为什么说软件无线电时代即将来临？未来的标准是什么？

我完全理解，这样的疑惑是很有道理的，因为如果在两年前，我也会有同样的怀疑。在人们的常识里，通用CPU并非设计用来进行数字信号处理工作的。因此，无线底层通讯中需要的高速信号处理应该是硬件电路和专用DSP处理器的专利。在我刚刚开始软件无线电研究时，最好的软件无线电系统才实现了几百Kbps的窄带数据通信；而我们的目标是高速宽带的无线通讯系统，例如WiFi，在20MHz宽带上达到54Mbps的数据率。这完全是两个数量级以上的差别！
两年之后的今天，我所在的微软亚洲研究院无线与网络组成功开发了一种名为“Sora”的软件无线电系统。利用普通商用的PC平台和通用的无线前端，我们在Sora上成功实现了IEEE802.11a/b/g全部物理层和媒体访问层协议，并可以和商用硬件网卡进行无缝的通讯，并达到类似的性能。这项研究成果获得了网络界的顶尖会议NSDI 2009的最佳论文奖。2009年秋天，我们进一步在Sora平台上实现了第四代无线通讯标准3GPP LTE的上行部分。这进一步说明了利用现有的多核CPU，我们不仅可以实现现有的无线标准，而且也可以用来实现未来的标准。

图1 Sora徽标。用中国篆体书写的SORA英文字母
因此，当上述的对话进行到这里时，我微笑了一下，回答说，“是的，这太可能了。要知道，软件无线电的时代到了。”
  
告诉你一个新名词：软件无线电
在传统的无线通讯系统中，关键的底层操作，例如物理层的信号处理，和媒体访问层控制，都基本上是用专用的硬件芯片来实现的。但是，专用的硬件芯片一旦设计生产，就无法修改了。而且，设计一款硬件芯片的成本非常高，因此仅有几家大型的通讯公司有能力自行设计和制作通讯芯片。这极大地制约了无线技术的研究和发展，使得无线技术的升级换代需要十年，甚至更长的周期。而软件无线电的思想则是在通用的计算平台上（例如CPU），利用软件程序完成大部分的无线底层功能。因为是软件实现的，因此可以很方便的修改和升级。并且，通用处理器的发展速度远远超过专用硬件和处理器。这是因为通用处理器的背后有很广大的市场驱动力，因此摩尔定律总是在通用处理器市场上发挥着主要的力量。
但是，通用处理器能够完成高速的无线信号处理吗？毕竟CPU不是为信号处理应用设计的。事实上，在Sora出现以前，人们普遍的看法是CPU的速度不够，因此必须依赖专门的硬件设备。但Sora改变了人们对软件无线电的看法。

Sora揭秘
如前所述，在通用处理器上实现高速的无线信号处理面临着非常大的挑战。首先，高速宽带的无线信号需要很高的采样率，因此需要高速的输入输出带宽。现在大家常用的高速串行接口USB2.0可以支持400Mbps的速度，而为了实现WiFi，我们需要至少1.4Gbps的速度；而为了支持新的802.11n，我们需要5G~10Gbps的速率。其次，如何在通用CPU架构上实现高速数字信号处理算法也是一个开放课题。过去的一些简单的计算表明实现802.11a需要的计算量已经超过了现有最新CPU的能力。这也正是许多人对软件无线电表示怀疑的原因。最后，无线系统是一个实时系统，因此要求软件无线电也能够精确的控制响应时间。这个实时要求的精确度在微秒级。而现在的操作系统能到达的实时性仅仅在毫秒级(有三个数量级的差距！)
Sora系统同时采用硬件和软件技术来解决这些挑战。首先，我们重新开发了一块新的PC输入输出板卡，称为无线控制板。无线控制板采用了最新的PCIe标准，可以实现10Gbps以上的传输速率，因此，可以满足大部分无线技术的需要。无线控制板连接的无线收发天线和PC，并在它们之间高速地传输数据。



图2 Sora基于PCIe接口的无线控制板
其次，我们考虑了无线信号处理算法的实现策略，采用了和硬件实现完全不同的方式。例如，在CPU架构上，我们大量的利用查找表的方式来加速算法；而这在硬件实现是不可想象的，因为在传统硬件无线系统中，存储器是一个稀有资源。Sora充分利用的现代CPU的多项特性，例如高速缓存和SIMD指令，并且同时可以利用多个CPU核并行加速算法的执行。这些软件优化技术大大提高了信号处理算法在CPU上的执行速度，从而可以满足实时通讯的要求。
最后，Sora采用了一项非常简单但有效的方式来实现对实时性的支持。Sora可以将多核系统的几个核从操作系统中分割出来。这些CPU核仅用来进行软件无线电的操作，而操作系统无法再对这些核进行调度，因此软件无线电的实时性得到了保障。

图3 Sora软件无线电系统。完全基于一台商用PC
Sora正名：勇敢的先驱
2008年9月，在我们已经基本完成了软件无线电系统的时候，项目组的成员们激动地聚在一起各抒己见，想给系统起个好名字。在此之前，我们都是用Microsoft Research Software Radio这个描述性的名字。大家讨论了好久，都没有什么好的主意。正在这个时候，由于我们使用多核的CPU，因此有人提议用Cora，但过去已经有太多的研究项目叫Cora了。这时，突然有一名同事紧跟着建议道：“为什么不干脆叫Sora（SOftware Radio的前两个字母组合）算了。”这一下倒醍醐灌顶了所有的人，大家都夸口称赞：一个好名字的诞生往往就来自最简单的灵感。
回到家里，我在因特网上搜索了一下，发现Sora是日文中“天空”的意思。同时，Sora也是迪斯尼动画游戏“王国之心”的男主角。在故事中，这个十六岁的勇敢男孩，手持“钥匙刀”，成为拯救世界的先驱。这些也正暗喻了我们对Sora软件无线电系统的期望，希望它能启发更多的灵感，开辟另一个天空，从而为推动整个无线系统研究作出贡献。

图4  为了庆祝Sora获得最佳论文奖，我们用所得的奖金制作的纪念文化衫。图为文化衫背面图案。上面写着：你是Sora，想象力才是你的极限。
作者： 微软亚洲研究院  谭焜   无线与网络组