软件无线电智能天线系统的演进和标准化

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前 言

自从19实际80年代初期，无线电产业已经随着多种和技术的发展而迅速成长。每个无线标准都随着它所专有的服务演进，如语音，视频，无线因特网传输或是电子邮件服务。这种迅速发展迫使客户（开发者和终端用户）在他们的各种需求中使用复合设备，这减少了设备的生命周期。客户更喜欢使用有多种服务的单一设备。对于终端用户的需求，生产厂商必须寻找一种支持可伸缩、可移植、可重用、互操作性和生产效率较高的开发技术。无线电产业（包括金融、制造和国防）由于在容量需求标准和标准的工具支持的变化而面临着开发的变革。SDR可以使一个通用的无线电平台支持多标准和服务的动态更新（自动下载或者其他由各种客户提出的方式），还提供了应对变化的框架。

SDR解决方案是多种多样的，在本文中我们涉及了两个相关的标准化基于软件的通用无线平台和智能天线的软件接口标准的固定基础。

软件通信提醒的开发采用无线电系统连接策略（JTRS）和连接程序执行办公室（JPEO）。

软件无线电的平台无关模式（PIM）和平台相关模式（PSM）由对象管理小组开发，基于SCA连接OMG的模型驱动结构（MDA），如下描述：

第一，对于SCA，HTRS和JPEO的任务就是开发一组交互性和可负担的SDR，提供安全无线的通信网络。另外，SCA的目的是提高从一个JTRS到另一个的波形的可移植性。它为SDR软件组件开发以最低要求建立了一种独立实现的框架。软件组件提供了SCA应用程序的管理和执行，SCA操作环境（OE）的定义设备组成。OE由核心框架（CF），通用请求代理（ORB）和基于操作系统 的便携式操作系统接口（POSIX）。正如SCA规范中的定义，CF在开放的应用层CORBA接口和提供底层系统软件和硬件的抽象服务服务是必需的。CORBA ORB是不同的系统实现分布式系统资源的分布式调用。

第二， SWRadio规范由OMG的软件通信工作小组（SBC-DTF ）开发，早期的支持和资助的联合无线电系统的JTRS和JPO还有其他持续参与各国防、商业和学术界的合作伙伴。增强的便携SWRadio规范和重用的波形组成部分的规定，在SCA中为软件组件定义PIM及PSM，包括标准的应用编程接口（ API ） ，物理层，链路层控制（LLC），介质访问控制（ MAC ）层和基于OE的被定义为SCA的无线电管理。PIM及PSM的基本概念是在OMG的MDA。MDA是一种解耦的SDR软件模型的平台特异性部署技术（即开发语言，中间件，操作系统，处理器类型等）。该SWRadio规范包含专业化的UML （称为UML的简介）这是独特的软件无线电技术。该SWRadio规范的详细规格工具的买主必须遵循向软件无线电社区提供应用。软件无线电社区使用这些工具建模与实现他们的SDR和波形应用，还有基本SWRadio组成部分的应用程序组件。使用工具和MDA的建模方法的意义在于重用性，可携性及互操作性，目的是降低成本和缩短以生产高质量和稳定的软件无线电的交付时间。

最后，SWRadio规范中MDA的能力作为一个高度容纳基础无线电设备和服务，如SA技术。

然而，SCA和SWRadio规范都不支持SA技术，而在一个优质的无线系统中这又是比不可少的元素。作为SDR论坛的成员，认识到了SA在优质无线系统中的重要性，智能天线工作组（SAWG）由SDR论坛的专门委员会组成。此工作小组的证书中规定了SA系统中互操作性和兼容性的定义。另外，OMG的SBC-DTF在2006年12月为基于OMG的SWRadio规范的SA接口规范提出了一个征求方案。最终，SA的API规范由SAWG在2007年末出版，并且支持OMG，SDR论坛提交了此API，以作为对OMG的SA征求方案的回应。

从根本上来说，SA的API规范为SA特有的信号处理像SA算法的实现，信号同步的增强和天线阵列的校准定义了软件组件和标准的应用接口。这些组件称为SA组件，是将非SA系统升级到SA系统的代理组件。对于SDR的标准SA系统来说，定义SA组件和API是最基本的也是必须的。

在本文中我们首次提出了智能天线系统的概念。我们也描述了SA系统的标准和他的效用、有点和好处。我们将对标准SA系统模块的详细说明作为入门。最后，我们以当前SA系统的标准过程的状况来结束此文。

SA系统概述

SA系统是一个天线阵列系统，增强了信号处理子系统，提高了无线系统的性能。如图1所示，SA系统可以分为如下5个子系统。

1 一个天线阵列由多个具有特定形状的调配距离在SA系统类型的变化范围之内的天线元素组成。

2 无线中频(RF/IF)子系统配备了多个RF/IF链。一般，每个RF/IF链有一个低噪声放大器，混频器，模拟信号过滤器和一个模数转换器组成。

3 调制解调器子系统的基带信号处理如解调，交织解调和信道编码／解码。

4 SA子系统由算法组件－执行一个阵列的基带信号；一个校准组件，为多RF/IF链之间的校准；和一个为初始化移动终端增大目标覆盖范围的增强型框架和信号同步的同步组件。

5 MAC层子系统提供了一个地址访问通道，允许多个移动终端同时访问网络。

在图1中，通过用单天线代替天线阵列，并且移除SA子系统的情况下，一般的SA系统可以转换为传统的单天线系统。另外，传统的系统可以通过运用天线阵列和SA子系统升级到SA系统。这很引人注目以至于SAWG的SA标准正源于此。

根据信号处理的方法，SA系统可以被分为以下四种：

波束形成系统：这些类型的系统可以使天线聚焦到它的束模式来从特定的路径接收和传输。合适的束形成系统通过高信噪比和低信道干扰增强了通信能力。束模式的方向性增强了传输效率，从而扩大了单元的覆盖范围。

分集组合系统：这种类型的系统通过从空间隔离的组合天线的组合信号的接收，缓和了多径衰落。

空间－时间均衡系统：在无线通信中，多径衰落给频率信号的接收引入了失真。如果将时间处理加入到空间分布的符合天线的信号中，频率选择的衰落就可以被消除。

多输入多输出系统(MIMO)：如果组合天线元素的空间分布较远，独立的衰落信道，作为并联平行的空间信道，在每个发射接收的天线组合间被创建。多路独立的信息流通过空间信道，对于固定信号带宽和信道容量，数据传输速率随着发射和接收天线而线性增长。这种类型的系统被当作特殊的多路系统。反过来说，时空编码系统，另一种类型的多输入多输出系统，使用复合发射天线来获得发射分集。

在特定的通信环境下，每种SA系统都展现出各自的特性。例如，波束形成系统在强干扰的通信环境中可以获得最大的性能；而多输入多输出系统在无干扰的独立信道中可获得最大的信道容量

SA系统标准化的研究

为了使SDR系统利用SA系统的优势，基于SCA的开放体系应该首先被确定。开放体系结构的目标是通过将第三方跨平台软件生产商引入到系统中来，从而使整体的软件开发变得容易。为达到这一目标，结构应该分层，并且每层的职责要尽量清晰。另外，每层要为服务提供标准的API。

图2结合了OMG的天线阵列的SBC-DTF基于SCA的SWRadio开放体系和由SDR论坛的SAWG定义的SA设备。硬件层包含了物理硬件设备如通用处理器，数字信号处理器，可重构的RF/IF设备和天线阵列。硬件层上的OE层为SWRadio中的无线电系统管理提供了服务。SWRadio设备层，为信号处理、SA技术、网络访问和应用程序开发者的无线信道管理提供了服务。处在结构最上层的应用层由底层的负责完成端到端波形处理的波形应用程序、能够管理和控制无线电机组的能绘制独立波形的管理应用程序和其他的应用程序，如终端用户应用和支持路由选择、安全和品质服务功能的网络应用。

图2中的SA体系结构，说明了由SA组件定义的非SA系统如何升级到一个SA系统。具体来说，SDR论坛的SAWG通过扩展和利用SA子系统的可复用性和互操作性定义了SA组件。对于一个新的商业性市场，入口层组件基于操纵制造业的规模经济。而且，通过SA架构图2所示，制造商可以确保一个共同的平台开发运作各种波形的SA系统。这两个影响制造商提供了创新的降低开发成本并加快产品上市时间的SA系统。此外，服务提供商可以建立一个灵活的具有SA系统提议的可伸缩的网络。确实，服务提供商通过将SA子系统堵成非SA系统能够使SA系统适用于他们的网络。此外，一项新的服务不能够强制服务提供商建立一个新的网络。他们可以很容易地通过为新的服务增加或更换软件组件来轻易地提供新的服务。因此，在SAWG的组件是将成本效益引入到先进的无线通信产业的入口。

SA子系统的建模中，SAWG沿用了MDA的解决方案。MDA的主要目标是便携性、互操作性和可复用性。当然，这是适用于建筑模型和在不同的平台执行这些模式[ 13 ] 。为了实现这些目标，一个模式的子系统（其中必须不包含任何信息具体化的平台或用于实现它技术）首先被定义。该模型称为组播（PIM）。在组播的定义中使用了UML（它定义了PIM的元件的属性）。在SA系统的PIM定义中，对于SWRadio组件和SA组件之间的互操作性，SAWG选择对SWRadio组件和他的扩展使用UML的侧面。一旦PIM完成，各种功能所定义的PIM就可以转化为模型与特定的信息平台形式。这种模式被称为平台相关模型（PSM）。

以下各小节是对SA子系统的PIM和PSM的详细描述。

SA子系统的平台无关模型

如前所述，要将传统的SWRadio系统升级到SA系统，SA子系统应包括校准组件，信号/帧同步组件，和一个算法组件。此外，在SAWG定义了控制组件，提供共同的接口控制其它组件捕捉SA子系统的状态。因此，SA子系统的PIM由同步设施，算法设施和控制设施三个群体的设计组成。同步设施由一个校准组件和同步组件组成。该算法的设施包括：算法部分执行了SA算法。控制设施，包括三个控制接口：是射频控制，算法控制和同步控制。射频控制接口用于控制多个RF/IF器件和天线阵列。图-3说明了UML类图的SA子系统的PIM。

同步设施-的同步设施包括校准组件，它实现了校准接口。同步组件实现了同步接口。

SA同步是一个抽象的组件。校准组件和同步组件和专门的同步组件。同步组件为每个信号的传输提供了至少一个数据端口。

校准接口和校准组件用于校准多个射频链。校准接口补偿了射频/中频链的每一天线传输和接收模式中幅度和相位差异。由于振幅和阶段特征的信号路径与每个天线各有不同，校准会出现一些问题。尤其是当最优权重向量的从收到信号这种信号的上行通信SA系统计算可充分利用增强通信能力和单元覆盖范围。下行波束形成永远不能优化没有准确的校准。换句话说，目标校准以补偿相互之间的耦合效应天线阵列元素，以及不匹配的渠道振幅和/或通道阶段的SA系统。

同步接口和同步组件用于符号或帧同步的SA系统。符号（或帧）同步检测符号（或帧）的时机。在符号解调（或帧解码）和运行SA算法之前完成同步。为了提高SA系统的性能，必须提供准确的符号（或帧）。此外，为了保证初始网络接入的服务质量，必须给SA系统提供快速，强大的初始接入信号。

算法设施-该算法设施，其中包括算法组件（波形成组件 ，STC组件，空间多路组件，信道估测 组件， DOA估测组件）和接口（波形成，空间时间译码，空间多路技术，信道估测技术和DOA估测技术）为所有的SA技术提供了服务，如波形成，多样化组合，到达方向的估测，空间时间译码，空间多路技术和信道评价矢量。

SA算法是一个从所有算法组件继承来的抽象组件。 更具体地说， SA算法为所有的算法组件提供共同属性和行为。波形成组件扩展了SA算法 ，实现了波束形成接口，以便执行波束形成算法。

图4显示了算法的执行序列。当执行从提供了系统配置，继承，测试和波形安装的无线电引擎发送来的命令。SA控制激活了波束形成组件并需要可用算法的列表。在其现有波束形成组件返回算法列表（含算法名称，延迟和单独执行的功耗，等等）。SA控制选择基于算法清单的适当的算法，并发出命令，启动算法的波束形成组件 。在这一点上，波束形成组件负载的算法，和请求操作模式和一些SA控制的SA系统的天线元素。操作模式表明，无线电系统的运作都在发射或接收模式，或两者兼而有之。波束形成组件请求/得到同步参数/从SA同步和接收的信号，即通过输入数据端口来自调制解调器设施的调制组件。带有同步参数和接收信号，在波束形成组件运行算法的结果和通过输出数据端口输出的调制组件的结果。最后，波束形成组件返回完成信息到SA控制器，并且SA控制要通行完成信息到达无线电引擎。

该波束形接口有几个属性提供了一个抽象的波束形成算法。该空间多路组件提供了一个抽象的实现了空间复用接口的空间复用技术。该STC组件，信道评测组件和DOA评测组件分别为时空编码，矢量信道估计，和DOA估计提供服务。控制设施-控制设施包括：SA控制组件，射频控制接口，算法的控制接口和同步控制接口。算法控制，射频控制和同步控制接口控制一套SA算法，RFIF组件和SA同步控制组件，分别为控制元件和查询参数的组件。该SA控制组件符合定义中所描述的SWRadio 规范的组件框架：基础设施：服务[ 4 ]此外为通用控制接口提供实现射频控制算法控制和同步控制接口。该SA控制组件是用来控制整个SA子系统的状态和行为。SA控制的使用状态如图5所示，空闲时，所有部分在SA子系统中无法使用。SA控制处于活动状态时，任何组成部分没有空闲剩余空间的分配。SA控制状态为忙时其他任何组成部分在使用中没有剩余的分配空间。

SA子系统的平台相关模型

SAWG选择CORBA和可扩展标记语言（ XML ）作为目标平台模块的SA子系统。图6按照组播定义的映射规则说明了基于CORBA / XML的掩模的转变。有一点值得注意的是，不可能有任何各种不同的技术提供PSM。MDA的能力在于使用一种工具，为每个PSM选择一个适合的技术。在SWRadio/SA中允许实施者选择所需的语言实施，例如C++，ADA和Java绑定-在不改变基本模式的任何特定的应用程序或波形软件架构被部署在SDR中。

结 论

在这篇文章中，SDR论坛SAWG为SA系统规范的介绍做出了努力。对于SA系统的标准化，SAWG提出了SA子系统和打破了SA子系统三个组件：控制整个SA子系统的SA控制器，SA同步和校准和支持各SA技术的SA算法。那么在SAWG定义的标准API为每个COM部分。最后，拟议的公司API规范于2007年底由SAWG出版了。此外，在2006年12月03发布一个招标的PIM及模块的SA。随后，SDR论坛以创造和批准的初步提交的PIM /掩模为sa规格答复RFP并在2007年提交给OMG。SDR论坛和OMG密切协作，为使研究成果能够为更广泛的社区提供一个SA系统的标准架构。以当前的进展，目前有智能天线审定工作组（FTF）管理的SA的PIM及掩模，计划在2008年12月03技术会议上获得批准。在各类SA系统在SDR网络的相容性上，SA的PIM及掩模支持MDA的目标（便携性，互操作性和重用性）。此外，通过早期采用者和工具供应商的努力，为sa规范实施的PIM及掩模期望一个新的COTS市场和帮助降低开发成本的SA系统。