听微软亚州研究院谭焜研究员谈软件无线电
微软亚州研究院 2022-09-27
随着信息技术的发展,GSM,无线WiFi ,3G,LTE等技术已经出现,我们已经处在了一个无线电技术所包围的空间中了。在2020年,各位看官能否想象那个时候我们的通讯设备跟通讯方式是什么样的?敢问阁下有没有想过以下的场景:

如图中所描述的,我们的通讯的终端只需要下载各种无线通信的软件就可以支持该通信模式,灵活而又快捷。是滴,软件无线电就可以做到这样!


今天我们有幸邀请到微软亚洲研究院无线网络组Lead Researcher谭焜研究员给我们介绍了软件无线电(Software (Defined) Radio)的技术。他的工作让我们看到不远的未来上述场景并不是天方夜谭。

一、软件无线电的历史以及背景

软件无线电最先由Mitola于1992年提出。他认为软件无线电是物理层行为由软件定义的,支持完全可编程的数据流量控制,具有宽阔的频率范围,支持空中接口、协议和应用,并能根据用户需求动态的改变配置的无线电技术。他的这一创想受到了美国军方的高度重视,并且很多无线电爱好者也用这样的概念实现了FM/AM广播的接收。慢慢地软件无线电就这么开始起飞。

无线电的基本结构如下图所示:


天线负责接收/发送载波调制后的射频信号,第一个模块负责信号的频率迁移(由基带信号到载波信号,或由载波信号转化到基带信号)中间模块负责基带信号的处理,后面就是一些更加高层(网络层、应用层等)的处理模块。
那么,软件无线电的基本结构就是把基带处理的过程使用软件来实现,从而达到可动态配置的要求。对应上图中的各个模块,软件无线电的实现方式结构如图:


然而,通信技术的不断发展,数据速率和实时性要求都很,传统的GPP尽管可编程性能很好但是速率不好,而可编程芯片速率要求达到了可是编程开发并不灵活。对于软件无线电的研究人员来说,能找到一种在通用处理器上即可满足数据速率和实时性要求的方式将意义非凡。

二、SORA(Software (Define)Radio)

——软件无线电的里程

微软亚洲研究院无线网络组研发的SORA平台,正是这么一种基于通用处理器的,支持多标准并能实现实时无线通信的平台。sora的设计采用富于创造力却又简洁的方式,解决了一系列的技术难题,在国际上享有好评。

首先,大量的高保真的数字信号,要求系统的接口吞吐量巨大。其次,在通信中,数字信号处理涉及大量的算术运算(tens of giga operations per second),另外,在无线协议中,精确的时钟控制和实时的要求很高,那么SORA是如何将一台通用的PC变成一个强大的软件无线电的平台的呢?

SORA做的第一件事就是用存储空间换取计算速度。例如,查找表(Look up table)的使用。在进行信道编码时,802.11标准中,卷积码的编码没一比特需要8条抑或指令,然而,我们用32KB的存贮空间就可以存下所有的结果,8bits的数据只需两条查表操作,极大地节省运算时间。SIMD(single instruction multiple data)使多数据执行同一运算的时间缩短,例如FFT算法就是多组数据执行同一运算的典型代表,这也是SORA加速运算过程的一大助手。SORA的另外一个设计关键在于将物理层的处理工作分配到两个核中,如图所示:


两个子流水线通过轻量级同步FIFO实现相互连接。每一个模块的处理都是预先确定的,只需要采用静态的线程调度。对于软件来说,传统操作系统使得它存在不确定性。例如,内存和总线的争用,中断请求等可能会影响实时的性能。在SORA中,简单的将足够多的核分配用以物理层的信号处理,为实时性要求预留CPU以及内存和缓存等,另外,把该线程的优先级设置成为最高,那么它就不会被中断,确保实时性的要求。


显然,SORA达到了一个sweet-point!

SORA获得了NSDI’09 的最佳论文奖,最佳demo奖,SIGCOMM ’10最佳demo奖,被评价为”one of the most significant wireless papers”.针对学术领域的SORA Academic Kits于2010年发布,已经有超过170个研究机构采用。它给软件无线电带来了一场变革。十几年前,软件无线电还只是一个幻想,然而,时至今日,我们已经能在通用的PC上实现这样的通信模式,正式因为sora的灵活性和可扩展性,它正引领着无线网络研究领域的方向。对于科研工作者来说,有了一个软件的平台,尝试各种新的想法将不再受到硬件平台的约束,修改你的软件,一切就可以了!研发的周期和代价将大大的降低,同时,它把软件的创新速度带到了无线领域,无疑将促成无线网络研究领域的极大加速。
记住这个logo,相信有那么一天,它会改变你的沟通的模式!最后,再次感谢谭焜研究员的精彩报告

上小图一张,以为留念!

BYDongliang He



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