无线通信创新中的软件力量

前段时间有幸参加了亚研院的谭焜研究员关于"软件无线电"的讲座。在讲座中，谭老师详尽地介绍了研究院自行设计的软件无线电系统Sora的来龙去 脉，让我获益颇深。尽管在之前几个月的实习中我一直在Sora这个平台上工作，但都只是窥一斑，此次讲解才让我真正看到了全貌，理解也深入了。更让我启发 的是，谭老师结合自己的从"应用层转入物理层"的研究经历，阐述了计算机科学(CS)是如何进入到无线通讯这个通常属于电子工程(EE)的领域的。从这个 层面上，他认为软件无线电一定能给无线通信的发展注入革命性的力量。

我们知道，在现代的人类社会中，无线通讯多姿多态，无处不在。随便拿起 一个手机，上面可能就继承了多个不同的无线通讯模块, GSM/CDMA，Bluetooth，Wi-Fi…其它的通讯标准还有LTE, 3G, 4G, ZigBee, Wimax…复杂多样的标准让人头晕你是否想过有一天（这可能在2020年前就能真正发生），你的手机能够兼容所有的标准，当你需要某种资源时，你只需要 启动对应的软件就可以了！而这些软件又都是可以在线下载的。

要实现这种梦想，一种办法是把所能想到的无线通讯标准的硬件模块都集成在设备上。这种办法显然是不可行的。其一，标准这么多，要都集成的话设备的体积，能耗，效能都会出现问题；其二，不具备兼容性，当新标准出来你就只能拆手机了…

另 外一种办法就是传说中的软件无线电了。我们知道，一般的无线电系统，对于基带的处理（FFT,调制,编码等）都是由专用硬件芯片实现的。这是因为专用芯片 （如FPGA）有天然的优势:速度快，他们的问题是可编程性非常差，所以只能适用于单一的标准。如果我们能把这些以前只有专用芯片能实现的运算交给通用的 处理器（GPP），问题能否解决呢? 不然。通用处理器上的软件往往又很难达到专用芯片所能达到的速度，对实时处理的支持也很差。

历史上著 名的软件无线电有两套。一套是美国的莱斯大学（Rice University）所开发的WARP Platform，然而其一万美元/套的造价使开发者们望而生畏。另一套是开源世界中著名的GNURadio/USRP。它可以在低成本的射频硬件和通用 处理器上实现软件定义无线电。实际上它非常成功，广泛地应用于无线爱好者与开发人员。但人们也在抱怨，它的延迟和带宽非常有限，很难和真正的商用网卡匹 敌。

（专用FPGA+DSP芯片速度快，可变成性岔，通用处理器上的软件可编程性高，速度慢。如何达到速度快，可编程性高的Sweet Point?）

如 何才能达到上图中的Sweet-point呢？以谭焜研究员领头的 Sora开发小组注意到了计算机世界的变化：随着单个CPU核的计算能力逐渐达到瓶颈，摩尔定律并没有失效，而是在核的数量上依然发挥作用。同时，现代 PC bus技术的进步速度也超出了人们的想象，PCIeV2能够达到了5Gbps每条，即将出现的PCIeV3将会更快。Sora正是利用了以上两个计算机世 界中的技术发展，辅以多种多样的优化设计，如固化计算用以空间换时间，SIMD的数据并行计算，静态规划，核间流水线, 为实时处理设置专用核……把所有的这些结合在一起，把一台最不起眼的商用PC,变成了一个强大的软件无线电站，其速度能够与商用的产品匹敌。

在讲座的最后，谭焜研究员向我们分享一些在开发Sora过程中体悟到的一些心得:

1,"历史总会重复它自己",通用的计算平台总是能够战胜专用的平台,只要前者的计算能力能够达到应用的要求。想想二十年的多媒体计算，谁知道现在通用的CPU,GPU能够处理那么大，当时只有专用图形芯片才能处理的图和视频呢?

2,软件无线电的时代已经到来。软件无线电会把无线通讯的研究带来本质的变化。比较下硬件和软件的变革周期。20年间，Windows换了近10个版本,而无线通讯更新了不过三代(2G,3G,4G)。相信无线电变成"软"的之后，其变革周期一定能大大缩短。

3，一般人们认为,无线是属于电子工程(EE)的活，网络是属于计算机(CS)的活 。在未来无线和网络无缝程度会越来越高，只能独挡一面已经不行了。