从频谱共享到5G研发：介绍NI的软件无线电（SDR）平台

虽然软件无线电（Software-Defined Radio, SDR）早已不是什么新鲜概念了，但SDR究竟是什么，它能做什么，基于SDR技术的实物具体有哪些，这些问题的答案至今似乎也不是那么显而易见、人尽皆知。近日，我们会访了美国国家仪器（National Instruments，简称NI）的两位专家，他们向我们介绍了NI的SDR平台产品，让我们对SDR技术有了更清晰的认识。

Manuel Uhm先生是NI子公司Ettus Research的营销总监，还担任无线创新论坛（以前称为SDR论坛）的首席营销官。无线创新论坛负责美国军用无线电的软件通信架构标准和用于海军雷达和海军陆战队员之间频谱共享的CBRS商业宽带服务。屠方泽先生是NI技术市场工程师，负责射频和无线业务，曾参与过多个射频相关项目，包括128天线大规模MIMO系统、毫米波系统以及无线手机测试系统。

Uhm先生介绍说，SDR的宽泛定义是：通过软件来定义通信物理层的一部分或者全部。按照这个定义，目前所有的商用基站都是SDR设备：它们有通用的FPGA，可以对物理层做相关的更改。除了基站以外，我们使用的终端也可以理解为软件定义的无线电设备。

具体到NI的SDR产品，基本上都是一些仪器设备，通常用于通信产品研发、军工设备和产品测试，从便携性应用的到极强射频性能的都有覆盖，如下图所示。



我们注意到，这些设备可归为两类。一类是各种USRP平台，另一类是VST、VSA和mmWave等射频仪器平台。通过NI软件定义无线电平台，可以覆盖包括商业用户、通信行业设备上、研究机构和院校等不同行业用户的需求。

从软件层面看，USRP平台的客户非常重视产品的开源属性，他们需要底层代码，所以此类产品通常运行GNU Radio开源开发工具。相比之下，NI品牌下的产品则通常运行LabVIEW，该图形化软件让开发工作变得更容易。屠方泽先生介绍说，NI是个平台化的厂商，所以会根据客户的需求去选择不同的软件工具。由于Ettus Research品牌在开源圈内具有很高的认知度，所以并购后这个品牌依旧保留。

频谱共享

Uhm先生介绍说，认知无线电（cognitive radio）是软件无线电的一个重要领域，其典型应用是频谱共享。美国有一个CBRS项目，它是Citizens Broadband Radio Service（公民宽带无线电服务）的缩写。CBRS允许任何人共享美国海军目前使用的大量频谱。美国军舰雷达占用了一些频谱，但这些频谱在多数情况下是闲置的，其利用率很低，因为并不是随时都有海军的军舰出现在海岸线上。今年2月，诺基亚、Alphabet和高通利用这些频谱测试了LTE技术，对拉斯维加斯的一场汽车拉力赛进行了高清视频直播。

频谱共享的前提是基站必须有能力识别军用雷达信号，在该信号出现时通过调整频率来进行规避，这就是认知无线电技术。Uhm先生说，未来的无线电平台一定会越来越智能，结合人工智能的芯片和方案，实现自主的无线电传输。另一方面，系统测试也会越来越偏重人工智能。在五年、十年后的未来，目前在固定频段内进行传输的LTE、蓝牙、wifi会通过人工智能的方式不停地变化它需要的频段，所以测试方案也会变得越来越智能。

USRP平台中最新的N310就具备频谱分享（如CBRS）功能。它可以被分散布置在广阔的区域，无需本地操作，远程即可进行故障排除，具有高可靠和容错特性。



USRP N310据称是目前通道数量密度最高的SDR产品之一，在一个0.5U的高度内提供4发4收通道，每个通道提供高达100MHz的瞬时带宽，并涵盖10MHz到6GHz的扩展频率范围。USRP N310采用Xilinx公司的Zynq-7100 SoC进行基带处理，可编程的FPGA满足实时处理和低延迟要求。

5G原型与测试

前面提到的NI的大带宽、高性能SDR仪器可用于5G移动通信的研究与测试，包括NI VST、VSA和mmWave等平台。软件方面则以LabVIEW为主要开发平台。屠方泽先生介绍说，很多5G研究项目都采用LabVIEW，这是因为客户需要完整的工具链，而NI已经搭好了这个系统平台，让用户能够快速地将他们的算法进行验证，这是LabVIEW最擅长的。

他说，5G到来之后，通信协议变得越来越多，对测试工作提出了新的挑战。第一是测试案例的增加，第二是带宽的需求会变大，第三个是对测试的时间要求很高，要让产品快速进入市场。NI密切跟进3GPP的协议，让产品快速符合3GPP的标准。SDR技术的应用使得这一切成为可能。

屠方泽先生介绍说，NI很早就投入5G技术的研究，2010年就成立了射频领先计划，与国内外很多用户开展大规模MIMO和毫米波系统等研究项目。这些合作伙伴包括国外的诺基亚、英特尔、Facebook，以及国内的东南大学、北京邮电大学等机构。在大规模MIMO方面，NI与隆德大学、Intel、东南大学等合作。在毫米波方面，NI与诺基亚、北京邮电大学和某些中国领先的通信厂商合作展开相关研究。

近期，NI与国内外重点的芯片厂商、研究机构、终端厂商都有相应合作，进行5G芯片研发、芯片测试和终端测试工作。例如，NI刚刚与三星合作进行了互操作性测试，与Qorvo合作演示了射频前端模块的测试。Qorvo这个业界首个5G射频前端模块QM19000的工作频率范围是3.3~4.2GHz，带宽400MHz，集成了发送PA和接收LNA。NI的PXI测试系统则包括PXIe-5840 6.6 GHz VST、PXIe-4139 ±60V/3A SMU和PXIe-6570 数字模式仪表。该模块的成功测试使得5G移动通信技术向商业化应用又迈进了一步。