隨著信息技術的發(fā)展，GSM，無線WiFi ，3G，LTE等技術已經(jīng)出現(xiàn)，我們已經(jīng)處在了一個無線電技術所包圍的空間中了。在2020年，各位看官能否想象那個時候我們的通訊設備跟通訊方式是什么樣的？敢問閣下有沒有想過以下的場景：

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

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

軟件無線電最先由Mitola于1992年提出。他認為軟件無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)議和應用，并能根據(jù)用戶需求動態(tài)的改變配置的無線電技術。他的這一創(chuàng)想受到了美國軍方的高度重視，并且很多無線電愛好者也用這樣的概念實現(xiàn)了FM/AM廣播的接收。慢慢地軟件無線電就這么開始起飛。

無線電的基本結構如下圖所示：

    天線負責接收/發(fā)送載波調(diào)制后的射頻信號，第一個模塊負責信號的頻率遷移（由基帶信號到載波信號，或由載波信號轉化到基帶信號）中間模塊負責基帶信號的處理，后面就是一些更加高層（網(wǎng)絡層、應用層等）的處理模塊。
那么，軟件無線電的基本結構就是把基帶處理的過程使用軟件來實現(xiàn)，從而達到可動態(tài)配置的要求。對應上圖中的各個模塊，軟件無線電的實現(xiàn)方式結構如圖：

    然而，通信技術的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)速率和實時性要求都很，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到了可是編程開發(fā)并不靈活。對于軟件無線電的研究人員來說，能找到一種在通用處理器上即可滿足數(shù)據(jù)速率和實時性要求的方式將意義非凡。

二、SORA（Software （Define）Radio）

 ——軟件無線電的里程

微軟亞洲研究院無線網(wǎng)絡組研發(fā)的SORA平臺，正是這么一種基于通用處理器的，支持多標準并能實現(xiàn)實時無線通信的平臺。sora的設計采用富于創(chuàng)造力卻又簡潔的方式，解決了一系列的技術難題，在國際上享有好評。

首先，大量的高保真的數(shù)字信號，要求系統(tǒng)的接口吞吐量巨大。其次，在通信中，數(shù)字信號處理涉及大量的算術運算（tens of giga operations per second），另外，在無線協(xié)議中，精確的時鐘控制和實時的要求很高，那么SORA是如何將一臺通用的PC變成一個強大的軟件無線電的平臺的呢？

SORA做的第一件事就是用存儲空間換取計算速度。例如，查找表（Look up table）的使用。在進行信道編碼時，802.11標準中，卷積碼的編碼沒一比特需要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果，8bits的數(shù)據(jù)只需兩條查表操作，極大地節(jié)省運算時間。SIMD（single instruction multiple data）使多數(shù)據(jù)執(zhí)行同一運算的時間縮短，例如FFT算法就是多組數(shù)據(jù)執(zhí)行同一運算的典型代表，這也是SORA加速運算過程的一大助手。SORA的另外一個設計關鍵在于將物理層的處理工作分配到兩個核中，如圖所示：

    兩個子流水線通過輕量級同步FIFO實現(xiàn)相互連接。每一個模塊的處理都是預先確定的，只需要采用靜態(tài)的線程調(diào)度。對于軟件來說，傳統(tǒng)操作系統(tǒng)使得它存在不確定性。例如，內(nèi)存和總線的爭用，中斷請求等可能會影響實時的性能。在SORA中，簡單的將足夠多的核分配用以物理層的信號處理，為實時性要求預留CPU以及內(nèi)存和緩存等，另外，把該線程的優(yōu)先級設置成為最高，那么它就不會被中斷，確保實時性的要求。

    顯然，SORA達到了一個sweet-point！
 
SORA獲得了NSDI’09 的最佳論文獎，最佳demo獎，SIGCOMM ’10最佳demo獎，被評價為”one of the most significant wireless papers”.針對學術領域的SORA Academic Kits于2010年發(fā)布，已經(jīng)有超過170個研究機構采用。它給軟件無線電帶來了一場變革。十幾年前，軟件無線電還只是一個幻想，然而，時至今日，我們已經(jīng)能在通用的PC上實現(xiàn)這樣的通信模式，正式因為sora的靈活性和可擴展性，它正引領著無線網(wǎng)絡研究領域的方向。對于科研工作者來說，有了一個軟件的平臺，嘗試各種新的想法將不再受到硬件平臺的約束，修改你的軟件，一切就可以了！研發(fā)的周期和代價將大大的降低，同時，它把軟件的創(chuàng)新速度帶到了無線領域，無疑將促成無線網(wǎng)絡研究領域的極大加速。
記住這個logo，相信有那么一天，它會改變你的溝通的模式！ 最后，再次感謝譚焜研究員的精彩報告

上小圖一張，以為留念！

 BY  Dongliang He