灵活支持多重无线电标准 SDR进驻4G基地台/行动终端 无线网络, 无线电, 现代人, 消费者, 必需品

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4G无线通信涵盖的频段众多，且须向后兼容3G/2G技术，造成网络设备与终端用户装置极大的设计挑战，因此相关产品开发商已开始利用软件定义无线电(SDR)技术简化硬件配置，并提高支持各种无线电频段的弹性，以加快多频多模产品开发时程。
由于行动装置的普及，终端消费者往往身上同时配备多台行动装置，而这些也都成为现代人必备的生活必需品。这些装置的增加，亦造就用户对于通讯流量的需求不断的往大流量与大带宽增加，因而无线网络通讯也就由2G延续到3G，再往今日的4G延伸，而未来的5G规画也在各国间展开。
经由如此的脉络轨迹，可以发现面对不同的网络速度需求，提供服务的网络设备亦须不断的发展及更新，且最近几年的数据需求量爆炸性的成长，亦使设备开发工程师面临时程紧缩的压力。另一方面，对于提供通讯服务的营运商来说，快速的网络基础建置速度等同于大量的使用者加入，亦等同于良好的使用者经验及利润。
早在1990年代中期，北美地区就已开始发展软件定义无线电(SDR)，当时着重在2G的空中接口(Air Interface)，但是受限于技术因素，使用者端设备采取SDR开发的商业模式并不成功，因此将SDR应用在3G基地台设备上，也就成为此技术的发展方向，如此延续到4G基地台的开发上更加被重视。
传统上，建构一个无线电系统并非易事，它的设计大部分采用模拟电路与组件，比如天线、振荡器、滤波器、讯号放大器、讯号调变及解调变器、多任务/解多任务器等。此外，采用模拟组件的设计不仅造成售价昂贵，制造成本亦无法压低，往往也需要工程师不断的调整与测试，才能达到良好的运作方式。如此设计出来的无线系统，并无法提供设备在成品完成后的性能可调整或重组(Reconfigurable)能力，造成一旦有须要修改或是系统内部更新时，就必须重新设计与制造，此为影响设计成本最大的原因。
SDR的出现，是希望提供一个可调整或重组能力的无线电硬件解决方案，并利用软件来加以设定及配置，即可因应不同的使用需求、不同的无线电频段，提供不同的网络带宽、不同的无线装置所需的讯号调变及解调变功能等需求。
Joseph Mitola III教授于1992年所提出的软件无线电概念，也希望最终能够达到在软件无线电的系统架构里面的设备与系统，在不脱机情况下，能够达成动态的调整与设定此系统上无线电讯号的处理模块与各种参数，以因应不同的需求。在目前长程演进计划(LTE)的基地台开发阶段上，同样希望以能够可调整或重组能力的组件，加速设备的开发时程，提高营运商的布建弹性。
SDR射频前端日新月异
自从SDR的想法被提出，相关的功能与运用就被不断地开发出来，众多厂商的产品都宣称具备SDR功能，这里就介绍主要的功能区块。
小型基地台(Small Cell)射频前端的SDR可以分为两个大架构，一个模拟射频讯号的模块，与一个基频讯号处理的区块。目前有许多的厂家推出各自的SDR模块设计，并提供一个测试环境给工程师快速的参考使用，增加自家芯片的市场占有率，同时也会推广到开放硬件与软件论坛，让更多人可以实际的测试使用，而这些公开的信息也能够用来了解SDR的设计架构，以及Small Cell应用上的情况。
由于射频前端的无线电模块集成电路不断演进，早期分离式组件组成的射频收发器讯号电路，于2000年后已有模块化的方案出现，可以提供制造输出低功率的小型无线电设备厂商使用。此时模拟组件，如模拟/数字信号转换器与讯号调变及解调变器、还有多任务/解多任务器等都已整合模块化，使得用于制作前端射频模块的线路复杂度降低许多。但是要制作多频多模的产品时，设备商使用的仍然是硬件定义无线电(HDR)(图1)，利用多层的硬件线路来达成多频多模的系统需求。

图1　多频多模硬件定义无线电

小型基地台开发商制作多频多模产品时，若采用分离式射频收发器讯号链模块化方案的电路(图2)，制作上仍然会导致产品设计时间冗长，且垫高生产成本。所以就有厂商开发出整合型射频收发器，期望能协助开发厂商简化产品设计，并缩减整体物料清单(BOM)成本。

图2　分离式组件组成的射频收发器区块

对于希望能够透过同一套硬件平台，弹性支持各种行动通讯射频技术的SDR，在基频讯号处理上是以数字信号处理器(DSP)与现场可编程门阵列(FPGA)为主。
SDR基频讯号处理　DSP/FPGA巧妙各有不同
FPGA和DSP各自适合不同用途，其中采用DSP主要用来实作通讯协议中的讯号处理算法，提供可进行优化的硬件平台；而FPGA的用途则大都做为胶合逻辑(Glue Logic)来串接链路。射频前端设计架构上，主要系以整合型射频收发器芯片外加DSP；或以整合型射频收发器芯片，外加上DSP-FPGA芯片架构最为常见。
DSP的采用分为通用型DSP与专用型DSP，专用型DSP一般具有高于通用型DSP的工作效能与速度，且较低的功耗及尺寸。为因应这种需求，相关DSP厂商如德州仪器(TI)与CEVA皆已推出相关商品。而其设计的要点在于小型基地台上使用的专用DSP，仍保有通用DSP的设计弹性，可执行各种不同的通讯算法，以满足基地台营运商对2G、3G、4G等不同通讯技术的需求。
由于专用型DSP在架构上针对通讯应用进行优化，因此在运行这类通讯算法时，会比通用型DSP来得更有效率，如常见的向量处理引擎就是实现LTE通讯的多重输入多重输出(MIMO)功能时，不可或缺的关键组件。还有Sidewinder所推出的Small Cell SDR基地台，亦是采用PicoArray DSP来运行基频讯号。
具有可重复设定的FPGA一直是通讯电子工业常常使用的设计方案，而厂商也都推出具有相关设计功能的FPGA芯片，如近年来常常被提及的DSP-FPGA，它针对DSP应用实现最高的系统整合度，并进行优化，成为成本敏感的DSP算法和需要高DSP性能的协同处理的理想选择，最常被运用在通讯系统的设计上。DSP-FPGA通常的架构都需要有特别的快速傅立叶变换(FFT)数学运算能力与逻辑处理单元，用以搭配基频讯号处理时的功能需求，以达成不同算法所需的运算能力。
目前，模拟整合型射频收发器产品，有亚德诺(ADI)与Lime Microsystems等射频芯片厂商所出产的整合型射频收发器，均期望以单一颗芯片，即能完成多频多模的射频产品设计。
Lime Microsystems所出产的芯片为LMS6002D多频多标准射频收发器，该公司也推出Myriad RF和转接板，并让它成为开放硬件计划(Open Source Hardware Projects)来使用，提供软件无线电开发者完成无线通信应用产品时的解决方案(图3)。LMS6002D可以工作在300M?3.8GHz的频率，提供带宽可由1.5?28MHz多模块选择，内包含LNA与PA、RX/TX混合器及滤波器，还有接收端(RX)的GAIN控制与传送端的输出功率(Power)控制。此外，12位的模拟数字转换器(ADC)/数字模拟转换器(DAC)，适用在分频多任务(FDD)与分时多任务(TDD)两种工作模式中。

图3　多频多标准射频收发器功能区块　图片来源：Lime Microsystems

亚德诺在2013年所推出的1×1和2×2的SDR整合型射频收发器AD9364与AD9361方案，也是同样希望能以整合型的模拟滤波、混频器、锁相回路(PLL)、12位的ADC与DAC等所有射频收发器讯号链组件，缩减线路与组件的摆放面积，而具备更小体积，也降低BOM及简化系统设计的成本。其调频范围可以由70M?6GHz，提供带宽200k?56MHz，也搭配赛灵思(Xilinx)FPGA来让工程师进行设计开发，建构开发与测试系统。
这些整合型射频收发器都会接上DSP或是FPGA，以达成软件无线电的工作硬件，再搭配使用的通讯软件来完成射频前端的配置，提供Small Cell极大的布建与工作弹性给设计工程师与营运商，加速产品面市与营运布建时的讯号调整测试工作。
在专为SDR提供整机测试平台的厂商则有Lyrtech(现为Nutaq)，该公司所制作的PicoSDR采用赛灵思的Virtex-6 FPGA。其射频(RF)支持频率范围为300M?3.8GHz，可选择的带宽1.5M?28MHz，提供2×2的MIMO与FDD/TDD均能使用的射频模块，可应用在LTE系统设计上。
另外，也有厂商提供eNB整机开发完成的软件，以快速测试小型基地台开发商所设计的SDR系统，加速设计流程。
实际上，已经有厂家开发出SDR小型基地台，如Airspan的Air4Gp Pico Base Station，利用SDR功能使得此基地台可支持全球微波存取互通接口(WiMAX)与LTE系统，还有Octasic所设计的OCTBTS 3000 Miniature SDR Base Station Platform都具有相同的功能，其他如中兴、Alcatel-Lucent、诺基亚通讯(NSN)等厂商皆已有自己的SDR基地台推出，突显SDR技术在LTE基地台开发上，已经广泛的被应用。
SDR应用在行动市场遍地开花
过去，使用者或手机/平板端未导入SDR的主因在于相关的技术并未成熟，但时至今日，半导体芯片发展进步神速，因此如辉达(NVIDIA)近期已推出Tegra 4i处理器结合NVIDIA i500 LTE调制解调器(Modem)的LTE SDR调制解调器，开启SDR技术在手机射频应用中的第一枪，而市场上也还有二十几家计划采用SDR技术发展处理器的厂商，用以帮助系统厂商改善LTE手机天线的尺寸与耗电量。
采用SDR技术将会加速LTE行动装置上市开发时程，并实现全球漫游。而在基地台端的进展，以目前最热门的Cloud RAN或是称作Centralized-RAN(C-RAN)采取的架构，将会打破现有传统的基地台以远程无线电端(RRU)及室内端单元(IDU)组成的无线电系统，将两者之间的专线连接功能更动改变，以基频讯号处理功能模块做虚拟化。利用基频讯号处理能够集中处理，进而将IDU集中化，促使未来SDR导入C-RAN系统中。藉由SDR的技术，无线电基地台能够灵活支持多种无线电技术的关键应用。由此可确认到，未来SDR的发展将更为迅速，也将更贴近人们的生活中。