软件无线电体系结构的新趋势
作者：高 瞻 沈 良 任国春 王金龙 发布日期：200111
(解放军理工大学通信工程学院 南京 210016)
摘 要 本文简要回顾了软件无线电在通信系统中的发展应用，分析了软件无线电的设计要素，重点归纳总结了软件无线电新的发展趋势，主要表现为结构标准化和软件标准化。
关键词 软件无线电 数据流处理 处理模块 重配置性 运行环境
1 引言
从移动通信终端的多样性来看，软件无线电必须适应移动电话、移动电脑等各种终端，在噪声空—时变信道中达到最佳的服务质量(QoS)。从2G到3G移动蜂窝通信过渡的各种体制来看，典型的有PDC、GSM、IS-95、PHS、DECT、EDGE、GPRS、IMT-2000、CDMA2000，软件无线电必须保证它们之间的互操作。
软件无线电关键的设计要素包括：天线模块设计、快速有效的模数(A/D)转换器设计、灵活的射频(RF)前端设计、有效的数据管理程序、资源分配以及硬件重新配置的平滑过渡。
具体表现为：
(1) 在天线模块设计中，软件天线成为主要研究对象。基于数字波束形成天线技术的发展，数字波束形成器成为实现软件天线的主要结构。在软件方面，主要通过自适应算法修改权重系数，达到适应空间和时间参数变化的目的。最近出现的一种分层结构的阵列天线，将单元天线进行组合及分层。同时，将空时理论引入软件天线中，从空间和时间参数的变化来调整天线结构，达到有效干扰抑制。
(2) 对于手持终端来说，A/D转换器和灵活的RF前端的设计是最具挑战性的。目前，出现了将超导模数转换技术用于ADC中，采用超高集成电路逻辑“快速单通量逻辑”(RSFQ)实现射频数字化。其射频频率可达10～100 GHz，并且具有较高的分辨率。允许在采样速率和分辨率之间进行折衷选择。
(3) 软件无线电是一个复杂的整体，必须有效处理高速率的数据，这就需要良好的资源计算分配。它强调把整个过程分割，每个部分与硬件的各个部件相对应。资源分配还与数据流特性有关，必须以最小时延和开销对数据进行处理。
(4) 硬件重新配置的平滑过渡包括运行时间的可配置以及通过空中接口及时修改。平滑过渡能够实现最小时延，增强系统的稳定性。
2 软件无线电结构标准化
2.1 分层标准化结构
当前，众多提出的软件无线电结构，缺乏通用的设计方法，许多实际设备只能适用于某些特定系统。弗吉尼亚工学院的Srikathyayani Srikanteswara提出一种标准化结构：分层无线电结构。该结构能够实现软件无线电的所有特性，并提供一种修改和更新系统的方法。该结构采用硬件分页来实现。硬件分页(Hardware Paging)是指硬件模块在系统中进行页面调入和页面调出处理。分页的概念是从虚拟存储系统中引入的，类似于在虚拟存储系统中具有一个虚拟地址并且可以在实存储器和辅助存储器之间作为一个单位来传送的一种长度固定的(数据)块。分层结构有利于基于数据流的处理，总线既用来处理数据，也用来对信息进行编程。数据的前端添加字头，用来指示数据包的特性。基于数据流的处理简化了模块之间的接口，可以很方便地添加或替换模块。
分层无线电按照功能可以划分为三层，每一层对数据包字头添加或修改，将封装后的数据传递到下一层。当处理结束后，信息以相反的顺序传递。分层结构具体定义为：软件无线电接口(SRI)层、配置层和处理层。在各层中都有应用软件驻留，提供用户接口。三层结构采用基于数据流的处理方法实现，其分层结构如图1所示。
图1
2.2 各层功能定义
SRI层负责提供无线电硬件与外界的接口，调整送入和送出无线电系统的信息资源分配，将各种需求按优先级排队，对送入信息进行打包封装，然后送到下一层。送入的信息包括数据、要求建立新系统的编程信息或对现有系统的修改信息等。
在本地存储器中，SRI层设置了对各种无线电配置的系统级描述。每一个系统级描述包含实现系统所需的算法清单，这些算法是按照一定顺序排列的。事实上，SRI层并不包含配置硬件所需的比特信息，它只包含算法所需的代码以及算法之间的组合次序。
在配置层的存储器中，存有设定处理层硬件组合需要的比特信息。配置层从SRI层发送的编程数据包中提取配置比特信息。
处理层包含一系列可配置模块，称为处理模块。该层是执行数据操作的模块，用来实现软件无线电的实际功能。每一个处理模块分为静态区和动态可配置区，如图2所示。通过由配置层发送的编程数据包，静态区对动态区按实际需要进行配置。
图2
一旦系统配置完毕，数据在SRI层进行编程封装，然后送到下一层，进行后续处理。当整个过程结束后，数据由配置层送回到SRI层，同时对数据进行拆分，最后输出到主控计算机上。
2.3 各层之间数据流处理
该软件无线电结构建立在基于数据流处理的基础上。数据流是一个已知长度的数据包，包含配置信息或待处理数据。这些数据包在SRI层封装成形，添加字头信息，然后在低层对字头进行解释编译。
基于数据流处理提供了一种深度的管道操作，可以最大限度利用处理功率，同时保证一定的灵活性。整个算法相当于一个数据流，该数据流被逐渐分解为更小计算原语(对应处理模块)，每一个处理模块执行完自身特定操作，就将数据和控制信息传递到下一个模块。整个过程如图3所示，类似于一套流水线操作。
图3
由上可以看出，分层软件无线电结构是一种开放式标准结构。模块之间的接口十分简单，每个模块可以独立地接收和发送数据包，并进行打包或拆分。该分层结构对于目前的FPGA能够实现部分可配置，对于未来的计算机平台能够实现完全可配置。
3 软件无线电软件标准化
3.1 结构特点
软件无线电的核心思想是“重配置性”(Re-configurable)，主要体现在软件的可重用性，这是整个系统的一个重要指标及研究方向。目前国外正在研究软件无线电系统中软件的即插即用(Plug and Play)技术，并提出了基于Java/CORBA制定的软件无线电软件协议和相应技术标准。该标准化软件体系具有的特点：分层的软件结构，把应用与底层硬件相分离；使用CORBA提供了一个分布式处理环境，保障实现软件的可移植性、可重用性和可扩展性；最大地利用商品标准和产品。
该软件体系中定义了一个运行环境(OE)，该运行环境由总线层、操作系统、核心框架服务和基本应用、CORBA中间件服务和基本应用组成。实现具体应用的软件包括调制解调(负责各种信号处理)、链路网络协议、安全应用等。其软件体系结构如图4所示。
图4
3.2 功能划分
3.2.1 网络和外部接口层
该软件体系可采用现有商业化的组件来支持多个独特的外部接口和网络接口,可能的外部和网络物理接口包括RS232、RS422、RS423、RS485、以太和802.x。为了支持这些接口，可以采用各种低层网络协议，包括PPP、SLIP、LAPx和其它协议。
软件无线电的网络功能部分也在操作系统层实现。
3.2.2 操作系统层
操作系统层提供一个实时的嵌入操作系统功能，提供对应用的多线程支持。体系规范要求为操作系统业务提供一个标准的操作系统接口，以易于应用的可移植性。
POSIX(可移植操作系统接口)是一个公认的工业标准。规范中的操作系统是POSIX兼容的。现有的实时操作系统很多是符合POSIX的，如LynxOS、VxWorks等。POSIX程序语言可以是C／C＋＋、Ada或Java。
3.2.3 CORBA中间件
CORBA是核心框架中提供分布处理环境的消息传输技术。CORBA协议提供了消息调度来处理传输消息所需的封装和握手。CORBA是一种跨平台的框架，在使用分布处理时，可用来标准化客户/服务器操作。
分布处理是模块化软件无线电的一个基本特征，基于如下原因，该体系采用CORBA作为中间件服务：
(1) CORBA是一个已被广泛采用的开放的工业标准，现已存在许多实用的CORBA产品。
(2) CORBA是语言中性的。采用接口描述语言IDL来定义分布对象间的接口，通过特定语言的IDL编绎器形成头文件、开发包，使代码更可靠、易于维护。
(3) CORBA通过对象请求代理(ORB)软件总线抽象化了硬件物理总线，从而使应用可运行在不同的物理总线上。
(4) CORBA不依赖处理器类型、总线类型和操作系统，可跨平台通信。
(5) 在CORBA中，客户软件和服务软件可采用不同的语言编写。
(6) 已有商业产品提供对TI DSP的RPC支持，CORBA从而可与DSP通信。
3.2.4 核心框架
核心框架是软件体系中最重要的。它是开放的应用层接口和业务的基本集合，为应用开发者提供了底层硬件软件的抽象接口。它包括：
(1) 基本应用接口：所有软件应用可使用。
(2) 框架控制接口：提供系统控制。
(3) 框架业务接口：支持核心和非核心应用(系统资源管理、注册、文件系统及管理等系统功能)。
3.2.5 应用层
应用层执行用户通信功能，它包括调制解调级的数字信号处理、链路级的协议处理、网络级的协议处理、互连网络级的路由、外部I/O访问、安全和嵌入应用。应用需要使用核心框架的接口和服务。应用层可受限地对操作系统直接访问。在低于应用层的层中实现的网络功能，如商业化的IP网络层，由于其存在于操作系统的内核中，不再受限于体系规范中的约束。
3.2.6 适配器
适配器用于支持无CORBA能力的采用。适配器在一个实现中提供了无CORBA能力的组件或设备。适配器的概念是基于工业界公认的适配器设计模式。适配器对支持非CORBA的调制解调器、安全和主机处理采用特别有用。
4 结束语
软件无线电技术无论在军事通信还是民用通信中，都显示其巨大的应用价值和发展潜力，特别是在第三代移动通信系统中的应用越来越成为研究的热点，成为我国第三代移动通信系统的关键技术之一。本文回顾了软件无线电在通信系统中的应用，简要分析了软件无线电关键的设计要素。重点归纳了国内外软件无线电的最新发展，主要体现为结构标准化和软件标准化。跟踪、了解、掌握这些趋势对国内的软件无线电工作，有一定的现实意义。
New Progress of Software Radio Architecture
Gao Zhan Wu Qihui Wang Jinlong
(Institute of Communications Engineering,PLAUST,Nanjing 210016)
Abstract Development and application of software radio is introduced in this paper,Then key design issues are discussed,New trends in software radio are emphasized and concluded,They are structure standardization and software standardization.
Key words software radio,stream-based processing,processing module,re-configurability,operating system (收稿日期：2001-09-24)
作者：高 瞻 沈 良 任国春 王金龙 发布日期：200111
(解放军理工大学通信工程学院 南京 210016)
摘 要 本文简要回顾了软件无线电在通信系统中的发展应用，分析了软件无线电的设计要素，重点归纳总结了软件无线电新的发展趋势，主要表现为结构标准化和软件标准化。
关键词 软件无线电 数据流处理 处理模块 重配置性 运行环境
1 引言
从移动通信终端的多样性来看，软件无线电必须适应移动电话、移动电脑等各种终端，在噪声空—时变信道中达到最佳的服务质量(QoS)。从2G到3G移动蜂窝通信过渡的各种体制来看，典型的有PDC、GSM、IS-95、PHS、DECT、EDGE、GPRS、IMT-2000、CDMA2000，软件无线电必须保证它们之间的互操作。
软件无线电关键的设计要素包括：天线模块设计、快速有效的模数(A/D)转换器设计、灵活的射频(RF)前端设计、有效的数据管理程序、资源分配以及硬件重新配置的平滑过渡。
具体表现为：
(1) 在天线模块设计中，软件天线成为主要研究对象。基于数字波束形成天线技术的发展，数字波束形成器成为实现软件天线的主要结构。在软件方面，主要通过自适应算法修改权重系数，达到适应空间和时间参数变化的目的。最近出现的一种分层结构的阵列天线，将单元天线进行组合及分层。同时，将空时理论引入软件天线中，从空间和时间参数的变化来调整天线结构，达到有效干扰抑制。
(2) 对于手持终端来说，A/D转换器和灵活的RF前端的设计是最具挑战性的。目前，出现了将超导模数转换技术用于ADC中，采用超高集成电路逻辑“快速单通量逻辑”(RSFQ)实现射频数字化。其射频频率可达10～100 GHz，并且具有较高的分辨率。允许在采样速率和分辨率之间进行折衷选择。
(3) 软件无线电是一个复杂的整体，必须有效处理高速率的数据，这就需要良好的资源计算分配。它强调把整个过程分割，每个部分与硬件的各个部件相对应。资源分配还与数据流特性有关，必须以最小时延和开销对数据进行处理。
(4) 硬件重新配置的平滑过渡包括运行时间的可配置以及通过空中接口及时修改。平滑过渡能够实现最小时延，增强系统的稳定性。
2 软件无线电结构标准化
2.1 分层标准化结构
当前，众多提出的软件无线电结构，缺乏通用的设计方法，许多实际设备只能适用于某些特定系统。弗吉尼亚工学院的Srikathyayani Srikanteswara提出一种标准化结构：分层无线电结构。该结构能够实现软件无线电的所有特性，并提供一种修改和更新系统的方法。该结构采用硬件分页来实现。硬件分页(Hardware Paging)是指硬件模块在系统中进行页面调入和页面调出处理。分页的概念是从虚拟存储系统中引入的，类似于在虚拟存储系统中具有一个虚拟地址并且可以在实存储器和辅助存储器之间作为一个单位来传送的一种长度固定的(数据)块。分层结构有利于基于数据流的处理，总线既用来处理数据，也用来对信息进行编程。数据的前端添加字头，用来指示数据包的特性。基于数据流的处理简化了模块之间的接口，可以很方便地添加或替换模块。
分层无线电按照功能可以划分为三层，每一层对数据包字头添加或修改，将封装后的数据传递到下一层。当处理结束后，信息以相反的顺序传递。分层结构具体定义为：软件无线电接口(SRI)层、配置层和处理层。在各层中都有应用软件驻留，提供用户接口。三层结构采用基于数据流的处理方法实现，其分层结构如图1所示。
图1
2.2 各层功能定义
SRI层负责提供无线电硬件与外界的接口，调整送入和送出无线电系统的信息资源分配，将各种需求按优先级排队，对送入信息进行打包封装，然后送到下一层。送入的信息包括数据、要求建立新系统的编程信息或对现有系统的修改信息等。
在本地存储器中，SRI层设置了对各种无线电配置的系统级描述。每一个系统级描述包含实现系统所需的算法清单，这些算法是按照一定顺序排列的。事实上，SRI层并不包含配置硬件所需的比特信息，它只包含算法所需的代码以及算法之间的组合次序。
在配置层的存储器中，存有设定处理层硬件组合需要的比特信息。配置层从SRI层发送的编程数据包中提取配置比特信息。
处理层包含一系列可配置模块，称为处理模块。该层是执行数据操作的模块，用来实现软件无线电的实际功能。每一个处理模块分为静态区和动态可配置区，如图2所示。通过由配置层发送的编程数据包，静态区对动态区按实际需要进行配置。
图2
一旦系统配置完毕，数据在SRI层进行编程封装，然后送到下一层，进行后续处理。当整个过程结束后，数据由配置层送回到SRI层，同时对数据进行拆分，最后输出到主控计算机上。
2.3 各层之间数据流处理
该软件无线电结构建立在基于数据流处理的基础上。数据流是一个已知长度的数据包，包含配置信息或待处理数据。这些数据包在SRI层封装成形，添加字头信息，然后在低层对字头进行解释编译。
基于数据流处理提供了一种深度的管道操作，可以最大限度利用处理功率，同时保证一定的灵活性。整个算法相当于一个数据流，该数据流被逐渐分解为更小计算原语(对应处理模块)，每一个处理模块执行完自身特定操作，就将数据和控制信息传递到下一个模块。整个过程如图3所示，类似于一套流水线操作。
图3
由上可以看出，分层软件无线电结构是一种开放式标准结构。模块之间的接口十分简单，每个模块可以独立地接收和发送数据包，并进行打包或拆分。该分层结构对于目前的FPGA能够实现部分可配置，对于未来的计算机平台能够实现完全可配置。
3 软件无线电软件标准化
3.1 结构特点
软件无线电的核心思想是“重配置性”(Re-configurable)，主要体现在软件的可重用性，这是整个系统的一个重要指标及研究方向。目前国外正在研究软件无线电系统中软件的即插即用(Plug and Play)技术，并提出了基于Java/CORBA制定的软件无线电软件协议和相应技术标准。该标准化软件体系具有的特点：分层的软件结构，把应用与底层硬件相分离；使用CORBA提供了一个分布式处理环境，保障实现软件的可移植性、可重用性和可扩展性；最大地利用商品标准和产品。
该软件体系中定义了一个运行环境(OE)，该运行环境由总线层、操作系统、核心框架服务和基本应用、CORBA中间件服务和基本应用组成。实现具体应用的软件包括调制解调(负责各种信号处理)、链路网络协议、安全应用等。其软件体系结构如图4所示。
图4
3.2 功能划分
3.2.1 网络和外部接口层
该软件体系可采用现有商业化的组件来支持多个独特的外部接口和网络接口,可能的外部和网络物理接口包括RS232、RS422、RS423、RS485、以太和802.x。为了支持这些接口，可以采用各种低层网络协议，包括PPP、SLIP、LAPx和其它协议。
软件无线电的网络功能部分也在操作系统层实现。
3.2.2 操作系统层
操作系统层提供一个实时的嵌入操作系统功能，提供对应用的多线程支持。体系规范要求为操作系统业务提供一个标准的操作系统接口，以易于应用的可移植性。
POSIX(可移植操作系统接口)是一个公认的工业标准。规范中的操作系统是POSIX兼容的。现有的实时操作系统很多是符合POSIX的，如LynxOS、VxWorks等。POSIX程序语言可以是C／C＋＋、Ada或Java。
3.2.3 CORBA中间件
CORBA是核心框架中提供分布处理环境的消息传输技术。CORBA协议提供了消息调度来处理传输消息所需的封装和握手。CORBA是一种跨平台的框架，在使用分布处理时，可用来标准化客户/服务器操作。
分布处理是模块化软件无线电的一个基本特征，基于如下原因，该体系采用CORBA作为中间件服务：
(1) CORBA是一个已被广泛采用的开放的工业标准，现已存在许多实用的CORBA产品。
(2) CORBA是语言中性的。采用接口描述语言IDL来定义分布对象间的接口，通过特定语言的IDL编绎器形成头文件、开发包，使代码更可靠、易于维护。
(3) CORBA通过对象请求代理(ORB)软件总线抽象化了硬件物理总线，从而使应用可运行在不同的物理总线上。
(4) CORBA不依赖处理器类型、总线类型和操作系统，可跨平台通信。
(5) 在CORBA中，客户软件和服务软件可采用不同的语言编写。
(6) 已有商业产品提供对TI DSP的RPC支持，CORBA从而可与DSP通信。
3.2.4 核心框架
核心框架是软件体系中最重要的。它是开放的应用层接口和业务的基本集合，为应用开发者提供了底层硬件软件的抽象接口。它包括：
(1) 基本应用接口：所有软件应用可使用。
(2) 框架控制接口：提供系统控制。
(3) 框架业务接口：支持核心和非核心应用(系统资源管理、注册、文件系统及管理等系统功能)。
3.2.5 应用层
应用层执行用户通信功能，它包括调制解调级的数字信号处理、链路级的协议处理、网络级的协议处理、互连网络级的路由、外部I/O访问、安全和嵌入应用。应用需要使用核心框架的接口和服务。应用层可受限地对操作系统直接访问。在低于应用层的层中实现的网络功能，如商业化的IP网络层，由于其存在于操作系统的内核中，不再受限于体系规范中的约束。
3.2.6 适配器
适配器用于支持无CORBA能力的采用。适配器在一个实现中提供了无CORBA能力的组件或设备。适配器的概念是基于工业界公认的适配器设计模式。适配器对支持非CORBA的调制解调器、安全和主机处理采用特别有用。
4 结束语
软件无线电技术无论在军事通信还是民用通信中，都显示其巨大的应用价值和发展潜力，特别是在第三代移动通信系统中的应用越来越成为研究的热点，成为我国第三代移动通信系统的关键技术之一。本文回顾了软件无线电在通信系统中的应用，简要分析了软件无线电关键的设计要素。重点归纳了国内外软件无线电的最新发展，主要体现为结构标准化和软件标准化。跟踪、了解、掌握这些趋势对国内的软件无线电工作，有一定的现实意义。
New Progress of Software Radio Architecture
Gao Zhan Wu Qihui Wang Jinlong
(Institute of Communications Engineering,PLAUST,Nanjing 210016)
Abstract Development and application of software radio is introduced in this paper,Then key design issues are discussed,New trends in software radio are emphasized and concluded,They are structure standardization and software standardization.
Key words software radio,stream-based processing,processing module,re-configurability,operating system (收稿日期：2001-09-24)
