本文基于Virtex-5FPGA設計面向未來移動通信標準的Gbps無線通信基站系統，具有完全的可重配置性，可以完成MIMO、OFDM及LDPC等復雜信號處理算法，實現1Gbps速率的無線通信。

引言

隨著以TD-SCDMA為代表的3G移動通信全面進入商用部署，LTE標準基本完成，華為、愛立信成功實現LTE標準的現場演示[1]，以LTE-A、IMT-Advanced為標準的下一代移動通信技術、標準與系統的研發(fā)也已經開始。

國際電信聯盟(ITU)已將3G之后的未來移動通信技術正式定名為IMT-Advanced，在2007年世界無線電大會為之分配了新頻段，并已經在 2008年開始征集標準提案。中國也通過IMT-Advanced推進組開始為ITU技術提案征集的準備工作[2]，提出國內技術提案應具有高頻譜效率、低系統時延等特點，主要技術指標應達到：5-100MHz的可變系統帶寬;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;基站側最多8根天線，終端側最多4根天線;在移動性上最高支持500km/h的移動速度。

隨著技術研究與提案工作的進行，基站系統的研發(fā)也已經開始。本文研究工作依托于國家“863”計劃Gbps無線傳輸關鍵技術與試驗系統研究開發(fā)項目，研制面向LTE-A、IMT-Advanced等未來移動通信標準，能夠驗證相關技術并達到標準技術指標的新型移動通信基站原型。

Gbps無線通信系統的算法鏈路設計

為滿足未來移動通信標準的需要[3]，在算法鏈路上Gbps系統采用時分雙工(TDD)、多天線(MIMO)、空時編碼、正交頻分復用(OFDM)、高階調制和LDPC編碼等高性能物理層傳輸技術，以實現Gbps系統所需的高數據速率業(yè)務傳輸和高頻譜效率。以頻分、時分為主的多址方式實現，能夠在多天線環(huán)境下對無線資源進行靈活調配，在兼顧實時話音傳輸的同時，最大程度上滿足分組數據傳輸的需要。

具體而言，Gbps系統使用3.4GHz頻段，實際帶寬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子載波數為2048子載波，有效為1664子載波。圖1是Gbps無線傳輸系統的算法鏈路示意圖。

圖1Gbps無線傳輸系統算法鏈路

Gbps基站系統的設計實現考慮

移動通信基站往往在一個站址上同時有GSM、TD-SCDMA等多種標準的基站，越來越多地呈現多標準共存的局面，基站研發(fā)應當著眼于降低建設、運營維護和升級成本。對此，Gbps無線通信基站應當采用可重配置方式，在支持Gbps無線傳輸的同時能夠兼容未來的LTE-A、IMT-Advanced標準，實現平滑演進。

從實現技術上看，實現信號處理算法并支持可重配置需要可編程的處理器件，現代基站系統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提升到1.2GHz，在TD-SCDMA基站中得到廣泛應用，但還是無法滿足Gbps系統中同步、MIMO、LDPC等算法對信號處理復雜度和實時性的要求。因此，Gbps項目需要采用大容量的高性能FPGA來作為復雜算法的承載平臺。

從基站系統的互連與數據傳輸機制上看，互連連接所有的無線接口、網絡接口和計算資源，傳輸代表計算任務的數據，是使基站系統成為整體、協調運行的關鍵要素。由于MIMO算法需要多天線輸入數據到多基帶處理芯片的傳輸，應當采用以交換式互連網絡和分組數據傳輸機制，更好滿足未來基站系統中MIMO、并行處理、動態(tài)可重配置、計算資源動態(tài)調度等的需要。

綜合以上設計實現考慮，經過綜合調研考察，Gbps項目決定采用Xilinx公司Virtex-5系列FPGA構架硬件系統平臺[4]，承載復雜的信號處理算法，采用串行RapidIO[5]技術作為板間高性能互連，采用千兆以太網(GE)連接業(yè)務服務器及LMT計算機。

Virtex-5FPGA介紹

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

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

增強型嵌入式DSP48Eslice塊，可以滿足高性能DSP算法加速的需要，實現352GMACs的性能。Virtex-5FXT系列FPGA提供多達兩個標準的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，可快速方便地實現Gbps基站中復雜的控制和通信協議處理。

Virtex-5系列FPGA集成100Mbps–6.5Gbps的高性能收發(fā)器，配合FPGA內部編程實現的串行RapidIO邏輯層模塊可以實現芯片間和板間高性能的數據交換互連。集成符合IEEE802.3標準的10/100/1000Mbps以太網MAC硬核，連接外部GEPHY或直接使用 FPGA本身的GTP/GTX，就可以實現高性能的千兆以太網接口。

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現特點并對運算量以及使用的主要資源進行估計，可以確定所需要使用的FPGA。表1是資源需求估計與FPGA選擇的結果，表2是目標FPGA內部資源情況的總結。

表1Gbps無線通信基站系統算法鏈路對FPGA資源的需求

其中，發(fā)送端的LDPC編碼和接收端的LDPC譯碼，主要是邏輯運算，無需乘法器資源，因此采用Virtex-5中的LXT實現。同步、 FFT/IFFT、調制/解調、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系列實現。MAC處理及網絡接口采用 FXT系列FPGA中的2個PowerPC440處理器以及內嵌的千兆以太網硬核實現。采用FPGA片內的PowerPC處理器，可以大大地降低外部電路設計的復雜度，降低物理層與MAC層間數據交換的復雜性，降低系統傳輸延遲，而且可以利用PowerPC處理器應用處理加速單元(APU)實現定制的指令，極大地提高MAC處理的效率。

表2基站中使用的Virtex-5FPGA資源及數量統計

基于Virtex-5FPGA設計的Gbps無線通信基站

圖2是設計完成的Gbps無線通信基站基帶處理系統硬件實現框圖。

圖2Gbps無線通信基站基帶處理系統硬件實現框圖

根據算法需求分析的結果，Gbps基站系統最終以9片LX155T、17片SX95T、1片FX100TFPGA為中心構建。其中用4片SX95T實現8 天線的接收同步/解幀/解時隙，每片FPGA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、解交織及LDPC譯碼;FX100T中的PowerPC440處理器完成MAC層收發(fā)數據處理;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采用管腳兼容設計，SXT、LXT和 FXT可以直接替換，降低了PCB設計的工作量，增加了系統應用的靈活性。

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基站系統的互連設計如下：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交換機實現。Gbps基站系統的結構和接口整體采用高級電信計算架構(ATCA)和SerialRapidIO構建，模塊化的結構和基于交換的互連使得系統可以方便地增加基帶處理板卡的數量或擴展新的功能模塊。

結論

LTE、IMT-Advanced等未來移動通信系統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為核心設計的 Gpbs無線通信基站，采用基于交換的互連和分組的數據傳輸機制，可以驗證各種未來無線通信所使用的算法與技術，實現Gbps的無線傳輸通信。

參考文獻：

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

2.IMT-Advanced推進工作組,IMT-Advanced技術征集通函,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 嵌入式系統互連[M ]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2006