软件无线电技术与可重配置计算体系结构
互联网 2022-09-22
1.技术趋势
  现代无线通信的主体是移动通信。参照ITU建议M1225,移动通信是在复杂多变的移动环境下工作的,因此必须考虑严重的时变和多径传播的影响。在现代无线通信系统中,特别是在码分多址(CDMA)系统中,为了提高系统容量,提高系统灵敏度和在较低的发射功率下获得较远的通信距离,一般都希望使用智能天线与联合检测技术。
  在许多公开发表的技术文献中,都涉及到对智能天线的波束赋形算法的研究,其研究结论是功能越强则算法越复杂。然而在移动通信环境下,联合检测技术和波束赋形是必须实时完成的,且完成算法的时间只能以微秒计算。而受现代微电子技术水平的限制,在如此短的时间内,数字信号处理器(DSP)或专用芯片(ASIC)还不能实现过于复杂的实时处理。
  另一方面,移动通信技术和标准还在不断提出和更新,软件无线电技术日益受到高度重视。美国FCC甚至发文要求各公司对此技术的应用提供方案。如何用DSP(数字信号处理器)或FPGA(现场可编程逻辑阵列)等其他可编程器件,在公共硬件平台上解决各种不同制式的空间接口已成为很多世界各国通信公司研究的主要课题。
  过去,无线通信系统的设计多采用静态设计,只能在规定范围内的特定频段上使用专用调制器、编码器和信道协议。即使是双频、三频蜂窝电话也只在预先定义的两个或三个标准之间切换。静态设计通常是根据最坏情况的设计,在情况良好时就不能充分利用射频频谱。例如,若背景噪声比最恶劣的情况小,就可能出现许多不必要的纠错编码,这样就不能获得最高的比特率。这种情况对无线应用系统的影响比有线应用系统更严重,因为无线传输更易于受噪声、干扰和衰减的影响。理想的软件无线电能动态适应传输系统的任一环节的变化,如调制、编码、信道协议及带宽,等等,并能够适应实时性变化,最大程度地利用有效频谱。已有专家预测,在未来几年内,依靠传统的专用芯片来制造移动通信无线设备的概念将受到重大冲击。而且,软件无线电不仅用于用户终端,解决多模手持机的问题,它还将使用于无线基站。特别是在第三代移动通信技术和标准都还在不断更新的最近几年内,只有使用软件无线电技术,才可能使产品跟上技术的发展,并适应不同的标准和环境、网络通信负荷,以及用户需求的变化。
  在现阶段软件无线电结构体系的构建中,已有研究表明可编程逻辑器件具有较好的性能,尤其是针对高并行性运算比目前广泛使用的DSP在性能上具有明显的优势,前者不但可以提高运算速度,更重要的是它可通过有效而灵活的设计方法提高系统硬件的整体工作效率,即尽可能使系统中所有逻辑资源处于有效工作状态,降低系统功率。这是目前一些专用芯片以至DSP都无法比拟的。
2.软件无线电技术的实现平台
  在软件无线电技术的实现中,目前主流的硬件技术是通用信号处理器(以DSP为代表)和现场可编程逻辑阵列(以FPGA为代表)。虽然,现阶段两种技术作为软件无线电实现平台还都有各自的局限性,以下对比两种技术在实现软件无线电的一些特点:
  由于软件无线电技术基带设计中大量使用乘加运算,DSP在完成这种乘加运算时, 一般需要进行以下操作:
  1=>读存储器, 取操作数,取指令
  2=>运算
  3=>写存储器,存储运算结果
  为了提高运算速度,人们一般希望在一个指令周期中能够多次进行存储器读写操作,以尽量缩短非运算时间。
  目前DSP广泛采用了哈佛结构和改进的冯·诺伊曼结构,能够支持在一个指令周期进行多次存取操作,这种体系结构适用于非关联性顺序算法的实现。当采用一个只能分时运行的数字信号处理器时,调度多个时间要求紧迫的任务需要非常复杂的编程。尤其是,当算法模块关联多个当前和过去及未来的状态时,DSP的效率不高。这主要是由于DSP在处理一些并行和回馈数据流时,存在额外的等待时间。
  随着通信技术的发展,对系统性能的要求也在不断增高,而设计高性能复杂DSP芯片的周期及半导体工艺的发展还没有跟上需求的发展。于是,复杂通信系统往往使用多片DSP来提高系统性能。
  如图2所示,典型的信号处理算法一般包括许多回馈环路和并行运算结构。通用DSP实现这类算法通常代码效率并不高。
  而用现场可编程门阵列(FPGA)实现上述算法,则可以克服上述设计的不足,这主要是由于FPGA提供了更大的设计灵活性。用FPGA设计软件无线电时具有许多独特的优势,主要体现在:
  2.1 设计灵活性与高性能
  与DSP相比,FPGA有更大的灵活性,可根据算法特点自定制计算体系结构;利用并行性计算计算体系结构和合理的流水线设计可以实现高端DSP应用,且性能更高。使用FPGA构成多处理器计算体系结构,可将功能模块很容易映射到独立和并行的硬件节点上,实现任意多个并行数据处理路径。避免了采用一个只能分时运行的数字信号处理器时,调度多个时间要求紧迫的任务所需的非常复杂的编程。
  2.2 在线重配置
  目前许多FPGA芯片可作到部分在线重配置。最新推出的Xilinx Virtex-II系列芯片已具备以列为单位部分重新配置的功能,这对于未来设计多模系统将提供便利。实际上,Chameleon 公司的可重配置芯片在概念上与此是类似的,它是粒度更大的现场可编程逻辑器件,更便于设计使用和重配置。
  2.3 分布式计算(DA)技术
  二十多年前就有了分布式计算(DA)技术,已经证实它不适于可编程DSP的定点指令集结构。然而,DA非常适于FPGA实现。用Xilinx XC3000系列的FPGA设计DA FIR滤波器早在1992年就已提出。DA是专门针对乘积和方程的一种计算技术,方程中的一项乘积因子是常数。DA设计可实现门级高效率、串行位算法及高性能位并行运算,它是经典的串/并综合方案。DA技术可应用于很多重要的线性、时不变数字信号处理算法,如滤波器(FIR和IIR)、变换(快速傅立叶变换[FFT])及矩阵向量乘积,如8×8离散余弦变换(DCT)。
  2.4 分布式存储器技术增大了数据带宽
  分布式存储器技术是利用FPGA内部的LUT构成的存储单元,与块存储器相比,它更易于根据不同的算法结构进行裁减,便于并行算法的设计实现。将分布式存储器技术与分布式计算(DA)技术结合起来可以实现高性能运算。
  2.5 流水线技术
  采用流水线技术,将复杂的运算划分到多个时钟完成,提高了系统的总处理能力,而且采用这种技术所利用的资源代价是很小的。
  2.6 FPGA与ASIC技术的融合趋势
  Altera 的Excalibar内嵌了ARM922T 32位 RISC处理器,Xilinx 的Virtex-II PRO也内嵌了一个或多个PowerPC(IBM405)的核, 除此之外,内嵌不同数量的硬件乘法器或乘加器的芯片已经可以买到。
  2.7 模块化设计
  2000年9月Xilinx公司推出的Modular Design工具为FPGA模块化设计更提供了便利,提高了设计重用性,也更利于团队合作大型设计。
  2.8 支持多种标准总线接口,更易于实现通用硬件平台
  如600百万门的FPGA已经面市,它同时支持多种标准总线接口,如LVDS, LDT, CompactPCI, RapidIO等。这就意味着我们可能以更小的接口设计开销来获取更高的系统性能。而采用大规模FPGA芯片使得计算单元之间的通信减少,提高了系统的可靠性。
  2.9 加密技术
  Xilinx Virtex-II 系列FPGA内部已集成了片上DES或triple DES加密技术,它是一种对称加密算法,DES加密密钥为56bit, 从而使设计具有更好的保密性。
  2.11 强大的时钟综合能力
  新一代Virtex-II系列FPGA具备强大的系统时钟管理的能力,并采用DSS(数字扩频技术)有效降低EMI。
  虽然FPGA在实现卷积编码器等复杂逻辑功能上已经有比较成熟的设计,但基于性价比考虑,用FPGA实现大量复杂计算方面目前还有很大的缺陷。随着分布式计算(DA)技术的应用,以及日趋明显的FPGA与ASIC技术的融合趋势,用可重配置逻辑器件构成软件无线电技术实现平台将会成为不可逆转的趋势。
3.软件无线电计算体系结构的初步考虑
  在软件无线电结构体系的构建中,基带信号处理器常常有需要求解大量多维线性方程组的运算,这类运算通常迭代性较高,人们一般认为较难于在现场可编程逻辑阵列中以较高的性能价格比来实现,而倾向于用DSP来实现,由此,人们不得不将一个完整的运算模块划分成多个运算子模块,即对性能要求较高的并行性运算放在FPGA中实现,而将迭代性较高的运算放在DSP中实现。由此带来了一系列负面效应,最突出的就是增加了模块间数据通信所带来的开销,降低了系统性能。因而有必要深入研究软件无线电计算体系结构,大唐移动等公司已投入到相关的研究中,并提出多项专利。由于无线通信中不断改进的性能更高的智能天线和联合检测算法要求更高的基带处理能力和速度,目前性能最高的数字信号处理器(DSP)或专用芯片(ASIC)还不能实现过于复杂的实时处理。因而有必要寻求性能更高的并可以在线重配置的处理方法。
  综上所述,为了使移动通信系统具有更高的容量和更好的性能,一方面,必须找到一种简单且便于实时计算的算法,另一方面,要找到实施该算法的计算体系结构,如实施迭代算法的方法和计算体系结构,以便于进一步提高基带处理能力,并获得良好的效果。
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