CN101697640B - 一种基于软件无线电的无线通信用户端设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件无线电的无线通信用户端设备，至少包括通用硬件单元、通用计算机、通用硬件接口。通用硬件单元实现用户端设备的物理层单元的射频收发、模拟数字转换、以及数字模拟转换。通用计算机实现用户端设备的物理层单元的数字基带信号收发处理、第二层数据处理、第三层控制、以及对通用硬件单元的控制与配置。通用硬件接口连接计算机与通用硬件单元，实现数字基带信号以及其它控制信号在计算机与通用硬件单元之间相互传递。本发明基于软件无线电的基本思想，提供了一种通用的无线通信用户端设备，该设备可以根据用户需求以及所处的环境灵活地选择可用的无线通信服务并实现相应的无线通信功能。

Description

一种基于软件无线电的无线通信用户端设备

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于软件无线电的无线通信用户端设备。

背景技术

无线通信用户端设备可按照通信***类别以及用户端设备用途的不同而分为以下几类：

1)蜂窝移动通信(Cellular System)用户端设备，尤其是实现以下移动通信协议中的一种或多种协议的用户端设备，移动通信协议包括GSM/GPRS/EDGE，IS-95，WCDMA/HSDPA/HSUPA，CDMA2000/CDMA2000EV-DO，TD-SCDMA，3GPP LTE等：

a)同时支持语音以及数据业务的用户端设备：支持至少一种蜂窝移动通信协议的手机

b)仅支持数据业务，以实现个人计算机随时随地上网的用户端设备：支持至少一种蜂窝移动通信协议的数据卡

c)提供住宅内语音以及数据业务接入的用户端设备：支持至少一种蜂窝移动通信协议的家庭基站(femto)

2)无线城域网(WMAN)用户端设备，尤其是基于WiMAX的用户端设备：

a)同时支持语音以及数据业务的用户端设备：支持WiMAX话音及上网功能的手机

b)仅支持数据业务，以实现个人计算机随时随地上网的用户端设备：WiMAX上网卡，支持WiMAX上网功能的计算机

c)提供住宅内语音以及数据业务接入的用户端设备：支持WiMAX的家庭基站

3)无线局域网(WLAN)用户端设备，尤其是基于WiFi的用户端设备：

a)支持WiFi数据业务的用户端设备：WiFi上网卡，支持WiFi上网功能的手机，支持WiFi上网功能的计算机

b)提供WiFi数据业务接入的用户端设备：WiFi的接入点(AP)

4)无线个域网(WPAN)用户端设备，尤其是基于以下WPAN通信协议中的一种或多种协议的用户端设备，通信协议包含蓝牙(Bluetooth)，超宽带(UWB，及IEEE 802.15)：

5)卫星通信用户端设备

6)广播***用户接收设备，尤其是支持以下广播***的一种或多种协议的用户端设备，包括无线音频广播***，无线数字电视广播***(DVB-T，DMB-TH)，手机电视***(DVB-H，CMMB，STIMI)。用户端设备包括：无线音频广播接收机，无线数字电视广播接收机，手机电视接收机

7)军事无线通信用户端设备，水声无线通信用户端设备

上述无线通信***用户端设备一般由专用的硬件模块实现，以蜂窝移动通信用户端设备为例，如图1所示，包括：物理层接收单元，物理层发送单元，第二层数据处理单元，第三层控制单元。物理层接收单元包括射频接收模块，用于接收射频信号，并变频到模拟基带信号；模拟数字转换模块，将模拟信号转换为数字信号；数字基带信号处理模块，用于物理层数据信号的解调和译码。物理层发送单元包括数字基带信号处理模块，用于对于物理层数据信号的编码和调制；数字模拟转换模块，将数字信号转换为模拟信号；射频发送模块，用于基带信号上变频，并发送射频信号。第二层数据处理单元用于数据包的打包、拆包，数据重传，数据加密解密。第三层控制单元用于控制第二层以及物理层实体所需的参数，无线资源的分配与管理，无线链路的测量与汇报。其它无线通信***的用户端设备的实现与蜂窝移动通信用户端设备相同或是其子集。

现有无线通信用户端设备的各模块大多由专用芯片以及专用的硬件电路实现，其不足之处在于：

1)功能单一：专用芯片为了压低成本，仅具有相对单一的功能，无法兼容其它***。比如，GSM的基带信号处理芯片无法完成WCDMA的基带信号处理功能。

2)升级困难：硬件产品难以升级换代，随着通信***以及通信协议的升级换代，用户端设备的硬件需要进行相应的更换，旧的用户端设备在新***中无法继续使用。

3)开发成本高：专用芯片和硬件电路的开发过程复杂，尤其是芯片的开发需要流片、生产制造等过程，成本难以降低。

上述无线通信***用户端设备的硬件实现问题，也同样存在于其它无线通信***。近年来，软件无线电技术的出现为解决上述问题提供了思路。软件无线电是一种用软件来实现物理层连接的无线通信设计。软件无线电的主要优点是它的灵活性。在软件无线电中，诸如信道带宽、调制以及编码等可以动态调整，以适应不同的标准和环境、网络通信负荷以及用户需求的变化。尽管软件无线电有上述优势，但是至今为止，还没有出现对于无线通信用户端设备较好的通用的软件无线电解决方案。

CN101014103给出了对于一种基于软件无线电的实现方案，提出一种由专用硬件射频接收模块、模拟数字转换模块、通用计算机硬件接口(USB2.0接口)、以及通用计算机组成的数字多媒体接收机。但CN101014103并未考虑到不同无线通信用户端设备的需求，无法提供无线通信用户端设备的发射功能，没有考虑在统一的结构下实现不同类型的无线通信用户端设备。以简单的WCDMA数据卡为例，该设备需要同时具有发射和接收功能，以及WCDMA的第二层和第三层处理功能，在用户漫游至不支持WCDMA的地域时，设备需要有能力切换至GSM/GPRS/EGDE或者其它该地域所支持的无线通信传输协议，这些都是CN101014103所没有解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于软件无线电的无线通信用户端设备，基于软件无线电的基本思想，提供一种通用的无线通信用户端设备，可以根据用户需求以及所处的环境灵活地选择可用的无线通信服务，配置用户端设备的功能。

该目的是通过以下技术方案实现的：一种基于软件无线电的无线通信用户端设备，包括通用硬件单元、通用计算机、以及通用硬件接口。通用硬件单元实现用户端设备的物理层单元的射频发射接收模块，模拟数字转换模块，以及数字模拟转换模块；通用计算机实现无线通信用户端设备物理层单元的数字基带信号接收和发送处理，以及第二层数据处理和第三层控制功能，同时还实现对所述通用硬件单元的控制与配置，使得通用硬件单元工作于指定的无线通信***；计算机与通用硬件单元之间由通用硬件接口连接，实现通用计算机与通用硬件单元之间的连接，使得数字基带信号以及其它控制信号在通用计算机与通用硬件单元之间相互传递。

进一步地，通用计算机根据用户指令选择无线通信协议，用户可以根据当前需求，选择将用户端设备配置为某种蜂窝移动通信***的用户端设备，或某种WPAN通信***的用户端设备，或某种WLAN通信***的用户端设备，或某种WMAN通信***的用户端设备，或某种卫星通信的用户端设备，或某种广播***的用户接收设备，或某种军事通信的用户端设备，或某种水声通信的用户端设备。根据用户端设备的能力，可以选择时分复用硬件设备，或者频分复用的方法，将用户端设备配置为同时支持多于一种无线通信***的用户端设备。其优点在于用户可以在同一用户端设备上，通过计算机软件配置的方法灵活选择用户端设备所支持的通信***，节省硬件成本开销，灵活并及时地根据用户需要以及通信***的升级变迁对于用户端设备进行改造，加速用户端设备的升级速度。

进一步地，当用户端设备配置为某种蜂窝移动通信***用户端设备，或某种WLAN通信***用户端设备，或某种WMAN通信***用户端设备时，通用计算机根据用户指令选择用户端设备类别，用户可以根据当前需求将用户端设备配置为功能等同于手机的支持语音和数据传输的用户端设备，或者功能等同于数据卡的仅支持数据传输的用户端设备，或者功能等同于家庭基站(femto)的提供数据接入的用户端设备，或者功能等同于无线局域网接入点(AP)的提供数据接入的用户端设备。其优点在于用户可以在同一用户端设备上，根据环境及应用需求，通过软件配置的方法灵活选择用户端设备的类别，节省硬件成本开销，及所需硬件数量。

进一步地，用户可以选择通信***基本类别，通用计算机根据用户选择的基本类别配置通用硬件单元自动进行无线信号探测，并将探测到的无线通信环境的相关参数(比如可用通信***类别，信号质量)通过通用硬件接口反馈给通用计算机，通用计算机根据所探测到的各种无线通信***的信号质量帮助用户选择服务质量最好的无线通信***，或者根据所探测到的各种无线通信***的服务资费帮助用户选择最经济的无线通信***，或者根据其它用户所偏爱的属性选择无线通信***，并将用户端设备配置为该无线通信***的用户端设备。通用计算机对于通用硬件单元的参数配置命令通过通用硬件接口传递给通用硬件单元。其优点在于用户在对于各种无线通信***基本原理、属性没有基本了解的情况下，仍然能够自动地选择最为满意的无线通信服务。

进一步地，通用计算机根据所选择的无线通信协议以及用户端设备类别配置通用硬件单元的功能，包括选择射频发射接收信号中心频点，射频发射接收双工方式，基带发射接收数字信号带宽等。通用计算机对于通用硬件单元的配置信号通过通用硬件接口传递给通用硬件单元。其优点在于通用硬件单元可以在用户不知情的情况下，被自动地配置为适应某种无线通信***的空中接口属性的硬件单元。

进一步地，通用硬件单元中可以包含一套或多套射频模块，当仅有一套射频模块时，如果需要实现射频发送接收功能(比如蜂窝移动通信***的用户端设备的射频模块需要实现对于上行信号的发射及对于下行信号的接收)，射频模块可以被配置为工作于半双工(Half Duplex)模式，即接收和发送不同时进行，其优点在于对于射频模块的复用，在不损失用户服务质量的前提下节省了硬件成本；当有两套射频模块存在时，用户端设备可以被配置为工作于全双工(Full Duplex)的模式，及接收和发送同时进行；当有多于一套射频模块存在时，用户端设备被配置为多个频点的一种或多种无线通信***同时工作。

进一步地，通用计算机可以对于通用硬件单元进行发射、接收参数的配置。随着通信的进行，用户端设备的发射接收中心频率，发射接收定时同步，发射接收功率都可能因用户的移动等因素而出现偏差。通用计算机可以配置通用硬件单元对于频率偏移、时间偏移、功率偏移进行修正，从而提高通用户端设备的无线通信质量，节省不必要的能源浪费，延长用户端设备待机时间，为用户提供更好的服务。通用计算机对于通用硬件单元的参数配置命令通过通用硬件接口传递给通用硬件单元。

进一步地，通用硬件单元可以包括用户识别模块卡(SIM卡，UIM卡)读写卡装置，或者通用计算机可以拥有用户认证、授权和结算功能(authentication，authorization and accounting)，从而用户端设备在接入某种无线通信***时，可以进行身份验证，计费等操作。

进一步地，在通用计算机的配置下，两个或多个用户端设备可以实现用户端设备之间的互联互通，实现点对点通信(Peer to Peer)，节约无线通信***资源，提高用户通信质量，降低用户使用无线通信的成本。

进一步地，通用计算机提供应用程序编程接口(API)，用户可以根据需求开发相应软件，实现新型的无线通信用户端设备，实现特殊应用以满足特定需求。

进一步地，通用硬件接口单元可以包括多个并行的通用硬件接口，从而为通用计算机与通用硬件单元之间提供足够的信号交互带宽。

进一步地，当通用硬件接口单元的带宽受限时，或者通用计算机处理能力受限时，用户端设备可以启动或申请启动无线通信***的省电模式，特别地，在LTE通信***中启动非连续接收模式(DRX)，在WiMAX通信***中启动省电模式(Power Saving)，从而降低通用硬件接口单元上传递的数字信号的平均吞吐率，或者降低对于通用计算机数字信号处理能力的需求。

附图说明

图1现有的蜂窝移动通信用户端设备的硬件模块实现

图2基于本发明的通用无线通信用户端设备

图3用户端设备配置成3GPPLTE用户端设备

具体实施方式

图2给出一个基于本发明的无线通信用户端设备实例。如图所示，通用计算机实现用户端设备的物理层单元的数字基带信号接收处理模块，物理层单元的数字基带信号发送处理模块，第二层数据处理单元，第三层控制单元，人机接口单元，用户端设备控制单元，以及应用程序编程接口(API)。其中数字基带信号接收处理模块对接收数字信号进行解调和译码；数字基带信号发送处理模块对物理层数据信号进行编码和调制；第二层数据处理单元，用于数据包的打包、拆包，数据重传，数据加密解密等；第三层控制单元，用于控制第二层以及物理层实体所需的参数，无线资源的分配与管理，无线链路的测量与汇报等；人机接口单元实现用户对于用户端设备的控制与信息交互；用户端设备控制单元实现通用计算机对于用户端设备的配置和管理，对于通用硬件单元的参数配置，包括对于射频模块的中心频点、带宽、发射功率放大器、以及接收功率放大器的控制；应用程序编程接口单元为用户提供通用软件接口，用户可以根据需求开发相应软件应用。

图2中通用硬件单元实现用户端设备的物理层单元的射频发射接收模块，模拟数字转换模块，以及数字模拟转换模块，其中射频接收模块用于接收射频信号，并将其变频到模拟基带信号；模拟数字转换模块用于将模拟信号转换为数字信号；数字模拟转换模块用于将数字信号转换为模拟信号；射频发送模块用于基带信号上变频，并发送射频信号。射频模块的中心频点、发生功率、双工方式，模拟数字转换模块的带宽，以及数字模拟转换模块的带宽均可以配置。对于通用硬件单元的配置，由通用计算机的用户端设备控制单元实现，配置信号通过通用硬件接口进行传递。

图2中计算机与通用硬件单元之间由通用硬件接口连接，实现数字基带信号在通用计算机与通用硬件单元之间相互传递。通用硬件接口可以为通用串行总线(USB)接口，外设原件互联(PCI)接口，个人计算机内存卡国际联合会(PCMCIA)接口，IEEE1394接口等。

图3中给出将无线通信用户端设备配置成3GPP LTE用户端设备的示意图。通用硬件单元实现3GPPLTE用户端设备的物理层单元的射频发射接收模块，模拟数字转换模块，以及数字模拟转换模块。通用计算机实现3GPP LTE用户端设备的数字基带信号发送接收处理，第二层数据处理，第三层(RRC层)控制。数字基带信号接收包括信道估计与OFDM解调制，天线端口解映射，OFDM资源解映射，MIMO解调，星座点解调制，解扰，解交织，HARQ处理，信道译码，CRC校验；数字基带信号发送包括CRC***，信道编码，HARQ处理，交织，扰码，星座点调制，MIMO映射及预编码，OFDM资源映射，天线端口映射，导频***，OFDM调制。第二层数据处理包括MAC子层数据处理，PDCP子层数据处理，RLC子层数据处理。通用硬件单元与通用计算机间由USB2.0接口连接，实现数据传递。

Claims (8)

1.一种基于软件无线电的无线通信用户端设备，其特征在于，包括：通用硬件单元，它实现该无线通信用户端设备的物理层单元的射频接收和发射、模拟数字转换和数字模拟转换；通用计算机，它实现无线通信用户端设备物理层单元的数字基带信号接收和发送处理，以及第二层数据处理和第三层控制功能，同时还实现对所述通用硬件单元的控制与配置，使得所述通用硬件单元工作于指定的无线通信***，其中，第二层数据处理，包括数据包的打包、拆包、数据重传、数据加解密，第三层控制，包括控制第二层以及物理层实体所需的参数、无线资源的分配与管理、无线链路的测量与汇报；通用硬件接口，它实现所述通用计算机与所述通用硬件单元之间的连接，使得数字基带信号以及其它控制信号在通用计算机与通用硬件单元之间相互传递；所述通用计算机可以根据用户指令有选择地设置该无线通信用户端设备的相应类别，可以将该无线通信用户端设备配置为功能等同于手机的支持语音和数据传输的无线通信用户端设备，或者功能等同于数据卡的仅支持数据传输的无线通信用户端设备，或者功能等同于家庭基站的接入设备，或者功能等同于无线局域网接入点的接入设备；所述通用计算机根据用户指令选择无线通信协议，通过配置该通用计算机以实现该无线通信协议物理层单元的数字基带信号接收和发送处理功能，第二层数据处理功能，第三层控制功能；该无线通信协议可以为蜂窝移动通信协议、无线城域网协议、无线局域网协议、无线个域网协议、卫星通信协议、广播***协议、军事无线通信协议；所述通用计算机可以根据该无线通信用户端设备的处理能力，有选择地采用时分复用或者频分复用的方法，将该用户端设备设置为可以同时支持两种以上的无线通信协议，并且，当通用硬件接口单元的带宽受限时，或者通用计算机处理能力受限时，该无线通信用户端设备可以启动无线通信***的省电模式，在LTE通信***中启动非连续接收模式DRX，在WiMAX通信***中启动省电模式Power Saving，从而降低通用硬件接口单元上传递的数字信号的平均吞吐率，或者降低对通用计算机数字信号处理能力的需求。

2.根据权利要求1所述的一种基于软件无线电的无线通信用户端设备，其特征在于：所述通用计算机可以通过配置所述通用硬件单元来实现该无线通信用户端设备对所述无线通信协议的自动检测功能，检测得到的无线通信协议的相关参数可以通过所述通用硬件接口反馈给通用计算机，用户根据通用计算机得到的无线通信协议的相关参数将该无线通信用户端设备配置为支持某种或某几种无线通信协议；所述无线通信协议的相关参数包括可用通信***的类别，信号质量，服务质量，服务资费。

3.根据权利要求1～2任一项所述的一种基于软件无线电的无线通信用户端设备，其特征在于：所述通用计算机根据所选择的无线通信协议以及用户端设备类别配置所述通用硬件单元的功能，包括选择射频接收发射的中心频点，射频接收发送双工方式，基带接收发送数字信号带宽。

4.根据权利要求1～2任一项所述的一种基于软件无线电的无线通信用户端设备，其特征在于：所述通用计算机可以对所述通用硬件单元进行接收和发射参数的调整，包括对频率偏移、时间偏移、功率偏移的修正。

5.根据权利要求1～2任一项所述的一种基于软件无线电的无线通信用户端设备，其特征在于：所述通用硬件单元中可以包含一套或多套射频模块。

6.根据权利要求1～2任一项所述的一种基于软件无线电的无线通信用户端设备，其特征在于：所述通用硬件单元可以包括用户识别模块卡的读写卡装置，或者所述通用计算机可以拥有用户认证、授权和结算功能。

7.根据权利要求1～2任一项所述的一种基于软件无线电的无线通信用户端设备，其特征在于：所述通用硬件单元和所述通用计算机之间可以由一个或两个以上所述通用硬件接口相连。

8.根据权利要求7的一种基于软件无线电的无线通信用户端设备，其特征在于：所述通用硬件接口可以为通用串行总线USB接口，外设原件互联PCI接口，个人计算机内存卡国际联合会PCMCIA接口，IEEE1394接口。