隨著信息技術(shù)的發(fā)展，GSM，無(wú)線WiFi ，3G，LTE等技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，我們已經(jīng)處在了一個(gè)無(wú)線電技術(shù)所包圍的空間中了。在2020年，各位看官能否想象那個(gè)時(shí)候我們的通訊設(shè)備跟通訊方式是什么樣的？敢問(wèn)閣下有沒(méi)有想過(guò)以下的場(chǎng)景：

如圖中所描述的，我們的通訊的終端只需要下載各種無(wú)線通信的軟件就可以支持該通信模式，靈活而又快捷。是滴，軟件無(wú)線電就可以做到這樣！

今天我們有幸邀請(qǐng)到微軟亞洲研究院無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組Lead Researcher譚焜研究員給我們介紹了軟件無(wú)線電(Software (Defined) Radio)的技術(shù)。他的工作讓我們看到不遠(yuǎn)的未來(lái)上述場(chǎng)景并不是天方夜譚。
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一、軟件無(wú)線電的歷史以及背景

軟件無(wú)線電最先由Mitola于1992年提出。他認(rèn)為軟件無(wú)線電是物理層行為由軟件定義的，支持完全可編程的數(shù)據(jù)流量控制，具有寬闊的頻率范圍，支持空中接口、協(xié)議和應(yīng)用，并能根據(jù)用戶需求動(dòng)態(tài)的改變配置的無(wú)線電技術(shù)。他的這一創(chuàng)想受到了美國(guó)軍方的高度重視，并且很多無(wú)線電愛(ài)好者也用這樣的概念實(shí)現(xiàn)了FM/AM廣播的接收。慢慢地軟件無(wú)線電就這么開(kāi)始起飛。

無(wú)線電的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

??? 天線負(fù)責(zé)接收/發(fā)送載波調(diào)制后的射頻信號(hào)，第一個(gè)模塊負(fù)責(zé)信號(hào)的頻率遷移（由基帶信號(hào)到載波信號(hào)，或由載波信號(hào)轉(zhuǎn)化到基帶信號(hào)）中間模塊負(fù)責(zé)基帶信號(hào)的處理，后面就是一些更加高層（網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等）的處理模塊。
那么，軟件無(wú)線電的基本結(jié)構(gòu)就是把基帶處理的過(guò)程使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到可動(dòng)態(tài)配置的要求。對(duì)應(yīng)上圖中的各個(gè)模塊，軟件無(wú)線電的實(shí)現(xiàn)方式結(jié)構(gòu)如圖：

??? 然而，通信技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)速率和實(shí)時(shí)性要求都很，傳統(tǒng)的GPP盡管可編程性能很好但是速率不好，而可編程芯片速率要求達(dá)到了可是編程開(kāi)發(fā)并不靈活。對(duì)于軟件無(wú)線電的研究人員來(lái)說(shuō)，能找到一種在通用處理器上即可滿足數(shù)據(jù)速率和實(shí)時(shí)性要求的方式將意義非凡。
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二、SORA（Software （Define）Radio）

——軟件無(wú)線電的里程

微軟亞洲研究院無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組研發(fā)的SORA平臺(tái)，正是這么一種基于通用處理器的，支持多標(biāo)準(zhǔn)并能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無(wú)線通信的平臺(tái)。sora的設(shè)計(jì)采用富于創(chuàng)造力卻又簡(jiǎn)潔的方式，解決了一系列的技術(shù)難題，在國(guó)際上享有好評(píng)。

首先，大量的高保真的數(shù)字信號(hào)，要求系統(tǒng)的接口吞吐量巨大。其次，在通信中，數(shù)字信號(hào)處理涉及大量的算術(shù)運(yùn)算（tens of giga operations per second），另外，在無(wú)線協(xié)議中，精確的時(shí)鐘控制和實(shí)時(shí)的要求很高，那么SORA是如何將一臺(tái)通用的PC變成一個(gè)強(qiáng)大的軟件無(wú)線電的平臺(tái)的呢？

SORA做的第一件事就是用存儲(chǔ)空間換取計(jì)算速度。例如，查找表（Look up table）的使用。在進(jìn)行信道編碼時(shí)，802.11標(biāo)準(zhǔn)中，卷積碼的編碼沒(méi)一比特需要8條抑或指令，然而，我們用32KB的存貯空間就可以存下所有的結(jié)果，8bits的數(shù)據(jù)只需兩條查表操作，極大地節(jié)省運(yùn)算時(shí)間。SIMD（single instruction multiple data）使多數(shù)據(jù)執(zhí)行同一運(yùn)算的時(shí)間縮短，例如FFT算法就是多組數(shù)據(jù)執(zhí)行同一運(yùn)算的典型代表，這也是SORA加速運(yùn)算過(guò)程的一大助手。SORA的另外一個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于將物理層的處理工作分配到兩個(gè)核中，如圖所示：

??? 兩個(gè)子流水線通過(guò)輕量級(jí)同步FIFO實(shí)現(xiàn)相互連接。每一個(gè)模塊的處理都是預(yù)先確定的，只需要采用靜態(tài)的線程調(diào)度。對(duì)于軟件來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)操作系統(tǒng)使得它存在不確定性。例如，內(nèi)存和總線的爭(zhēng)用，中斷請(qǐng)求等可能會(huì)影響實(shí)時(shí)的性能。在SORA中，簡(jiǎn)單的將足夠多的核分配用以物理層的信號(hào)處理，為實(shí)時(shí)性要求預(yù)留CPU以及內(nèi)存和緩存等，另外，把該線程的優(yōu)先級(jí)設(shè)置成為最高，那么它就不會(huì)被中斷，確保實(shí)時(shí)性的要求。

????顯然，SORA達(dá)到了一個(gè)sweet-point！
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SORA獲得了NSDI’09 的最佳論文獎(jiǎng)，最佳demo獎(jiǎng)，SIGCOMM ’10最佳demo獎(jiǎng)，被評(píng)價(jià)為”one of the most significant wireless papers”.針對(duì)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的SORA Academic Kits于2010年發(fā)布，已經(jīng)有超過(guò)170個(gè)研究機(jī)構(gòu)采用。它給軟件無(wú)線電帶來(lái)了一場(chǎng)變革。十幾年前，軟件無(wú)線電還只是一個(gè)幻想，然而，時(shí)至今日，我們已經(jīng)能在通用的PC上實(shí)現(xiàn)這樣的通信模式，正式因?yàn)閟ora的靈活性和可擴(kuò)展性，它正引領(lǐng)著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的方向。對(duì)于科研工作者來(lái)說(shuō)，有了一個(gè)軟件的平臺(tái)，嘗試各種新的想法將不再受到硬件平臺(tái)的約束，修改你的軟件，一切就可以了！研發(fā)的周期和代價(jià)將大大的降低，同時(shí)，它把軟件的創(chuàng)新速度帶到了無(wú)線領(lǐng)域，無(wú)疑將促成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的極大加速。
記住這個(gè)logo，相信有那么一天，它會(huì)改變你的溝通的模式！?最后，再次感謝譚焜研究員的精彩報(bào)告