不久前，我參加了一個同學的聚會。朋友們都是學計算機的，于是聊起來我現(xiàn)在在做什么。我說：“我在做無線研究。”

“哦，什么標準？” 

“什么標準也不是，” 我說，“我在做自己的無線物理層。”

“哦，你現(xiàn)在改行搞硬件了？”朋友很驚奇的問。 

“沒有，沒有，我不懂硬件。我純粹在寫軟件，用軟件做。”我試圖解釋。

“聽起來很酷。但，這，可能嗎？……”  

在過去的兩年里，類似的對話在我身邊經(jīng)常發(fā)生。每次當我向別人說我在通用PC上，用軟件的方法實現(xiàn)所有無線底層功能（即軟件無線電）時，大多數(shù)人都這樣表示懷疑。我完全理解，這樣的疑惑是很有道理的，因為如果在兩年前，我也會有同樣的懷疑。在人們的常識里，通用CPU并非設計用來進行數(shù)字信號處理工作的。因此，無線底層通訊中需要的高速信號處理應該是硬件電路和專用DSP處理器的專利。在我剛剛開始軟件無線電研究時，最好的軟件無線電系統(tǒng)才實現(xiàn)了幾百Kbps的窄帶數(shù)據(jù)通信；而我們的目標是高速寬帶的無線通訊系統(tǒng)，例如WiFi，在20MHz寬帶上達到54Mbps的數(shù)據(jù)率。這完全是兩個數(shù)量級以上的差別！

兩年之后的今天，我所在的微軟亞洲研究院無線與網(wǎng)絡組成功開發(fā)了一種名為“Sora”的軟件無線電系統(tǒng)。利用普通商用的PC平臺和通用的無線前端，我們在Sora上成功實現(xiàn)了IEEE802.11a/b/g全部物理層和媒體訪問層協(xié)議，并可以和商用硬件網(wǎng)卡進行無縫的通訊，并達到類似的性能。這項研究成果獲得了網(wǎng)絡界的頂尖會議NSDI 2009的最佳論文獎。2009年秋天，我們進一步在Sora平臺上實現(xiàn)了第四代無線通訊標準3GPP LTE的上行部分。這進一步說明了利用現(xiàn)有的多核CPU，我們不僅可以實現(xiàn)現(xiàn)有的無線標準，而且也可以用來實現(xiàn)未來的標準。 

圖1 Sora徽標。用中國篆體書寫的SORA英文字母

因此，當上述的對話進行到這里時，我微笑了一下，回答說，“是的，這太可能了。要知道，軟件無線電的時代到了。”
  

告訴你一個新名詞：軟件無線電

在傳統(tǒng)的無線通訊系統(tǒng)中，關鍵的底層操作，例如物理層的信號處理，和媒體訪問層控制，都基本上是用專用的硬件芯片來實現(xiàn)的。但是，專用的硬件芯片一旦設計生產(chǎn)，就無法修改了。而且，設計一款硬件芯片的成本非常高，因此僅有幾家大型的通訊公司有能力自行設計和制作通訊芯片。這極大地制約了無線技術的研究和發(fā)展，使得無線技術的升級換代需要十年，甚至更長的周期。而軟件無線電的思想則是在通用的計算平臺上（例如CPU），利用軟件程序完成大部分的無線底層功能。因為是軟件實現(xiàn)的，因此可以很方便的修改和升級。并且，通用處理器的發(fā)展速度遠遠超過專用硬件和處理器。這是因為通用處理器的背后有很廣大的市場驅動力，因此摩爾定律總是在通用處理器市場上發(fā)揮著主要的力量。

但是，通用處理器能夠完成高速的無線信號處理嗎？畢竟CPU不是為信號處理應用設計的。事實上，在Sora出現(xiàn)以前，人們普遍的看法是CPU的速度不夠，因此必須依賴專門的硬件設備。但Sora改變了人們對軟件無線電的看法。

Sora揭秘

如前所述，在通用處理器上實現(xiàn)高速的無線信號處理面臨著非常大的挑戰(zhàn)。首先，高速寬帶的無線信號需要很高的采樣率，因此需要高速的輸入輸出帶寬。現(xiàn)在大家常用的高速串行接口USB2.0可以支持400Mbps的速度，而為了實現(xiàn)WiFi，我們需要至少1.4Gbps的速度；而為了支持新的802.11n，我們需要5G~10Gbps的速率。其次，如何在通用CPU架構上實現(xiàn)高速數(shù)字信號處理算法也是一個開放課題。過去的一些簡單的計算表明實現(xiàn)802.11a需要的計算量已經(jīng)超過了現(xiàn)有最新CPU的能力。這也正是許多人對軟件無線電表示懷疑的原因。最后，無線系統(tǒng)是一個實時系統(tǒng)，因此要求軟件無線電也能夠精確的控制響應時間。這個實時要求的精確度在微秒級。而現(xiàn)在的操作系統(tǒng)能到達的實時性僅僅在毫秒級(有三個數(shù)量級的差距！)

Sora系統(tǒng)同時采用硬件和軟件技術來解決這些挑戰(zhàn)。首先，我們重新開發(fā)了一塊新的PC輸入輸出板卡，稱為無線控制板。無線控制板采用了最新的PCIe標準，可以實現(xiàn)10Gbps以上的傳輸速率，因此，可以滿足大部分無線技術的需要。無線控制板連接的無線收發(fā)天線和PC，并在它們之間高速地傳輸數(shù)據(jù)。
 

圖2 Sora基于PCIe接口的無線控制板

其次，我們考慮了無線信號處理算法的實現(xiàn)策略，采用了和硬件實現(xiàn)完全不同的方式。例如，在CPU架構上，我們大量的利用查找表的方式來加速算法；而這在硬件實現(xiàn)是不可想象的，因為在傳統(tǒng)硬件無線系統(tǒng)中，存儲器是一個稀有資源。Sora充分利用的現(xiàn)代CPU的多項特性，例如高速緩存和SIMD指令，并且同時可以利用多個CPU核并行加速算法的執(zhí)行。這些軟件優(yōu)化技術大大提高了信號處理算法在CPU上的執(zhí)行速度，從而可以滿足實時通訊的要求。

 最后，Sora采用了一項非常簡單但有效的方式來實現(xiàn)對實時性的支持。Sora可以將多核系統(tǒng)的幾個核從操作系統(tǒng)中分割出來。這些CPU核僅用來進行軟件無線電的操作，而操作系統(tǒng)無法再對這些核進行調度，因此軟件無線電的實時性得到了保障。 

圖3 Sora軟件無線電系統(tǒng)。完全基于一臺商用PC

Sora正名：勇敢的先驅

2008年9月，在我們已經(jīng)基本完成了軟件無線電系統(tǒng)的時候，項目組的成員們激動地聚在一起各抒己見，想給系統(tǒng)起個好名字。在此之前，我們都是用Microsoft Research Software Radio這個描述性的名字。大家討論了好久，都沒有什么好的主意。正在這個時候，由于我們使用多核的CPU，因此有人提議用Cora，但過去已經(jīng)有太多的研究項目叫Cora了。這時，突然有一名同事緊跟著建議道：“為什么不干脆叫Sora（SOftware Radio的前兩個字母組合）算了。”這一下倒醍醐灌頂了所有的人，大家都夸口稱贊：一個好名字的誕生往往就來自最簡單的靈感。

回到家里，我在因特網(wǎng)上搜索了一下，發(fā)現(xiàn)Sora是日文中“天空”的意思。同時，Sora也是迪斯尼動畫游戲“王國之心”的男主角。在故事中，這個十六歲的勇敢男孩，手持“鑰匙刀”，成為拯救世界的先驅。這些也正暗喻了我們對Sora軟件無線電系統(tǒng)的期望，希望它能啟發(fā)更多的靈感，開辟另一個天空，從而為推動整個無線系統(tǒng)研究作出貢獻。 

圖4  為了慶祝Sora獲得最佳論文獎，我們用所得的獎金制作的紀念文化衫。圖為文化衫背面圖案。上面寫著：你是Sora，想象力才是你的極限。

作者： 微軟亞洲研究院  譚焜   無線與網(wǎng)絡組