT-2000业务。1、1991年JosephMitolaIII提出软件无线电概念，并各到广泛认可。IcoinedthetermSoftwareRadioin1991tosignaltheshiftfromhardwareintensivedigitalradiosofthe1980'stothemultibandmultimodesoftware-definedradiosoftheyear2000andbeyond.Lastyear,IcoinedthetermCognitiveRadiotorefertothatclassofsoftwareradiothatemploysmodel-basedreasoningandatleastachess-programlevelofsophisticationinusing,planning,andcreatingradioetiquettes.Cognitiveradioisanemergingtopicwithinsoftwareradio.2、美国军方开始的Speakeasy（易通话）研发，代表软件无线电技术的研究全面开展。易通话电台试图通过全数字、软件可编程、基带信号处理、多频段、小功率射频收发信机、大功率放大器和天线分系统来实现各种功能。目前，易通话已经完成了第一阶段和第二阶段的研究。易通话的两个研发阶段1）易通话工程的第一阶段第一阶段主要验证软件无线电概念的正确性、可行性。由美国国防部支持和Hazeltine,TRW,Lockheed-Martin,Motorola,andRockwell-Collins等公司赞助，完成：--两个可编程信道的电台实现。–VMEbusarchitecture–TexasInstrumentquad-TMS320C40multi-chipmodulefordigitalsignalprocessing–SUNSparc10工作站作为主机接口。--采用模块设计，19’’标准机箱。语音/数据接口通信保密波形合成传输保密数字信号处理高速信号预处理频率变换滤波放大天线分系统终端控制人机接口电源分系统时钟分系统易通话电台信号处理流程终端控制多处理器分系统预处理分系统波形产生分系统高频分系统频率合成器IR/FR控制分系统基带转换分系统干扰抑制分系统时钟/定时参考分系统信息保密分系统易通话工程功能方框图2）易通话工程的第二阶段在第一阶段成功完成理论验证基础上，研制演示系统，达到下列目标：--正真开放式结构--功能软件可编程--能与TF-XXIAWEF,Irwin,March97等电台互通--支持HF,VHF,UHF多频段易通话第二阶段的功能模块天线耦合器发射接收信道A/DD/A预处理器(ASIC)波形处理器(DSP)信息安全控制多媒体接入路由器GPS控制处理器参考时钟蜂窝电话射频前端信号处理信息安全网络互联控制外部接口人机接口MBMMR电台的组成易通话第二阶段的功能模块SPEAKEASYMULTIBAND,MULTIMODECOMMUNICATIONSTERMINAL易通话第二阶段的功能模块SPEAKEASYMULTIBAND,MULTIMODECOMMUNICATIONSTERMINAL3、联合战术无线电系统（JTRS）JTRS是美军为了适应三军联合作战的需要，在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。系统构成的基础是基于MBMMR的战术无线电台（JTR）。JTR系列电台与常规电台的最大不同点是具有很强的网络功能和信息安全处理能力。另外，JTR比MBMMR电台支持更加广泛的信号波形，它还能适应技术发展进行快捷高效的波形升级。3、联合战术无线电系统（JTRS）JTR系统除2MHz~2GHz工作频率外，具有以下技术特性：即插即用通用性；模块化硬件可现场配置；波形软件可现场编程；嵌入式定位：自动向网络输送态势感知；保密的数据网络功能；3个或更多个其他网络模式；3、联合战术无线电系统（JTRS）自动区域或互联网路由选择；动态网络连接、寻址和带宽分配；模拟选定的传统无线电台；“动中通”功能；开放式物理结构和软件结构；·应未来技术、系统和支援作战结构（可扩展性）。联合战术无线电系统（JTRS）射频前端调制解调信号处理信息安全网络互联系统控制人机接口内部互连总线(黑)用户接口(用于信息安全)天线接口内部互连总线(红)用户接口网络接口4、JTRS提出的软件通信结构SCA首先提出SCA的是美军联合战术无线电系统（JTRS），目的是建立独立于设备的结构框架。其目标是确保软件和硬件的可移植性和可配置性，并确保根据SCA开发的产品之间的互通。之后，软件定义无线电（SDR）论坛也接受SCA规范，并正在把SCA发展为商业应用的标准。JTRS提出的软件通信结构SCASCA要达到的八个目标通用的和开放的结构支持多种设备系统和设备运行环境多波段多模式与现有系统兼容新技术的引入—具有开放性保密性网络化软件重用/通用的波形软件基于SCA的无线通信系统在SCA中，根据通信功能的划分，所有的资源通过软件平台分别加载到相应的硬件模块中，从而完成用户通信功能。从OSI（开放系统互连）模型来看，这些通信功能包括了物理层的数字信号处理、链路层的协议处理、网络层的协议处理、网络间的路由转发、信息的安全传送、外部输入输出访问等。下图是基于SCA的无线通信系统方框图。信息源加密器编码器调制器信道解调器译码器解密器受信者信息信息噪声源HW：射频/调制解调模块SW：调制解调资源/数据链路资源黑边子系统HW：黑边处理模块SW：调制解调资源/网络信息资源SW：网络信息资源/数据链路资源HW：信息安全模块（通信保密模块）加密子系统HW：红边处理模块HW：输入输出模块SW：输入输出资源SW：信息安全资源红边