Virtex-5FPGA設(shè)計Gbps無線通信技術(shù)基站

本文基于Virtex-5FPGA設(shè)計面向未來移動通信標(biāo)準(zhǔn)的Gbps無線通信基站系統(tǒng)，具有完全的可重配置性，可以完成MIMO、OFDM及LDPC等復(fù)雜信號處理算法，實(shí)現(xiàn)1Gbps速率的無線通信。

引言

隨著以TD-SCDMA為代表的3G移動通信全面進(jìn)入商用部署，LTE標(biāo)準(zhǔn)基本完成，華為、愛立信成功實(shí)現(xiàn)LTE標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場演示[1]，以LTE-A、IMT-Advanced為標(biāo)準(zhǔn)的下一代移動通信技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)的研發(fā)也已經(jīng)開始。

國際電信聯(lián)盟(ITU)已將3G之后的未來移動通信技術(shù)正式定名為IMT-Advanced，在2007年世界無線電大會為之分配了新頻段，并已經(jīng)在 2008年開始征集標(biāo)準(zhǔn)提案。中國也通過IMT-Advanced推進(jìn)組開始為ITU技術(shù)提案征集的準(zhǔn)備工作[2]，提出國內(nèi)技術(shù)提案應(yīng)具有高頻譜效率、低系統(tǒng)時延等特點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到：5-100MHz的可變系統(tǒng)帶寬;在固定和低速移動情況下支持1Gbps的峰值速率，在高速移動情況下支持 100Mbps;基站側(cè)最多8根天線，終端側(cè)最多4根天線;在移動性上最高支持500km/h的移動速度。

隨著技術(shù)研究與提案工作的進(jìn)行，基站系統(tǒng)的研發(fā)也已經(jīng)開始。本文研究工作依托于國家“863”計劃Gbps無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)與試驗系統(tǒng)研究開發(fā)項目，研制面向LTE-A、IMT-Advanced等未來移動通信標(biāo)準(zhǔn)，能夠驗證相關(guān)技術(shù)并達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)的新型移動通信基站原型。

Gbps無線通信系統(tǒng)的算法鏈路設(shè)計

為滿足未來移動通信標(biāo)準(zhǔn)的需要[3]，在算法鏈路上Gbps系統(tǒng)采用時分雙工(TDD)、多天線(MIMO)、空時編碼、正交頻分復(fù)用(OFDM)、高階調(diào)制和LDPC編碼等高性能物理層傳輸技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)Gbps系統(tǒng)所需的高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)傳輸和高頻譜效率。以頻分、時分為主的多址方式實(shí)現(xiàn)，能夠在多天線環(huán)境下對無線資源進(jìn)行靈活調(diào)配，在兼顧實(shí)時話音傳輸?shù)耐瑫r，最大程度上滿足分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

具體而言，Gbps系統(tǒng)使用3.4GHz頻段，實(shí)際帶寬100MHz，移動臺采用2發(fā)4收的天線，基站采用4發(fā)8收的天線，OFDM子載波數(shù)為2048子載波，有效為1664子載波。圖1是Gbps無線傳輸系統(tǒng)的算法鏈路示意圖。

圖1Gbps無線傳輸系統(tǒng)算法鏈路

Gbps基站系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)考慮

移動通信基站往往在一個站址上同時有GSM、TD-SCDMA等多種標(biāo)準(zhǔn)的基站，越來越多地呈現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)共存的局面，基站研發(fā)應(yīng)當(dāng)著眼于降低建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)和升級成本。對此，Gbps無線通信基站應(yīng)當(dāng)采用可重配置方式，在支持Gbps無線傳輸?shù)耐瑫r能夠兼容未來的LTE-A、IMT-Advanced標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)平滑演進(jìn)。

從實(shí)現(xiàn)技術(shù)上看，實(shí)現(xiàn)信號處理算法并支持可重配置需要可編程的處理器件，現(xiàn)代基站系統(tǒng)廣泛采用的可編程處理器以DSP和FPGA為主。盡管高端多核DSP 的工作時鐘頻率已經(jīng)提升到1.2GHz，在TD-SCDMA基站中得到廣泛應(yīng)用，但還是無法滿足Gbps系統(tǒng)中同步、MIMO、LDPC等算法對信號處理復(fù)雜度和實(shí)時性的要求。因此，Gbps項目需要采用大容量的高性能FPGA來作為復(fù)雜算法的承載平臺。

從基站系統(tǒng)的互連與數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制上看，互連連接所有的無線接口、網(wǎng)絡(luò)接口和計算資源，傳輸代表計算任務(wù)的數(shù)據(jù)，是使基站系統(tǒng)成為整體、協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)鍵要素。由于MIMO算法需要多天線輸入數(shù)據(jù)到多基帶處理芯片的傳輸，應(yīng)當(dāng)采用以交換式互連網(wǎng)絡(luò)和分組數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，更好滿足未來基站系統(tǒng)中MIMO、并行處理、動態(tài)可重配置、計算資源動態(tài)調(diào)度等的需要。

綜合以上設(shè)計實(shí)現(xiàn)考慮，經(jīng)過綜合調(diào)研考察，Gbps項目決定采用Xilinx公司Virtex-5系列FPGA構(gòu)架硬件系統(tǒng)平臺[4]，承載復(fù)雜的信號處理算法，采用串行RapidIO[5]技術(shù)作為板間高性能互連，采用千兆以太網(wǎng)(GE)連接業(yè)務(wù)服務(wù)器及LMT計算機(jī)。

Virtex-5FPGA介紹

Virtex-5系列FPGA是Xilinx率先發(fā)布和量產(chǎn)的65nm平臺FPGA，目前包括LX、LXT、SXT、FXT及TXT等面向不同應(yīng)用的多個子系列。

Virtex-5系列FPGA最高工作時鐘可以達(dá)到550MHz，總邏輯單元數(shù)多達(dá)330,000個。提供了高達(dá)11.6Mbit的靈活嵌入式BlockRAM，能有效地存儲和緩沖各種運(yùn)算數(shù)據(jù)。多達(dá)640個

增強(qiáng)型嵌入式DSP48Eslice塊，可以滿足高性能DSP算法加速的需要，實(shí)現(xiàn)352GMACs的性能。Virtex-5FXT系列FPGA提供多達(dá)兩個標(biāo)準(zhǔn)的PowerPC 440處理器模塊，每個處理器在550 MHz時鐘頻率下可提供1,100 DMIPS 的性能。利用PowerPC 440嵌入式處理器模塊，可快速方便地實(shí)現(xiàn)Gbps基站中復(fù)雜的控制和通信協(xié)議處理。

Virtex-5系列FPGA集成100Mbps–6.5Gbps的高性能收發(fā)器，配合FPGA內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)的串行RapidIO邏輯層模塊可以實(shí)現(xiàn)芯片間和板間高性能的數(shù)據(jù)交換互連。集成符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的10/100/1000Mbps以太網(wǎng)MAC硬核，連接外部GEPHY或直接使用 FPGA本身的GTP/GTX，就可以實(shí)現(xiàn)高性能的千兆以太網(wǎng)接口。

算法對資源的需求及FPGA型號的確定

分析Gbps算法鏈路中各算法的不同實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)并對運(yùn)算量以及使用的主要資源進(jìn)行估計，可以確定所需要使用的FPGA。表1是資源需求估計與FPGA選擇的結(jié)果，表2是目標(biāo)FPGA內(nèi)部資源情況的總結(jié)。

表1Gbps無線通信基站系統(tǒng)算法鏈路對FPGA資源的需求

其中，發(fā)送端的LDPC編碼和接收端的LDPC譯碼，主要是邏輯運(yùn)算，無需乘法器資源，因此采用Virtex-5中的LXT實(shí)現(xiàn)。同步、 FFT/IFFT、調(diào)制/解調(diào)、空時譯碼等算法需要消耗大量的乘法器資源，采用集成大量DSP48E模塊的SXT系列實(shí)現(xiàn)。MAC處理及網(wǎng)絡(luò)接口采用 FXT系列FPGA中的2個PowerPC440處理器以及內(nèi)嵌的千兆以太網(wǎng)硬核實(shí)現(xiàn)。采用FPGA片內(nèi)的PowerPC處理器，可以大大地降低外部電路設(shè)計的復(fù)雜度，降低物理層與MAC層間數(shù)據(jù)交換的復(fù)雜性，降低系統(tǒng)傳輸延遲，而且可以利用PowerPC處理器應(yīng)用處理加速單元(APU)實(shí)現(xiàn)定制的指令，極大地提高M(jìn)AC處理的效率。

表2基站中使用的Virtex-5FPGA資源及數(shù)量統(tǒng)計

基于Virtex-5FPGA設(shè)計的Gbps無線通信基站

圖2是設(shè)計完成的Gbps無線通信基站基帶處理系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖。

圖2Gbps無線通信基站基帶處理系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

根據(jù)算法需求分析的結(jié)果，Gbps基站系統(tǒng)最終以9片LX155T、17片SX95T、1片F(xiàn)X100TFPGA為中心構(gòu)建。其中用4片SX95T實(shí)現(xiàn)8 天線的接收同步/解幀/解時隙，每片F(xiàn)PGA處理2天線;用4片SX95T完成全部8天線的OFDM接收的IFFT及信道估計;用8片SX95T完成4發(fā) 8收的MIMO空時譯碼處理，用8片LX155T完成解調(diào)、解交織及LDPC譯碼;FX100T中的PowerPC440處理器完成MAC層收發(fā)數(shù)據(jù)處理;1片LX155T完成發(fā)送的LDPC編碼。所有FPGA均采用FF1136封裝，由于Virtex-5FPGA采用管腳兼容設(shè)計，SXT、LXT和 FXT可以直接替換，降低了PCB設(shè)計的工作量，增加了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。

ADC使用TI公司的11bit的ADS62P15，DAC使用ADI公司AD9779A，ADC、DAC采樣時鐘及FPGA工作時鐘頻率為122.88MHz。

Gbps基站系統(tǒng)的互連設(shè)計如下：ADC與同步FPGA間采用差分LVDS連接;各組同步/解幀/解時隙與信道估計/IFFT的FPGA以及空時譯碼與 LDPC譯碼FPGA之間直接采用48對差分LVDS連接;其余FPGA互連采用14端口SerialRapdIO交換機(jī)實(shí)現(xiàn)。Gbps基站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和接口整體采用高級電信計算架構(gòu)(ATCA)和SerialRapidIO構(gòu)建，模塊化的結(jié)構(gòu)和基于交換的互連使得系統(tǒng)可以方便地增加基帶處理板卡的數(shù)量或擴(kuò)展新的功能模塊。

結(jié)論

LTE、IMT-Advanced等未來移動通信系統(tǒng)要支持大量的寬帶用戶和極高的空中接口速率，使用MIMO、OFDM、LDPC等復(fù)雜的通信信號處理算法，具有動態(tài)可重配置、計算資源動態(tài)調(diào)度能功能，對基站的計算處理和互連提出了極高的要求。以單平臺多系列的Virtex-5系列FPGA為核心設(shè)計的 Gpbs無線通信基站，采用基于交換的互連和分組的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，可以驗證各種未來無線通信所使用的算法與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Gbps的無線傳輸通信。

參考文獻(xiàn)：

1.B.Johanssonand T. Sundin, "LTE Test bed," Ericsson Review, pp. 9-13,2007.

2.IMT-Advanced推進(jìn)工作組,IMT-Advanced技術(shù)征集通函,2007

3.PingZhang,Xiaofeng Tao, Jianhua Zhang, et al. A Vision from the FuTURE: Beyond 3G TDD. IEEE Communications Magazine Vol.43, Issue 1,Jan 2005:38～44

4.DS100Virtex-5Family Overview,www.xilinx.com

5.SamFuller著,王勇等譯.RapidIO 嵌入式系統(tǒng)互連[M ]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2006