对《绿色软件定义的无线电：在节省硬件和能源的同时实现无缝连接》一书的解读
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日期：2021-10-21
无线技术的应用场景：趋势要求与绿色软件定义的无线电解决方案
1.1一次创新遭遇的纪事史：当无线通信和微电子器件相遇时
无线电被定义为“利用通过空间传播的电磁波以无线的方式传输信息的通信系统”。多亏了杰出的理论家和创造性的实验家，无线电通信成为了现实。然而，无线电与微电子产品的遭遇带来了我们今天看到的令人印象深刻的历史性地推动，并在软件定义无线电的发展中发挥了至关重要的作用。在接下来的段落中，我们将概述这一段滚动着进入未来的简要历史。
1.1.1拓荒者时代
詹姆斯·克莱克·麦克斯韦在1864年写了他的论文《电磁场的动力学理论》，并推导出了以他的名字命名的著名方程组。当时他几乎不知道他的发现对未来会有什么影响！1887年，海因里希·赫兹通过令人印象深刻的成功实验证实了麦克斯韦的想法：电磁波在自由空间中的传播得到了证明。这一里程碑开启了人们对在无线电波上“粘贴”信息、从而在不需要安装电线和受到电线限制的情况下进行“远程通信”的可能性的探索。
马可尼在1896年第一个在无线通信领域获得专利，这一年经常被无线电的发明提及，后来他的工作也获得了诺贝尔奖。1906年圣诞节晚上，雷金纳德·费森登第一次通过无线电波传输声音和音乐，由此产生了无线电广播。最重要的是，这一突破为这项技术提供了人类的声音和面孔，提高了广大公众对它的兴趣。
1.1.2数字革命：当无线通信和微电子相遇时
自那以后，对所谓的“第三代”(3G)[目前人类已经进入了所谓的5G时代，并且正在探索6G]和WiFi多媒体通信设备发生了显著的增加和改进，这些设备允许分别以每秒50兆(Mb/s)以上的速度交换语音、图像和数据信息。由于信息论和微电子学这两个科学领域的独立发展，通信领域的发展在二十世纪下半叶特别加速。1948年被认为是数字技术发展的主要里程碑，因为在这两个领域的成就最终将成功地结合起来。信息论方面的克劳德·香农以信息的一个二元单位或比特的定义以及信道容量的定义奠定了这门科学的基础。同年，威廉·肖克利和他在贝尔实验室的团队宣布了晶体管的发明，它后来将被用作能够处理和存储比特的电路的构建元件。
1.1.3一个光明的未来？
今天，流动性和连通性的结合已经成为当今社会的一种商品和一种重要的工具。值得注意的是，即使是70岁的人也宣称不能再错过这项技术了，而他们一生中大部分时间都没有它。各种各样的无线标准支持不同地理环境和地区的大量服务，用户和范围规模庞大且不断增长。技术变得越来越小，越来越快。这两个演变，在下面的章节中解释，一起要求软件定义的无线电(SDR)解决方案。然而，无线通信的巨大成功正在对其自身构成威胁。我们可以以此作为类比：汽车交通的便利性和普及程度导致了巨大的交通堵塞，阻碍了交通不便，以及不可持续的能源消耗。同样，频谱变得拥挤，增加的服务需求正在消耗移动设备的电池。
1.2无线应用场景：异质的特性使得它渴望具有灵活性
1.2.1无线通信标准：品种繁多，而且还在不断增长
无线通信今天通常被用于各种应用程序，包括语音、数据传输、互联网接入、音频和视频流媒体，等等。对于一个特定的服务，有几个系统是标准化的，它们都可以成为世界上几个地区应用的首选。表1说明了数字无线电系统的这一点。只是为了在终端上支持这项服务，无线电已经需要一定程度的灵活性。
表1、数字视频广播的各类标准
受对带宽的永不满足的需求和半导体技术（摩尔定律）的稳步改进的推动，无线通信标准提供的性能将随着时间的推移而提高，似乎毫无限制。这一点如图1所示。图1显示了粗箭头（从下到上）(WPAN)：无线个人局域网、无线局域网(WLAN)、无线大都域网(WMAN)和无线广域网或蜂窝网络(WWAN)。显然，在移动性下，比在高流动性下更容易或更快地实现更高的比率。
图1、各种无线接入标准
1.2.2无线终端将采用多种模式：市场视角
从用户的角度来看，拥有一个能够支持各种无线通信标准的单一手持设备是非常有吸引力的。为了满足用户的需求，手机在过去几年里已经开始支持多种模式。在第一个例子中，这是通过将多个无线电功能模块集成到一个手机中来实现的。图2中显示了一个很好的例子。显然，当无线电数量增加时，终端的成本、大小和重量就会受到多模式扩展的严重影响。无线电显然提供了一个更有效的解决方案，您可以重新配置（例如，软件定义的无线电），以访问几个无线电通信标准。
图2、具有独立无线电射频模块的诺基亚的多模式手机
市场预测，支持“SDR”手机的出货量在最初的几年种大幅增长，并在2010年真正“起飞”(见图3)。
图3、2007-2011年全球支持SDR的手机出货量
重要的是，从专用的无线电到可重构的无线电，带来了一个真正的范式转变！因此，制造商只有在预期有显著优势时才会有这个飞跃。也许他们甚至应该先“感受到痛苦”。在北美，随着CDMA和GSM系统的广泛应用，蜂窝标准的采用被广泛地分散。因此，在该地区，SDR的比例增长速度要快得多，如图4所示。 为了清晰和从完整性的角度来看，图5中给出了绝对数字（乐观情况）SDR启用的手机发货量的全球分布。显然，至于专用收音机，这是销量最大的市场位于亚太地区。
图4、2007-2011年北美支持SDR的手机出货量
图5、2007-2011年全球各个区域支持SDR的手机出货量
1.2.3多模式手机：启用无缝连接
图6、需要支持重新配置配置功能，以实现无处不在的无缝连接
可以在异构网络环境中实现普遍的无缝连接，条件是终端和网络都具有必要的重新配置功能，以支持水平（遵循一个标准的接入点之间）和垂直（操作不同标准的接入点之间）漫游。最近，已经收到了对重新配置支持的需求，注意具体的标准化措施，如图6所示。这证实了是由于满足用户对无缝连接的需求的技术答案。这些技术答案需要包括：多模式无线电：用户终端应包含能够生成不同标准中规定的不同波形的无线电。产生这些不同波形的一个解决方案是设想灵活的无线电。我们可以将把软件定义的无线电作为实现低功耗灵活无线电的解决方案。
重新配置的控制解决方案：灵活无线电的控制解决方案应确保可靠的连接，以最有效的方式分配可用资源。在这本书中，我们表达了应该在不同的osi层中考虑和优化这个挑战，并提出了一种实现跨层(XL)控制解决方案的方法。
除了无缝连接到一个服务之外，用户还希望在一个终端上享受多种服务：流媒体交互式连接（语音和视频）、高速数据访问、发射与接收和与近距离设备的短距离连接。据预测，早在2009年，手持设备就需要支持至少6种不同的无线电。总之，从功能的角度来看，需要有灵活性！
对通信方案的仔细检查（对关键无线标准的主要规范的总结见表2）表明，这一概念是相当具有挑战性的。
表2、各种无线接入标准的主要特征
事实上，比特率、调制格式、物理带宽和载波频率的多样性都很大。幸运的是，我们看到了宽带接入方案中一些共同的趋势，它们能够优化无线电的灵活性。例如，经常使用应用频域处理的调制方案用于在衰落的环境中实现高速率。此外，使用多天线处理，在其最先进的味道“多输入多输出”(MIMO)，正变得越来越普遍。对SDR前端和基带平台的评估和影响，将在本书的相关章节中进一步给出。1.3技术场景：实现可重构性的代价
1.3.1多用途设备扩展线
在不断增长的数据速率和对无线电系统功能灵活性的需求的同时，CMOS技术的进步在过去几十年里也见证了令人印象深刻的发展。戈登·e·摩尔在40年前就正确地预测过，芯片上的晶体管数量大约每两年就会增加一倍。他补充说：“(T)他的第一个微处理器只有2200个晶体管。... 我们看到下一代复杂的一百万倍——10亿个晶体管。这让我们在设计产品方面的灵活性是非凡的。这一发展在国际半导体技术路线图(ITRS路线图)中实现和详细说明。事实上，晶体管可以变得越来越小而且速度更快，见图7。扩展在小领域带来了巨大的处理能力，为以低成本和低功耗实现灵活的平台提供了机会。
图7、CMOS缩放使芯片更快
在过去的几十年里，“快乐扩展”为我们提供了更多的功能，同时更低了成本。然而，对于较新的工艺技术节点，与芯片上系统(SoC)设计相关的非循环工程(NRE)成本正呈指数级增长。这如图8中的掩模成本所示。
图8、芯片制造的掩码成本呈指数级增长
除了掩模成本外，预计将这样做的设计成本也大幅增加。不仅设计的复杂性在增加，而且CMOS扩展已经达到了寄生问题的主导地位：可变性、可靠性和最后但并非最不重要的泄漏。这些影响不能再在技术（晶体管）上解决，必须尽可能在设计阶段加以处理。表3中的“问题表”表明了哪些寄生效应预计会影响45nm和更小技术的模拟和数字设计。
表3、模拟和数字设计中的CMOS工艺缩放产生的寄生问题
今天，人们经常被问及这个问题，是否出于成本原因，规模化仍然是首选。然而，到目前为止，不断上升的NRE成本似乎已经被产量越来越高的事实所补偿。对于大众市场，比如移动终端设备，从技术节点x扩展到下一个x+1仍然必须具有竞争力(见图9)。
图9、芯片规模化为量产产品带来成本优势
当然，这也适用于多用途设备。在特定情况下，成本权衡已经显示了在为单模设备使用可重构无线电方面的成本优势：与NRE相比，额外的面积损失并不显著。“灵活的无线电极端分子（极端吗？）”甚至会声称，在从长远来看，没有专用的无线电可以存活下来。1.3.2多模式终端对硬件的要求
对于多模终端，显然，重用硅芯片的可能性，从而显著减少了整体面积，这使得选择灵活平台的理由更加有力。此外，其他成本因素也直接导致硬件重用：
组件数量和装配成本：一些愿景声称“所有成本将在装配中”。虽然目前的终端故障还没有显示出这一点，但直觉上我们可以预见未来这一成本将会增长。用一种灵活的无线电模块更换多个无线电模块，明显减少了组件的数量，从而降低了组装成本。
外形因素（尺寸和重量）：对平轻移动终端的追逐不变，需要支持越来越多的功能和无线电接口。多用途设备在未来带来了一个重要的，甚至可能是不可或缺的优势。
上市时间：新的标准、更新、满足不同地区口味的需求似乎每天都会出现，而设计一个全新的无线电则很容易需要数年的时间。如果重新设计可以用于重新配置和重新编程，那么进入市场的时间就可以令人印象深刻地减少。然而，隐藏在重编程中的努力绝对不应该被低估。
考虑到多模无线电的规模演变和限制，我们可以得出结论，成本具有可重构性，并将推动制造商走向未来无线终端的柔性（即灵活性）的无线电。
1.4将无线愿望与技术限制相结合：功率和频谱的挑战
1.4.1挑战
对功能灵活性日益增长的需求和与SoC设计相关的巨大成本，将使在SDR平台上实现多模无线电成为未来唯一可行的选择。
移动设备由电池供电，性能要求加上对能源效率的严重限制。这正成为一个关键的问题：由于电池技术的发展，可用能源与新兴无线电系统的能源需求之间存在着不断增长的差距(见图10).因此，一个主要的挑战是能够实现适合于低成本手持多媒体终端的能源可重构无线电实现。它们应该达到今天固定硬件实现的电池寿命，同时提供可靠的连接。
图10、应用所需能源和电池可用能源之间的能源差距正在扩大
除了能量约束外，频谱也已成为主要的资源瓶颈。频谱是一种稀缺的宝贵资源，在过去的几十年里已经被过度分配了。图11显示了3GHz以下的频谱分配示例，清楚地说明了拥塞现象。由于宽带个人通信的加速部署和对更高数据率的需求的不断增加，我们正走向一堵红砖墙。
图11、频谱资源分配快照：已无剩余空间
显然需要有效地利用频谱的新范例。目前的一个趋势是，由于许多许可频带的利用不足，它向动态和开放获取频谱的方向发展。这导致出现了认知无线电的概念（CR）。认知无线电基本上需要硬件和软件的灵活性支持，以及对可配置性的充分控制。
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