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基于赛灵思Virtex-5 FPGA的Gbps无线通信基站设计

随着以TD-SCDMA为代表的3G移动通信全面进入商用部署,LTE标准基本完成,华为、爱立信成功实现LTE标准的现场演示[1],以LTE-A、IMT-Advanced为标准的下一代移动通信技术、标准与系统的研发也已经开始。

  国际电信联盟(ITU)已将3G之后的未来移动通信技术正式定名为IMT-Advanced,在2007年世界无线电大会为之分配了新频段,并已经在2008年开始征集标准提案。中国也通过IMT-Advanced推进组开始为ITU技术提案征集的准备工作[2],提出国内技术提案应具有高频谱效率、低系统时延等特点,主要技术指标应达到:5-100MHz的可变系统带宽;在固定和低速移动情况下支持1Gbps的峰值速率,在高速移动情况下支持100Mbps;基站侧最多8根天线,终端
侧最多4根天线;在移动性上最高支持500km/h的移动速度。

  随着技术研究与提案工作的进行,基站系统的研发也已经开始。本文研究工作依托于国家“863”计划Gbps 无线传输关键技术与试验系统研究开发项目,研制面向LTE-A、IMT-Advanced等未来移动通信标准,能够验证相关技术并达到标准技术指标的新型移动通信基站原型。

  Gbps无线通信系统的算法链路设计

  为满足未来移动通信标准的需要[3],在算法链路上Gbps系统采用时分双工(TDD)、多天线(MIMO)、空时编码、正交频分复用(OFDM)、高阶调制和LDPC编码等高性能物理层传输技术,以实现Gbps系统所需的高数据速率业务传输和高频谱效率。以频分、时分为主的多址方式实现,能够在多天线环境下对无线资源进行灵活调配,在兼顾实时话音传输的同时,最大程度上满足分组数据传输的需要。

  具体而言,Gbps系统使用3.4GHz频段,实际带宽100MHz,移动台采用2发4收的天线,基站采用4发8收的天线,OFDM子载波数为2048子载波,有效为1*子载波。图1是Gbps无线传输系统的算法链路示意图。

Gbps无线传输系统算法链路


图 1 Gbps无线传输系统算法链路
  
  Gbps基站系统的设计实现考虑

  移动通信基站往往在一个站址上同时有GSM、TD-SCDMA等多种标准的基站,越来越多地呈现多标准共存的局面,基站研发应当着眼于降低建设、运营维护和升级成本。对此,Gbps无线通信基站应当采用可重配置方式,在支持Gbps无线传输的同时能够兼容未来的LTE-A、IMT-Advanced标准,实现平滑演进。

  从实现技术上看,实现信号处理算法并支持可重配置需要可编程的处理器件,现代基站系统广泛采用的可编程处理器以DSP和FPGA为主。尽管高端多核DSP的工作时钟频率已经提升到1.2GHz,在TD-SCDMA基站中得到广泛应用,但还是无法满足Gbps系统中同步、MIMO、LDPC等算法对信号处理复杂度和实时性的要求。因此,Gbps项目需要采用大容量的高性能FPGA来作为复杂算法的承载平台。

  从基站系统的互连与数据传输机制上看,互连连接所有的无线接口、网络接口和计算资源,传输代表计算任务的数据,是使基站系统成为整体、协调运行的关键要素。由于MIMO算法需要多天线输入数据到多基带处理芯片的传输,应当采用以交换式互连网络和分组数据传输机制,更好满足未来基站系统中MIMO、并行处理、动态可重配置、计算资源动态调度等的需要。

  综合以上设计实现考虑,经过综合调研考察,Gbps项目决定采用Xilinx公司Virtex-5系列FPGA构架硬件系统平台[4],承载复杂的信号处理算法,采用串行RapidIO[5]技术作为板间高性能互连,采用千兆以太网(GE)连接业务服务器及LMT计算机。

  赛灵思Virtex-5 FPGA介绍

  Virtex-5系列FPGA是Xilinx 率先发布和量产的65nm 平台FPGA,目前包括LX、LXT、SXT、FXT及TXT等面向不同应用的多个子系列。

  Virtex-5系列FPGA最高工作时钟可以达到550MHz,总逻辑单元数多达330,000个。提供了高达11.6 Mbit的灵活嵌入式Block RAM,能有效地存储和缓冲各种运算数据。多达 640个增强型嵌入式DSP48E slice块,可以满足高性能DSP算法加速的需要,实现352 GMACs的性能。Virtex-5 FXT系列FPGA提供多达两个标准的PowerPC 440处理器模块,每个处理器在550 MHz时钟频率下可提供1,100 DMIPS 的性能。利用PowerPC 440嵌入式处理器模块,可快速方便地实现Gbps基站中复杂的控制和通信协议处理。

  Virtex-5系列FPGA集成100Mbps–6.5Gbps的高性能收发器,配合FPGA内部编程实现的串行RapidIO逻辑层模块可以实现芯片间和板间高性能的数据交换互连。集成符合IEEE 802.3标准的10/100/1000Mbps以太网MAC硬核,连接外部GE PHY或直接使用FPGA本身的GTP/GTX,就可以实现高性能的千兆以太网接口。

  算法对资源的需求及FPGA型号的确定


(责任编辑:ioter)

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