（通信与信息系统专业论文）基于软件无线电的ofdm多载波传输技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 自从贝尔实验室提出了蜂窝组网理论之后，塑重哩堕就进入了快速发展的时期。从第 一代的模拟通信到第二代的数字通信，直至第三代的宽带通信和目前人们提出的所谓4 g 宽带多媒体系统，都是在向着个人通信的目标发展。移动通信的发展趋势是宽带多媒体通 信，所采用的技术包括宽带c d m a 、软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 、智能天线( i n t e l l i g e n t a n t e n n a s ) 、正交频分复用( o f d m ) 和数字处理设备。 软件无线电和o f d m 童望垫堇莶均是未来移动通信发展中的极具吸引力的技术 将软件无线电技术和o f d m 多载波调制技术相结合，提出了基于软件无线电平台的o f d m 多载波传输系统方案。 第一章介绍了移动通信和软件无线电技术的发展历史和发展趋势、并简要介绍了 o f d m 多载波技术以及o f d m - - c d m a 系统的原理。 第二章介绍了中频数字化软件无线电的结构，并阐述了软件无线电的关键理论和软件 无线电中的信号处理技术。 第三章主要研究了软件无线电架构的o f d m 传输系统的发送机和接收机的框架结构， 提出了o f d m 传输系统的同步算法。并进行了m a t l a b 仿真。 第四章对o f d m 系统的信道估计技术进行了比较全面的研究，并提出了软件无线电平 台o f d m 传输系统中的简单l m m s e 信道估计器的设计方案。 第五章针对o f d m - - c d m a 系统进行了初步研究，在软件无线电平台上探讨三种 o f d m - - c d m a 系统的实现。 【关键词】。f d m 3 软件无线电 信道估计垂区至三亘矿 蕈l 页 浙江大学硕士学位论文 a b s t a c t s i n c ec e l l u l a rn e t w o r kt e c h n o l o g yw a sp u tf o r w a r db yb e l ll a b ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a s e n t e r e di n t oaf a s td e v e l o p m e n t p e r i o d f r o mf i r s ta n a l o gg e n e r a t i o n t os e c o n dd i g i t a lg e n e r a t i o n ， a n du pt ow i d e b a n d3 ga n ds o - c a l l e d4 ga tp r e s e n t ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o na i m st op e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o nw i l ib ew i d e - b a n dm u l t i m e d i ac o m m u n i e a t i o n t h ea d o p t i v et e c h n o l o g i e si n c l u d ew i d e b a n dc d m a ，s o f t w a r er a d i o , i n t e l l i g e n ta n t e n n a s ， o f d m ( o r t h o g o n a lf m q u e n e y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) a n dd i g i t a lp r o c e s s i n gd e v i c e o f d ma n ds o f t w a r er a d i o a r eb o t ht h e c h a r m i n gt e c h n o l o g y f o rf u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ec o m b i n a t i o no fo f d ms y s t e mw i t ht h e s o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g ya n dp r e s e n t so f d mt r a n s c e i v e rs c h e m eb a s e do ns o f t w a r er a d i o p l a t f o r m c h a p t e r 1 g i v e s ab r i e fd e s c f i 州o no ft h e d e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n d s o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g y , f o l l o w e db ye x p a t i a t i o no nt h e o r yo f o f d m a n do f d m - c d m a c h a p t e r 2s e t sf o r t ht h es t r u c t u r eo fi f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) d i g i t a ls o f t w a r er a d i o ，t h e c r i t i c a lt h e o r yo f s o f t w a r er a d i oa n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ea b o u t i t i nc h a p t e r3w ef o c u so nt h es c h e m ed e s i g no f o f d mi r a n s c e i v e rb a s e do ns o f t w a r er a d i o t h e s y n c h r o n o u sa l g o r i t h m sp r e s e n t e di ns u c ho f d ms y s t e m a r es i m u l a t e dv i am a t l a b i nc h a p t e r4r e l a t i v e l ya l l a r o u n dr e s e a r c ho nc h a n n e le s t i m a t ei si n v e s t i g a t e da n das i m p l e l m m s ec h a n n e le s t i m a t es c h e m eo f o f d m s y s t e mb a s e d o ns o f t w a r er a d i oi sp u tu p c h a p t e r5 f o c u s e so nt h ep r i m a r yr e s e a r c ho fo f d m - c d m as y s t e ma n dd i s c u s s e st h e r e a l i z a t i o no f t h r e et y p eo f d m - c d m a s y s t e m sb a s e d o i lt h es o f t w a r er a d i o p l a t f o r m k e yw o r d s o f d m , s o f t w a r e r a d i o ，c h a n n e le s t i m a t e , o f d m - c d m a 第2 页 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了移动通信发展历史和未来发展趋势，指出o f d m 和软件无线电均是第 四代移动通信中的关键技术。而多载波( m c ) 与t d m a 和c d m a 相结合的技术将是4 g 较具竞争力的空中接口技术；然后分别介绍了软件无线电技术，o f d m 技术以及o f d m - - c d m a 相结合的多载波c d m a 技术。最后给出了本文的主要工作。 1 1 移动通信技术的发展 移动通信越来越广泛地渗透到每个人的日常生活中，成为世界各国最主要的商新技术支 柱产业之一；同时人们对移动通信的各种需求与日俱增，也推动了移动通信的飞速发展。从 2 0 世纪8 0 年代中期第一代模拟移动通信系统商用开始至今，短短的十几年间经历了第二代数 字移动通信系统( 2 g ) 从萌芽到完善的整个发展过程，直至今天人们对第三代移动通信系 统( 3 g ) 的商用开发和对4 ( 3 的研究，足以证明移动通信的发展速度势不可挡。 1 1 1 第一代模拟移动通信系统 第一代模拟系统对应的接入技术是频分多址f d m a 技术，它仅能提供9 6kb i f f s 通信速 率。其典型系统如美国的先进模拟电话系统a m p s ，北欧的移动电i 舌n m t 系统、英国的全 接入通信系统t a c s 等。 模拟系统都是双工的f d m a 模拟制式系统，可以传输相对低速率的数据。但是主要关注 语音信号的传输。它们之所以被称为模拟系统是因为被射频载波发送前的语音信号没有被数 字编码。然而，它们所有的命令和控制信道可以是数字的。 模拟蜂窝系统在实际的使用中暴露出一些问题：首先，频谱利用率低，有限的频谱资源 和无限的用户容量的矛盾十分突出；业务种类比较单一，主要是话音业务。其次，模拟系统 存在同频干扰和互调干扰。此外，模拟系统保密性较差。因此模拟系统在经历了2 0 世纪8 0 年代的辉煌后，很快就被9 0 年代推出的数字蜂窝系统所取代。 1 1 2 第二代数字移动通信系统 数字化处理技术与模拟技术相比具有更大的优势，第二代数字蜂窝系统的接入技术主要 有时分多址( t d m a ) 技术和码分多址( c d m a ) 技术两种，它可以提供9 6 - - 2 8 8kb i f f s 的传输速率。其典型系统如欧洲的全球移动通信系统g s m 、北美的数字增强型系统i s 一1 3 6 、 c d m ao n e 、i s - 9 5 a 、i s 9 5 b 、日本的个人数字蜂窝( p d c ) 系统等。 与第一代模拟蜂窝移动通信相比，第二代移动通信系统具有保密性强。频谱利用率高， 话音质量好、能提供丰富的业务、标准化程度高等特点。但是，第二代数字蜂窝系统只能提 供话音和低速数据业务的服务在信息时代，图像、话音和数据想好结合的多媒体业务和高 速率数据业务的业务量将大大增加；第一、第二代蜂窝移动通信系统不仅远远不能满足未来 用户的业务需求，而且随着用户数的迅猛增加，还不能满足用户容量的发展需要。 篇3 页 第一章绪论 1 1 3 第三代移动通信系统 第三代移动通信系统是一个在全球范围内覆盖和使用的系统，它的发展动力主要来自三 个方面：一是原有第二代系统使用的频率资源较小，不到1 0 0m h z ，且其频谱利用率相对较 低。近年来，新的数据业务的不断推出，使得目前在一些国家和城市的中心地带容量严重不 足。而第三代移动通信系统的频谱资源至少在2 3 0m i i z 以上，且频谱利用率较高，覆盖范 围更广，性能更好，从而可以很好地解决现有业务的开展问题。二是随着社会信息化进程的 加快，人们对移动数据业务的需求越来越高。尽管目前第二代系统也可以开展一些数据业务， 但由于受带宽的限制，无法适应开展诸如i n t e r a c t 电子商务、高速数据活动视像和v o d 等数 据多媒体业务的需要。而第三代系统可以针对不同的业务应用提供从9 6kb i t s 直至2m b i t s 的接入速率，从而很好地满足这种需要。三是全球一体化的进程迫切需要一个全球统一 的移动通信设备，以实现全球漫游的需要。但第二代移动通信系统的多制式的空中接口和网 络设备难以实现这个要求。 目前国际电联接受的第三代移动通信系统标准主要有三个，即美国提出的c d m a 2 0 0 0 、 欧洲和日本提出的w c d m a 和我国提出的t d s c d m a 。它们除了频谱利用率高、覆盖范围 广性能好、可以适应宽带多媒体通信要求等共同特点外，还有自身的技术特点。 w c d m a 系统的核心网是基于g s m - - m a p ，同时通过网络扩展方式提供基于a n s i 一 4 l 的核心网上运行的能力。可以从第二代o s m 系统逐步演进：支持一条连线上传输多条 并行业务，支持高速率的分组接入；采用更加灵活的系统操作，包括支持基站间的异步操作， 支持自适应天线阵技术与多用户检测的技术，支持非平衡频带下采用时分双工的模式等。 c d m a2 0 0 0 的核心网是基于a n s i - - 4 1 ，采用直接扩频码分多址技术的无线接口，符 合甚至超过了i t u 的全部规范要求。具备先进的媒体接入控制，从而有效地支持高速分组数 据业务；具有先进的多媒体业务质量控制能力，支持不同业务相应不同质量要求的控制，处 理竞争业务间的优先权问题等；可以根据环境和需要灵活地选择语音、语音，数据和数据模 式，支持分布式和集中式的分组数据业务，可选择采用独立的分组控制与信令传送话音，支 持频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) ，支持前向多载波结构和正交直接扩频。具有较好 的灵活性与可伸缩性，可非常容易地从现有的c d m a o n e 平滑过渡。 t d s c d m a 基于g s m 系统，采用智能天线和低码速率技术，频谱利用率很高，能够解 决人口密度地区频率资源紧张的问题，并在互联网浏览等非对称移动数据和视频点播等多媒 体业务方面具有突出优势。系统的基站天线是一个智能化的天线阵，能够自动确定并跟踪手 机的方位，发射波束始终对准手机方向，可降低基站的发射功率。上行同步c d m a 技术可 使上行信号与基站解调器完全同步，降低了码间干扰，使硬件得到简化，成本降低。 t d s c d m a 技术采用软件无线电技术，使运营商在增加业务时，可在同一硬件平台上利用 软件处理基带信号，通过加载不同的软件就可实现不同的业务。同时系统基站采用高集成 度、低成本设计。此外n ) s c d m a 系统可与第二代移动通信系统g s m 兼容。 第三代移动通信有如下关键技术：一是高效信道编译码技术；二是智能天线技术；三是 初始同步与r a k e 多径分集接收技术；四是多用户检测技术；五是功率控制技术。第三代移 动通信系统的出现，将使人类的通信方式出现革命性的改变，在任何地方以任何方式进行通 信将成为现实。经过多年的研究，第三代系统的研究特别是前两个目标的达成方面业已取得 了重大的进展，但是从总体上来说，第三代系统目前还主要处于试验阶段，个别系统则刚刚 开始试商用阶段。 第4 页 第一章绪论 i i 4 第四代移动通信技术 虽然3 g 较之2 g 可以提供更大容量、更佳的通信质量并且支持多媒体应用，但是随着 人们对3 0 技术及其应用研究的不断深入，3 g 技术在支持i p 多媒体业务、提高频谱利用率 以及资源综合优化等方面的局限性也渐露端倪，制定一个针对i p 多媒体业务的b e y o n d3 g 移动通信系统，提出相关薪理论，应用新的技术，被提上议事日程。 2 0 0 0 年1 0 月6 日，国际电信联盟( i t u ) 发起成立t i m t - - 2 0 0 0a n d b e y o n d t 作组，旨在统 一全球移动电话标准。目前一些国家已开始进行第四代技术规格的研究制定，如欧洲的爱立 信公司与美国加利福尼亚大学合作，着手研制第四代移动通信系统。日本和韩国也已开始进 行b e y o n d3 g 等未来移动通信服务技术的开发研究。 虽然人们对b e y o n d3 g 系统的说法莫衷一是，但是在以下几个方面有一些基本的共识： b e y o n d3 g 系统将是广泛用于各种电信环境的无线系统的总和，包括蜂窝、w l a n 等， 支持各种空中接口。 b e y o n d3 g 系统将是一种新型的移动通信系统，该系统基于i p v 6 核心网互联互通， 承载与控制全程分离，符合全i p 的发展趋势。 b e y o n d3 g 将适合分组突发业务的系统，峰值传输速率应达到2 0 , - - 1 0 0 mb i t s ，适用 于大动态范围业务( 8 kb i t s 一2 0mb i t s ) ，频谱利用率应远大于3 g 系统。 分类端到端q o s ，实时业务的q o s 优于现有电信级；能够支持电信业务。 我国在“十五”“8 6 3 ”项目中提出b e y o n d3 g 系统关键技术的研究，旨在解决未来移 动无线多媒体系统的一些关键问题和技术难点，为b e y o n d3 g 系统的开发积累雄厚的技术 储备。 总的来说，在b e y e n d3 g 关键技术研究中需要回答以下问题：( 1 ) 为了有效克服或利 用无线移动通信的多径衰落、多普勒频移、多址干扰等不利因素，保证物理链路的可靠传输， 物理层将采用何种技术? ( 2 ) 如何实现多种不同类型业务共存时的系统资源的有效管理， 从而满足b e y o n d3 g 支持各种具有不同速率和延时的业务要求7 ( 3 ) 如何解决b e y o n d3 g 系统针对i p 分组优化传输的问题以及如何实现与i p 网络的无缝互联? 针对b e y o n d3 g 中存在的巨大挑战，在b e y o n d3 g 关键技术的研究中就必须从联合优 化时间、频率、空间、功率等资源的角度出发，结合多媒体业务信源特性、多种服务质量( q o s ) 需求和多用户应用环境，分层次地研究基础应用理论和基础应用技术。 在物理层，这些基础理论和关键技术具体体现为：第一，由于b e y o n d3 g 要在有限频 率资源的条件下传输高速的数据信息，因此系统需要采用具有高频谱效率、能够有效抵抗多 径时延的调制技术。o f d m 技术由于使用了正交重叠的频谱，频谱效率较高，另外还具有 抗多径时延、硬件实现简单等优点，目前已基本被公认为b e y o n d3 g 的核心技术。第二， 在b e y o n d3 g 中，采用的载频会有所提高，所以在b e y o n d3 g 中多天线结构的采用成为可 能，因此空时信号处理的研究就十分重要第三，在通信环境中不可避免地存在多用户干扰， 而联合发送( j t ) 、联合检测( j d ) 由于综合考虑并利用了多个用户问的干扰，可以明显地 提高系统的性能。在此基础上，再灵活地采用空时码技术、自适应传输技术、高效的信道编 译码技术和智能天线技术等，就可以构成完整的物理层解决方案。 在媒介存取控制层( m a c ) 和无线鼹络层的主要关键技术有：第一，结合无线链路特 征和q o s 要求的分组调度策略。在b e y o n d3 g 系统中多种具有不同需求的分组业务汇聚到 无线接口进行共享传输时，为了保证时延、速率等q o s 要求，必须设计可调度的m a c 层 机制，在此基础上，应当依据业务属性结合无线接1 3 的链路特性对资源分配和分组传输进行 调度。第二，多业务共存情况下的接入控制策略。b e y o n d3 g 中各种实时业务与非实时业务 纂5 页 第一章绪论 并存，相互影响，给无线资源管理带来了更多的灵活性。利用有限的频率资源和合理的设备 配置提供更高的系统容量或数据吞吐量，保证用户满意，是接入控制策略所要实现的目标。 未来几代移动通信系统最明显的趋势是要求高数据速率高、机动性和无缝隙漫游。实现 这些要求在技术上将面临更大挑战。4 g 应该包含以下四个主要特点：一是自适应的资源分 配，能够处理变化的业务流、信道条件不同的环境有很强的自组织性和灵活性。二是能综合 固定移动广播网络或其他的一些规则，实现对这些功能体积分布的控制。三是这个协议应该 能根据网络的动态和自行变化的信道条件使低码与高码的用户能够共存。四是主要发展数字 广带( b r o a db a n d ) 为基础的概念。 从技术的角度来说，第四代移动通信应与i m t - - 2 0 0 0 以及目前制定中的增强型3 g 标 准有本质性的区别，其核心网络可以以演进形式发展；但空中接口应当是革命性的。首先， 这是由于第四代移动通信系统的峰值传输速率应为3 g 系统的1 0 至5 0 倍，达到2 0 m b i t s 至1 0 0 m b i t s ，若简单地重复使用3 g 的技术，则其发射功率需要增加1 0 至5 0 倍，从而使 电磁干扰问题达到无法忍受的地步。解决此问题的一个重要方法是根据信息论原理引入多天 线环境及其相关的新型空时信号处理方法，从而达到大幅度降低发射功率，提高频谱利用率。 理论研究结果表明，当接收机的天线数目多于发射机天线数目时，系统容量可随接收天线的 数目成比例增长。未来信号处理器以及专用集成电路性能的大幅提高，也将使一些较为复杂 的技术，如联合发送、联合检测、t u r b o 接收等，在实现上成为可能。其次，基于c d m a 技术的第三代移动通信系统虽然采用了一些新技术，能够支撑宽带多媒体业务，但从系统容 量、频谱利用率等角度衡量，并未能产生质的飞跃，因而难以满足未来移动通信的需求。再 次，业务的需求趋于多样化，突发式的分组数据业务传输将占据主导地位，3 g 所采用的直 接扩频c d m a 技术由于其捕获与同步方面的限制。很难直接应用于4 g 系统。可以预见， o f d m 以及多载波( m c ) 与t d m a 和c d m a 相结合的技术将是较具竞争力的空中接口技 术。 1 2 软件无线电技术 软件无线电是近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和体制。它的核心是：将宽带 a d 和d a 变换器尽可能地靠近天线，而将电台功能尽可能地采用软件进行定义。软件无 线电把硬件作为无线通信的基本平台，而把尽可能多的无线通信功能用软件来实现。软件无 线电具有很好的通用性、灵活性，使系统互联和升级变得非常方便，很可能成为继模拟通信 到数字通信和固定通信到移动通信之后的无线通信领域的第三次突破 1 2 1 软件无线电技术的发展概况 软件无线电最初是应用于军事领域。1 9 9 2 年5 月m i l t r e 公司的j e om i t o l a 首次明确 提出了“软件无线电”的概念，其中心思想是建立一个具有开放式、标准化、模块化的通用 硬件平台，将各种功能，如工作频率、调制解调方式、数据格式、加密模式、通信协议等都 用软件来完成，并使宽带a ，d 和d ，a 尽可能靠近天线。这样的系统具有很好的兼容性、 可升级的、开放性。 软件无线电作为未来无线电技术的发展方向，世界各国都在进行深入的研究。美国军方 对该软件无线电技术十分重视。并运用软件无线电思想对多波段、多模式无线电台进行研究。 最初由美国国防部高级研究计划局( d a r p a ) 提出了叫s p e a k e a s y 计划。它覆盖的频段为 2 2 0 0 0 m h z ，不仅要求能实现常规的h f n h f u h f 电台。还能与跳频电台、卫星终端、民 纂6 页 2 2 0 0 0 m h z 不仅要求能实现常规的h f v h f u h f 电台还能与跳频电台、卫星终端、民 用蜂窝通信系统等进行语音、数据甚至进行图像通信。该项目于1 9 9 5 开始研究，主要由波 音( b o e i n g ) 和雷神( r a y t h e o n ) 两家公司负责，第一阶段主要进行软件无线电概念和需求 论证研究；随后第二阶段进行了模拟样机的开发和演示。这两个阶段工作已经完成。目前正 进入研制能满足军队实际需求的联合战术无线电系统( j t r s ) 阶段。 软件无线电在民用、商业等方面的应用也取得很大的发展。美国8 0 0 9 0 0 m h z 的专用 移动无线电( s m r ) 系统为了实现f c c 频谱规范，并和现有业务共存的要求，也采用软件 无线电技术。欧洲的a c t s ( a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e sa n ds e r v i c e s ) 计划就是 研究如何把软件无线电技术应用于新一代的u m t s 系统。它包括f i r s t ( f l e x i b l ei n t e g r a t e d r a d i os y s t e m st e c h n o l o g y ) 、f r a m e s ( f u r o r er a d i ow i d e b a n dm u l t i p l ea c c e s ss y s t e m s ) 、 s o r t ( s o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g i e s ) 、t r u s t ( t r a n s p a r e n t r e - e o n f i g u r a b l eu b i q u i t o u s t e r m i n a l s ) 等子项目，分别对软件无线电硬件平台、接入、终端等关键技术进行研究。 近几年来，软件无线电的体系结构出现了一些新的发展趋势。第一，体系结构分层化与 软件模块化。为了减小软件设计的复杂性，软件无线电需要按层或级的方式来组织。第二 软件无线电结构数学分析化。利用拓扑学来研究软件无线电结构，可以提高系统的稳定性， 与可重用性等。第三，面向对象化。未来移动通信系统面向的是个人服务软件无线电技术 需要面向对象设计。第四，认知化、智能化。认知软件无线电是指无线电的内部工作状态是 可知的，通过无线电知识描述语言( r a d i ok n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e - r k r l ) 与网 络进行智能交流，并采用自动推理的方式，更好地为个人通信服务。第五，计算机化。计算 机化是指软件无线电需要与计算机技术相结合。第六，网络化、信息安全化。在软件无线电 体系结构中增加网络模块是不可避免的。信息安全提供数据流加密，舫止破译。 软件无线电通信的高可编程性，不但大大提高了通信的灵活性，也使新业务、新技术的 引入更加方便和经济。可以预见，随着计算机、微电子及天线技术的发展，软件天线电技术 必将成为2 1 世纪无线电通信领域的核心技术。 1 2 2 软件无线电在移动通信中的应用 在移动通信领域，由于新标准的不断涌现、新老通信体制共存，不同体制的系统的互联 变得复杂与困难，加上各种通信设备的大量出现、使无线电频谱越来越挤，传统的以硬件为 基础的无线通信系统已难以适应发展的需求，软件无线电正是最好的解决方案。 软件无线电在移动通信系统中，特别是在第三代移动通信系统中的应用是越来越成为研 究的热点。例如前面提到欧洲的a c t s ( a d v a n c e dc o m m u m c a t i o n st e c h n o l o g i e sa n ds e r v i c e s ) 计划中，有三项计划是将软件无线电技术_ 应用在第三代移动通信系统中。美国也在研究基 于软件无线电技术的第三代移动通信系统的多频带多模式手机与基站，如麻省理工学院的 s p e c t r u mw a r e 计划。我国对软件无线电技术也相当重视，例如我国提出了第三代移动通信 系统方案t p s c d m a ，是一种同步的直接扩频c d m a 技术，它结合了智能天线、软件无线 电及全质量话音压缩编码技术等9 0 年代通信新技术。 软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用体现在以下几个方面：第一，为第三代 移动通信手机与基站提供了一个开放的、模块化的系统结构。第二，智能天线结构的实现， 空间特征矢量包括d o a 的获得、每射频通道权重的计算和天线波束赋形。第三，各种信号 处理软件的实现，包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、 信道纠错编码软件、信源编码软件算法等。 图i i 是软件无线电在移动通信发展过程中的发展情况示意图： 第7 页 第一章绪论 处 理 能 力 图l i 软件无线电在移动通信中的发展 可见，随着技术的发展，软件无线电将在3 ( 3 和未来的4 ( 3 无线通信系统中得到广泛的应用 而且只有软件无线电技术才能适应未来移动通信技术的发展方向。 1 2 3 软件无线电用于移动通信的发展问题 1 软件无线电的技术复杂性及需求不确定性 例如在3 g 的应用中，需要解决如何充分有效她利用频谱，但是它超出了现有处理器体 系结构的能力，因而研究开发进展较慢。如a r i bw - c d m a 在其单个信道3 8 4 k b s 速率产时 需要7 9 0 0 m o p s ( 每秒百万个操作) ，目前d s p 尚不能处理这样的要求，预计需要五年才能 达到。 a s i c 可以达到上述m o p s 的水平，但至少需要两年的时间设计和开发，而且一旦完成后， 会非常不灵活。f p g a 会好些，f p g a 能为d s p 算法提高1 0 5 0 倍的处理能力。但是由于f p g a 具有高灵活性和高功率的特点，它比d s p 或a s i c 需要更多的功率操作，加上其用于信号处 理技术尚处于开始阶段，因而一些行家对于f p g a 是否能与软件无线电协调地工作尚缺乏信 心。 2 手机的体积与重量问题 目前军队所用的软件无线电终端是公文包那样的大小，由于重量较重，需用背包携带。 而用于手机的目标是把软件无线电技术溶入到现代的8 0 克重量、细长型的小蜂窝手机里，而 且价格要合理。手机上功率消耗的问题比基站更麻烦。3 g 手机在没有引入软件无线电技术 时，其功率消耗已经面临了挑战。 迄今为止的镍镉电池尚不能达到容量需求，和处理器的性能以及算法先进性的发展相 比，电池容量的进步显然太慢了。这样，为了解决这一问题，设计得只能尽量减少手机内部 部件电能的消耗，并尽可能地把不少功能从基带处理器、发射机和接收器中移走。 3 标准问题 第8 页 第一章绪论 迄今为止，大多数行业管理部门尚没有制订出软件无线电用于无线技术的有关规定，使 得各运营商由于标准不统一在运营中不方便。由于软件无线电允许运营商根据需要改变参数 或自动地进行一些操作，从而破坏了通常的一些操作程序。作为行业协会的s d r ( 软件无线 电) 论坛将为软件无线电技术制订标准规范，以便使设计者和生产者要以采用软件无线电技 术用为其核心平台的技术，但是由于软件无线电技术的复杂性。因而该标准规范很难在2 0 0 5 年前完成。 4 软件无线电的安全问题 软件无线电应用中的动态下载及在基站或终端变更软件往往都会带来安全问题，黑客也 可能截取信息。随着软件无线电技术的广泛采用、更多的无线传输将会遇到信息被截取的问 题。d e s 加密算法将会转向a e s j j i 密，以提高安全性。 1 3o f d m 多载波技术 由于o f d m 技术能够克服d s c d m a 在支持高速率数据传输时符号问干扰增大的问题， 并且有频谱效率高，硬件实施简单等优点，因此o f d m 、多载波技术被看作是未来可能的 无线宽带高速移动通信系统的空中接口标准。 1 3 1o f d m 基本原理 串行数据系统中，若需要非常高的数据传输率，就会使信道的带宽增加，易产生码间串 扰，从而增加误码率，在多径传播过程中甚至造成突发性误码，使得数据系统的传输质量大 大下降。而o f d m 将高速串行数据分成成百、上千路低速并行数据分别对不同的载波进行 调制，这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能。采用数 字信号处理技术的o f d m 系统，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大 地简化了系统结构。同时，为了提高频谱利用率，各载波上的频谱是互相重叠的，但这些载 波在整个符号周期内满足正交性，保证在接收端无失真地复原。 图1 2 给出了正交频分复用o f d m 的基本原理。考虑一个周期内传送的符号序 数 j 岖一 字d o d l d n i 由 ! 1 泣 相带 争行数据 加 通 基 并 滤 序列 带 转 器 波 调 d l = a l + j b i 换 制 图1