軟件無線電技術與可重配置計算體系結構

1．技術趨勢
　　現(xiàn)代無線通信的主體是移動通信。參照ITU建議M1225，移動通信是在復雜多變的移動環(huán)境下工作的，因此必須考慮嚴重的時變和多徑傳播的影響。在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，特別是在碼分多址(CDMA)系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)容量，提高系統(tǒng)靈敏度和在較低的發(fā)射功率下獲得較遠的通信距離，一般都希望使用智能天線與聯(lián)合檢測技術。
　　在許多公開發(fā)表的技術文獻中，都涉及到對智能天線的波束賦形算法的研究，其研究結論是功能越強則算法越復雜。然而在移動通信環(huán)境下，聯(lián)合檢測技術和波束賦形是必須實時完成的，且完成算法的時間只能以微秒計算。而受現(xiàn)代微電子技術水平的限制，在如此短的時間內，數(shù)字信號處理器(DSP)或專用芯片(ASIC)還不能實現(xiàn)過于復雜的實時處理。
　　另一方面，移動通信技術和標準還在不斷提出和更新，軟件無線電技術日益受到高度重視。美國FCC甚至發(fā)文要求各公司對此技術的應用提供方案。如何用DSP（數(shù)字信號處理器）或FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯陣列）等其他可編程器件，在公共硬件平臺上解決各種不同制式的空間接口已成為很多世界各國通信公司研究的主要課題。
　　過去，無線通信系統(tǒng)的設計多采用靜態(tài)設計，只能在規(guī)定范圍內的特定頻段上使用專用調制器、編碼器和信道協(xié)議。即使是雙頻、三頻蜂窩電話也只在預先定義的兩個或三個標準之間切換。靜態(tài)設計通常是根據(jù)最壞情況的設計，在情況良好時就不能充分利用射頻頻譜。例如，若背景噪聲比最惡劣的情況小，就可能出現(xiàn)許多不必要的糾錯編碼，這樣就不能獲得最高的比特率。這種情況對無線應用系統(tǒng)的影響比有線應用系統(tǒng)更嚴重，因為無線傳輸更易于受噪聲、干擾和衰減的影響。理想的軟件無線電能動態(tài)適應傳輸系統(tǒng)的任一環(huán)節(jié)的變化，如調制、編碼、信道協(xié)議及帶寬，等等，并能夠適應實時性變化，最大程度地利用有效頻譜。已有專家預測，在未來幾年內，依靠傳統(tǒng)的專用芯片來制造移動通信無線設備的概念將受到重大沖擊。而且，軟件無線電不僅用于用戶終端，解決多模手持機的問題，它還將使用于無線基站。特別是在第三代移動通信技術和標準都還在不斷更新的最近幾年內，只有使用軟件無線電技術，才可能使產品跟上技術的發(fā)展，并適應不同的標準和環(huán)境、網絡通信負荷，以及用戶需求的變化。
　　在現(xiàn)階段軟件無線電結構體系的構建中，已有研究表明可編程邏輯器件具有較好的性能，尤其是針對高并行性運算比目前廣泛使用的DSP在性能上具有明顯的優(yōu)勢，前者不但可以提高運算速度，更重要的是它可通過有效而靈活的設計方法提高系統(tǒng)硬件的整體工作效率，即盡可能使系統(tǒng)中所有邏輯資源處于有效工作狀態(tài)，降低系統(tǒng)功率。這是目前一些專用芯片以至DSP都無法比擬的。

2．軟件無線電技術的實現(xiàn)平臺
　　在軟件無線電技術的實現(xiàn)中，目前主流的硬件技術是通用信號處理器(以DSP為代表)和現(xiàn)場可編程邏輯陣列(以FPGA為代表)。雖然，現(xiàn)階段兩種技術作為軟件無線電實現(xiàn)平臺還都有各自的局限性，以下對比兩種技術在實現(xiàn)軟件無線電的一些特點：
　　由于軟件無線電技術基帶設計中大量使用乘加運算，DSP在完成這種乘加運算時， 一般需要進行以下操作：
　　1=>讀存儲器， 取操作數(shù)，取指令
　　2=>運算
　　3=>寫存儲器，存儲運算結果
　　為了提高運算速度，人們一般希望在一個指令周期中能夠多次進行存儲器讀寫操作，以盡量縮短非運算時間。
　　目前DSP廣泛采用了哈佛結構和改進的馮·諾伊曼結構，能夠支持在一個指令周期進行多次存取操作，這種體系結構適用于非關聯(lián)性順序算法的實現(xiàn)。當采用一個只能分時運行的數(shù)字信號處理器時，調度多個時間要求緊迫的任務需要非常復雜的編程。尤其是，當算法模塊關聯(lián)多個當前和過去及未來的狀態(tài)時，DSP的效率不高。這主要是由于DSP在處理一些并行和回饋數(shù)據(jù)流時，存在額外的等待時間。
　　隨著通信技術的發(fā)展，對系統(tǒng)性能的要求也在不斷增高，而設計高性能復雜DSP芯片的周期及半導體工藝的發(fā)展還沒有跟上需求的發(fā)展。于是，復雜通信系統(tǒng)往往使用多片DSP來提高系統(tǒng)性能。
　　如圖2所示，典型的信號處理算法一般包括許多回饋環(huán)路和并行運算結構。通用DSP實現(xiàn)這類算法通常代碼效率并不高。
　　而用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實現(xiàn)上述算法，則可以克服上述設計的不足，這主要是由于FPGA提供了更大的設計靈活性。用FPGA設計軟件無線電時具有許多獨特的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：
　　2.1 設計靈活性與高性能
　　與DSP相比，F(xiàn)PGA有更大的靈活性，可根據(jù)算法特點自定制計算體系結構；利用并行性計算計算體系結構和合理的流水線設計可以實現(xiàn)高端DSP應用，且性能更高。使用FPGA構成多處理器計算體系結構，可將功能模塊很容易映射到獨立和并行的硬件節(jié)點上，實現(xiàn)任意多個并行數(shù)據(jù)處理路徑。避免了采用一個只能分時運行的數(shù)字信號處理器時，調度多個時間要求緊迫的任務所需的非常復雜的編程。

　2.2 在線重配置
　　目前許多FPGA芯片可作到部分在線重配置。最新推出的Xilinx Virtex-II系列芯片已具備以列為單位部分重新配置的功能，這對于未來設計多模系統(tǒng)將提供便利。實際上，Chameleon 公司的可重配置芯片在概念上與此是類似的，它是粒度更大的現(xiàn)場可編程邏輯器件，更便于設計使用和重配置。
　　2.3 分布式計算（DA）技術
　　二十多年前就有了分布式計算（DA）技術，已經證實它不適于可編程DSP的定點指令集結構。然而，DA非常適于FPGA實現(xiàn)。用Xilinx XC3000系列的FPGA設計DA FIR濾波器早在1992年就已提出。DA是專門針對乘積和方程的一種計算技術，方程中的一項乘積因子是常數(shù)。DA設計可實現(xiàn)門級高效率、串行位算法及高性能位并行運算，它是經典的串/并綜合方案。DA技術可應用于很多重要的線性、時不變數(shù)字信號處理算法，如濾波器(FIR和IIR)、變換(快速傅立葉變換[FFT])及矩陣向量乘積，如8×8離散余弦變換(DCT)。
　　2.4 分布式存儲器技術增大了數(shù)據(jù)帶寬
　　分布式存儲器技術是利用FPGA內部的LUT構成的存儲單元，與塊存儲器相比，它更易于根據(jù)不同的算法結構進行裁減，便于并行算法的設計實現(xiàn)。將分布式存儲器技術與分布式計算（DA）技術結合起來可以實現(xiàn)高性能運算。
　　2.5 流水線技術
　　采用流水線技術，將復雜的運算劃分到多個時鐘完成，提高了系統(tǒng)的總處理能力，而且采用這種技術所利用的資源代價是很小的。
　　2.6 FPGA與ASIC技術的融合趨勢
　　Altera 的Excalibar內嵌了ARM922T　32位 RISC處理器，Xilinx 的Virtex-II PRO也內嵌了一個或多個PowerPC(IBM405)的核, 除此之外，內嵌不同數(shù)量的硬件乘法器或乘加器的芯片已經可以買到。
　　2.7 模塊化設計
　　2000年9月Xilinx公司推出的Modular Design工具為FPGA模塊化設計更提供了便利，提高了設計重用性，也更利于團隊合作大型設計。
　　2.8 支持多種標準總線接口，更易于實現(xiàn)通用硬件平臺
　　如600百萬門的FPGA已經面市，它同時支持多種標準總線接口，如LVDS, LDT, CompactPCI, RapidIO等。這就意味著我們可能以更小的接口設計開銷來獲取更高的系統(tǒng)性能。而采用大規(guī)模FPGA芯片使得計算單元之間的通信減少，提高了系統(tǒng)的可靠性。
　　2.9 加密技術
　　Xilinx Virtex-II 系列FPGA內部已集成了片上DES或triple DES加密技術，它是一種對稱加密算法，DES加密密鑰為56bit, 從而使設計具有更好的保密性。
　　2.11 強大的時鐘綜合能力
　　新一代Virtex-II系列FPGA具備強大的系統(tǒng)時鐘管理的能力，并采用DSS(數(shù)字擴頻技術)有效降低EMI。
　　雖然FPGA在實現(xiàn)卷積編碼器等復雜邏輯功能上已經有比較成熟的設計，但基于性價比考慮，用FPGA實現(xiàn)大量復雜計算方面目前還有很大的缺陷。隨著分布式計算(DA)技術的應用，以及日趨明顯的FPGA與ASIC技術的融合趨勢，用可重配置邏輯器件構成軟件無線電技術實現(xiàn)平臺將會成為不可逆轉的趨勢。

3．軟件無線電計算體系結構的初步考慮
　　在軟件無線電結構體系的構建中，基帶信號處理器常常有需要求解大量多維線性方程組的運算，這類運算通常迭代性較高，人們一般認為較難于在現(xiàn)場可編程邏輯陣列中以較高的性能價格比來實現(xiàn)，而傾向于用DSP來實現(xiàn)，由此，人們不得不將一個完整的運算模塊劃分成多個運算子模塊，即對性能要求較高的并行性運算放在FPGA中實現(xiàn)，而將迭代性較高的運算放在DSP中實現(xiàn)。由此帶來了一系列負面效應，最突出的就是增加了模塊間數(shù)據(jù)通信所帶來的開銷，降低了系統(tǒng)性能。因而有必要深入研究軟件無線電計算體系結構，大唐移動等公司已投入到相關的研究中，并提出多項專利。由于無線通信中不斷改進的性能更高的智能天線和聯(lián)合檢測算法要求更高的基帶處理能力和速度，目前性能最高的數(shù)字信號處理器(DSP)或專用芯片(ASIC)還不能實現(xiàn)過于復雜的實時處理。因而有必要尋求性能更高的并可以在線重配置的處理方法。
　　綜上所述，為了使移動通信系統(tǒng)具有更高的容量和更好的性能，一方面，必須找到一種簡單且便于實時計算的算法，另一方面，要找到實施該算法的計算體系結構，如實施迭代算法的方法和計算體系結構，以便于進一步提高基帶處理能力，并獲得良好的效果。