未来移动通信系统中的软件无线电技术

  前言
  近年来,A/D/A转换、可编程逻辑器件、存储器以及处理器方面的技术取得了长足的进展,产品的性价比不断提高,这为软件无线电技术从研究领域走向大规模商用提供了前提条件。软件无线电技术的主要工作是信号处理,DSP技术的迅速发展使得信号处理可以由软件来实现,这为无线空中接口的实现提供了高度的灵活性。随着移动和个人通信市场的发展,用户的需求也日益多样化,现在的第二代通信系统也必须平滑过渡到第三代系统,这对未来移动系统的灵活性和创新性也提出了更高的要求。技术和市场的发展,促进了软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用。
  
  软件无线电与未来移动通信系统
  传统上,软件无线电的基本思想在于:把天线上的信号或中频信号由高性能模数转换器进行数字化后,再传送给高性能终端(计算机、移动电话等)处理;终端内部的软件用来实现各种无线通信的基本功能单元,使得无线通信系统摆脱硬件系统结构的束缚。近几年来,人们对软件无线电的研究正在趋向深入,产生了对软件无线电更加宽泛的定义,它把移动终端看成具有高度适应性和灵活性的未来移动计算平台。我们可从以下三个层面来看广义的软件无线电技术:
  
  ①无线物理层的软件无线电技术
  
  ②支持软件无线电的协议结构
  
  ③移动终端支持的业务与应用
  
  以上三个方面都可以看作是软件无线电所要实现的目标,但三者之间又是相互独立的。鉴于已有许多文章对无线物理层的软件无线电技术进行了讨论,本文将从上述的后两个层面介绍软件无线电技术在未来移动系统中的应用。协议结构的构建和交换消息的研究应与移动通信系统的网络结构设计联系起来,这样可以建立一个在未来研发过程中通用的结构框架和系统平台,大大增加了系统设计的灵活性和创新性。
  
  第三代移动系统的系统设计思想
  多种接入方式
  虽然第三代移动系统的标准尚未最终确定,但是,有一点人们已经达成共识,即:在向第三代系统演进的过程中,要保护运营商和制造商在第二代系统上的投资,并允许其平滑过渡到第三代系统。这样就需要建立一个公用的基础结构,支持多种空中接口标准,以实现从第二代向第三代的平滑过渡。
  
  图1表示了世界范围内的第二代无线接入子系统的地域多样性。为了支持地区性的第二代无线接入方式,系统就要支持多种空中接口,这就需要一个兼容多种接入技术的交换平台。另外,对第三代移动系统本身,在不同的情况下,也需要不同类型的空中接口。例如:在语音业务继续发展并占市场主导地位的同时,移动IP应用在蓬勃发展,这将会促进CDMA TDD技术的发展,因为TDD技术在传输非对称数据方面具有灵活性。
  

 

  
图1.世界各区域第二代的后向兼容性与第三代标准

  
  
  不但以前的各类空中接口可以接入未来公用骨干网,IMT-2000的无线传输系统也应能有效的运转于现存的各种类型的网络平台。这就要求用模块化的方法来标准化IMT-2000,以增强各类系统之间的互通性。
  
  IMT-2000的模块化结构
  为便于向第三代系统的演进,ITU提出了一个建议“FPLMTS内的模块化与无线通用性结构框架”,它描述了在处理与射频有关的IMT-2000的问题时所采用的模块化原则。根据这种原则,可以把现存的不同网络融合到第三代移动系统中。
  
 

  
图2. IMT-2000系统模型

  
  图2表示IMT-2000的系统结构模型,它使用了模块化的思想。在此模型中,接入网(Radio Access Network,以下简称RAN)与核心网(Core Network,以下简称CN)之间有明确分界,RAN和CN之间的Iu接口是除了空中接口Uu外,ITU所要标准化的另外一个重要接口。
  
  RAN允许新的无线接口接入到现存的第二代网络,同时也支持现存的多种空中接口向IMT-2000核心网的接入。RAN就好像一个交换网络,它为不同的空中接口模块提供统一的数据通信服务,以实现与核心网的连接。
  
  RAN可以分成以下两个模块:
  
  * 无线承载公用功能模块(RBCF),包括所有的与无线接入方式无关的控制和传输功能,用于在核心网和服务于IMT-2000的不同运营环境的无线传输技术之间做出适配。
  
  * 无线传输专用功能模块(RTSF),包括所有与射频技术有关的功能,它又可分为无线传输技术模块(RTT)和相关的无线传输适配功能模块(RTAF)。RTT功能位于空中接口的两侧,即移动终端MT和接入网RAN的两侧。RTAF用来把不同的RTT适配到公用的接入部分。
  
  在核心网CN内,除了IMT-2000核心网,也要支持第二代的核心网,这种情况下,它们与IMT-2000核心网的互联由相应的互通功能模块(IWF)来实现。同样,如果采用相应的适配模块(AF),第二代的核心网也能支持IMT-2000的无线接入和它们的终端。
  
  根据以上的结构安排,各运营商有了统一的目标系统模型,它们可以通过不同的途径演进到第三代系统。采用模块化结构,不同的无线接入方式和网络模块,通过合适的方法都可以安排到未来的系统中去。
  
  总之,这样的模块化结构,有两个主要特点:
  
  * 把RAN划分成依赖于射频(RD)和独立于射频(RI)的两个部分。
  
  * 在固定网和接入网之间定义了一个统一的接口(即Iu接口)。
  
  未来移动系统的设计思想
  
 

  
图3.支持软件无线电的系统划分

  ITU和ETSI都认为采用单一的无线接入技术不能满足未来移动通信的要求。而软件无线电被认为是解决多种接入方式的长远方案。很显然,要把软件无线电的概念用于下一代移动系统中,把系统分成RI和RD两部分是一个先决条件.
  
  从图3中可以看出,在第三代通信系统中,把依赖于射频的功能块(RD)从UMTS核心网中分离出来,放置在MT和BTS部分,而在无线接入系统和核心网内提供最大的通用性和射频独立性。
  
  要达到射频独立的目标,系统控制协议(如:呼叫处理、移动性管理和切换控制等)要用统一的方式来定义。这些协议应具有通用性,其消息的参数应该有足够的灵活性,以满足不同的空中接口的要求。这些通用的系统控制协议可以承载与射频有关的信息,但是必须用独立于射频的方式去承载它们。
  
  另外,UMTS固定网子系统也应该是通用的,它的各组成部分必须与射频无关。通过把大多数依赖于射频的功能分离到无线接入部分(即:MT和RAN),当需要支持一个新的无线接口时,只需对MT和RAN的射频依赖模块进行软件更新,而对固定网和终端几乎不需做任何修改,这样就大大削弱了各个功能模块之间的耦合程度。
  
  在图3的结构中,对MT和RAN上的RI/RD接口定义后,RI和RD部分可以独立开发。当要增加新的需求时,更新只集中在RI部分,而不影响RD部分;为了支持不同的无线接入方式,RD功能集的更新也不影响RI部分,当然,这种更新只有在新的RD功能集符合已定义的RI/RD接口的情况下才能实现。这样就提供了一个模块化的、灵活的、面向未来的设计思路。
  
  RD和RI部分的划分以及RI/RD接口的定义,保证了软件无线电的概念可被用于支持不同的无线接入方案(如:WCDMA,TD-CDMA等),而它们在UMTS网络中,有公用的核心网。RD功能块可用软件配置到需要的无线接入方案,而对RI功能的影响非常小。支持软件无线电的协议结构
  
  在系统结构中,假定软件存贮于核心网内一个专用的业务中心,根据一定的控制协议,可以把软件下载到接入网的射频独立部分或移动终端。对于支持软件无线电的协议结构的讨论将集中在两个接口Uu和Iu上。
  

  
图4.UMTS网络协议结构

  
  图4表示了UMTS协议的框架结构。在这个结构中,接入网和核心网分离的目的在于在接入功能和核心网功能之间建立一个明确的分界。这种分界在UMTS中非常重要,这样可以保证接入网和核心网的独立发展,同时允许特定的接入网接入到不同类型的核心网。
  
  在此协议框架结构中,引入了接入层和非接入层的概念。接入层负责与接入有关的功能,可以看成UE与CN间的传输通道,它包括嵌入接入网的所有层,与接入网相连的UE和CN的底层部分。非接入层执行典型的UE-CN过程,如呼叫处理和移动性管理等,这对接入层是透明的。接入层通过业务接入点(SAP)向非接入层提供业务。在这些业务中,有UE与CN间的控制信令的信令连接和用户数据的无线承载。
  
  根据上面的框架结构,控制软件下载到接入网的协议应该在接入层,而控制下载到UE的协议应该在非接入层。
  
  在接入层内,为了处理软件下载,应定义CN和RAN之间的软件无线网络应用协议(SRNAP)。此协议需要有寻址能力,以便对可以执行软件更新的物理实体进行寻址。在应用中,对协议的区分也是必要的,这样可以在同一个物理实体内寻址不同的软件模块。
  
  在非接入层内,应用层上除了包括传统的呼叫处理和移动性管理实体外,还应包括软件无线电控制协议实体,它负责建立和维护用户平面内用于实际文件传输(软件下载)的资源,还应能够执行命令来激活已经存在的软件模块。这样就保证了系统极大的灵活性并使之独立于具体的物理实现。
  
  软件下载时,在接入网内,Iu接口上的传输层可以用基于ATM平台的IP协议来实现。下载大文件时,要用AAL5作为专用于软件无线电的协议结构的ATM适配层。在无线接口上,要定义一个点到多点的无线信道,以保证在任何网络中软件下载的可行性。因为在文件传输中没有非常严