一种基于sdr的新型云计算网络系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明专利涉及移动通信领域，尤其是涉及一种基于SDR的新型云计算网络系统及其方法。
【背景技术】
[0002]随着无线通信的不断发展，出现了越来越多的无线接入方式，包括femt0Cell、3G、LTE、WIF1、WiMAX等等，而且无线协议仍在不断发展演进，由于协议的定义是和具体化的ASIC硬件紧密结合的，不同协议的信号差异很大，例如工作频段、调制方式、波形结构、编码方式或加密方式等不同，所以协议的变化通常需要更换基站。在目前的网络中，协议和网络密度的变化是连续的(每隔数月)(例如城市的一个地区的基站数目)以提供高容量和均匀覆盖。而为这样密集的网络在物理上和频率上升级基站或部署新基站是昂贵的，需要耗费巨大的人力物力成本，而且现在已经存在了之前所布局的基站设备，如果再增加数量布置更多的无线基站设备，不能保证部署方式会完全合理，无论布局费用还是效果都有很大的问题。为了解决多种无线接入方式的共通性问题，软件无线电(SDR，Software DefinedRad1)技术应运而生。
[0003]所谓软件无线电，就是说其通路的调制波形是由软件确定的，即软件无线电是一种用软件实现物理层连接的无线通信设计。软件无线电的核心是将宽带A/D、D/A尽可能靠近天线，用软件实现尽可能多的无线电功能；其中心思想是在一个标准化、模块化的通用硬件平台上，通过软件编程，实现一种具有多通路、多层次和多模式无线通信功能的开放式体系结构。应用软件无线电技术，一个移动终端可以在不同系统和平台间畅通无阻地使用，为多种无线接入方式共存下终端的接入及基站升级提供了良好的解决方案。
[0004]随着软件无线电技术的发展和人们的广泛关注，为了使研究人员更加便捷地利用软件无线电技术开展研究，GNU开源组织构建和部署了开源软件无线电开发平台，也即GNURad1,旨在使学术机构或商业机构更加简单地构建与研究自己的无线通信系统。同时，GNURad1项目还开发了通用软件无线电外设(USRP)。其中，USRP充当一个无线电通讯系统的数字基带和中频部分，通过其上的天线完成信号最基本的发送和接收，所有诸如数字上下变频、抽样和内插等高速通用操作在USRP的FPGA芯片上完成；而6斯Rad1软件平台提供信号运行和处理模块，通过在易制作的低成本的射频(RF)硬件和通用微处理器上部署GNURad1就可以实现软件定义无线电，完成所有波形相关方面的处理，如调制与解调、编码等。因为通用的硬件平台WPUSRP)只负责信号收发与变频等与具体的网络协议无关的通用操作，因此只需要在GNU Rad1的信号处理软件编写层面，根据不同网络协议中所规定的对数据的处理方法，编写相应的信号处理程序，就能完成对使用不同网络协议的支持，而无需在硬件层面做任何变更。
[0005]通过这种软件无线电技术，就可以构建可编程的软基站，传统基站中的信号收发工作可由USRP完成，传统基站中的信号处理工作由部署了 GNU Rad1软件平台的PC或者其他有处理能力的硬件完成，通过在GNU Rad1软件平台上编写相应的信号处理模块即可完成波形变换等的处理工作。当需要进行协议变迀或升级时，只需对软基站中GNU Rad1平台上的软件模块进行修改或者变更即可，而无需再更换升级硬件(即USRP)。通过这种可编程的软基站就很好地解决了之前所提到的由于协议升级所带来的巨大人力物力成本，同时也大大降低了通信系统开发的复杂度，软件实现的方式也有效提升了通信系统的灵活性。
[0006]但是，由于现有基于软件无线电技术实现的可编程软基站大多由USRP与部署了GNU Rad1的PC组成，复杂的软件信号处理工作均由PC上的处理器完成；但由于现有的PC处理能力有限，当协议比较复杂时，单个PC的处理能力就极大地限制了软基站的整体处理能力，在当前人们对数据处理速度与业务体验等的要求日益提高的背景下，这种限制是致命的，这也是目前软基站还难以应用在实际的商业场景中的原因。
[0007]因此针对现有软基站处理能力的瓶颈问题，本发明提出了一种基于SDR的云计算网络系统及其方法，采用多个PC搭建的分布式云计算平台，将传统的软基站中原本由单个PC承担的信号处理工作，分发到所提出的云计算平台上，通过分载计算量提高软基站信号处理的速度，使可编程软基站的性能得到本质的提升，从而使其具备实际应用的可能。
【发明内容】
[0008](一 )要解决的技术问题
[0009]本发明的目的在于提供一种基于软件无线电的网络系统及信号处理方法，该网络系统由基于软件无线电技术的可编程的软基站、分布式的云计算平台、核心网、IP互联网(Internet)组成。首先利用USRP硬件与通用微处理器(以下均以PC，即个人电脑为例进行说明)相连完成软基站的搭建，并将多个PC计算资源联合构成分布式的云计算平台，把原本在单台PC上的计算任务分配到云计算平台上完成，理论上克服单台PC上CPU处理性能的局限，大大节省信号的处理时间，从而解决软基站信号处理效率低下的问题，达到提升可编程软基站整体性能的目标。
[0010](二)技术方案
[0011]根据本发明的一个方面，提出了一种基于SDR的新型云计算网络系统，该系统包括:可编程软基站，其由软件无线电外设USRP和PC构成，其中软件无线电外设USRP连接到PC，USRP用于完成信号收发、变频及模数转换，PC用于对从USRP接收的信号进行信号处理，并将信号处理所产生的计算任务分配给分布式云计算平台，USRP由母板和子板构成，子板用于射频信号的接收/发送以及到中频的转换，母板用于中频采样以及中频信号到基带信号之间的互相转换；分布式云计算平台，由多个电脑主机PC相互连接构成，共享计算资源，用于从可编程软基站中的PC接收计算任务，并将计算结果返回给可编程软基站中的PC ;用户设备，其通过所述可编程软基站发送和接收信号；核心网和互联网，其中可编程软基站通过该核心网与互联网进行数据通信。
[0012]根据本发明的另一个方面，提出了一种基于SDR的信号处理方法，该方法包括:步骤1，UE向可编程软基站发送模拟高频信号，可编程软基站中USRP通过天线接收到该信号，该可编程软基站由USRP和PC构成，USRP连接到PC，USRP包括子板和母板；步骤2，USRP上的子板将接收到的模拟高频信号下变频至模拟中频；步骤3，USRP母板上的ADC芯片经过模数转换将模拟中频信号转换为数字中频信号；步骤4，USRP母板上的FPGA芯片将ADC芯片采集来的数字中频信号进行数字下变频至基带信号，并对样值进行可变速率的抽取以符合用户对信号带宽的要求；步骤5，USRP通过网线将数字基带信号传输至可编程软基站中的PC，PC根据接收到的数据包所属的协议进行相应的处理，并将处理任务分发给分布式的云计算平台，云计算平台将计算结果返回给该PC ;步骤6，PC通过网线将处理好的数据包传送给USRP，通过数字上变频、数模转换、模拟上变频后经由USRP的子板完成信号发送，信号经过核心网到达互联网，完成从UE到互联网的数据请求。
[0013]根据本发明的再一方面，提出了一种基于SDR的信号处理方法，该方法包括:步骤1，来自互联网的数据经由核心网以模拟高频信号的形式发送给可编程软基站，可编程软基站中的USRP通过天线接收到该信号，该可编程软基站由USRP和PC构成，USRP连接到PC，USRP包括子板和母板；步骤2，USRP上的子板将接收到的模拟高频信号下变频至模拟中频；步骤3，USRP母板上的ADC芯片经过模数转换将模拟中频信号转换为数字中频信号；步骤4，USRP母板上的FPGA芯片将ADC芯片采集来的数字中频信号进行数字下变频至基带信号，并通过层叠梳状滤波器(CIC)