使用Virtex-5 FPGA實(shí)現(xiàn)LTE仿真器

功能強(qiáng)大的可編程邏輯平臺使得Prisma Engineering公司能夠針對所有蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供可重配置無線測試設(shè)備。長期演進(jìn)(LTE)是移動寬帶的最3GPP標(biāo)準(zhǔn)，它打破了現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的固有模式。LTE與前代UMTS和GSM標(biāo)準(zhǔn)相比，除采用高頻譜效率的射頻技術(shù)外，其架構(gòu)還得到了大幅簡化。LTE系統(tǒng)的無線接入部分Node-B，是連接無線電和整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議核心網(wǎng)絡(luò)之間的邊緣設(shè)備。這種架構(gòu)無法監(jiān)測和測試等效于UMTS中間鏈路上的元件。必須通過無線電接口，才能有效地測試LTE網(wǎng)絡(luò)元件。

這正是Prisma Engineering公司線路服務(wù)器單元(LSU)UeSIM LTE項(xiàng)目的設(shè)計(jì)組要解決的問題。該仿真器是針對所有LTE測試需求的全面解決方案，可幫助網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)人員對空中接口和核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試和監(jiān)控。單個(gè)這種硬件平臺即可在每個(gè)扇區(qū)模擬出多達(dá)1 024個(gè)用戶設(shè)備。無線電接口的載荷-應(yīng)力測試和功能測試覆蓋了完整LTE協(xié)議棧及其應(yīng)用。射頻前端采用本地多輸入多輸出(MIMO)設(shè)計(jì)，可支持5MHz、10MHz、15MHz和20MHz多種不同帶寬。

這個(gè)仿真器中心采用三個(gè)賽靈思Virtex®-5 FPGA(XC5VSX50T)，可支持高級軟件無線電重配置。總部設(shè)位于意大利米蘭的Prisma Engineering公司的設(shè)計(jì)組很快認(rèn)識到，我們需要功能強(qiáng)大、可重編程的架構(gòu)，以便能夠用同一開發(fā)板靈活應(yīng)對多種無線接入標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有兩種用戶測試工具：LTE Test Manager（主要針對LTE設(shè)備廠商提供）和Quick GUI（主要針對LTE網(wǎng)絡(luò)營運(yùn)商提供）。Quick GUI提供通過/未通過測試方案，而Test Manager則可進(jìn)行更為復(fù)雜的分析。

LSU UeSIM LTE架構(gòu)

LSU UeSIM LTE仿真器采用由協(xié)議處理單元(PPU)模板、軟件無線電(SDR)模板和支持MIMO操作的兩個(gè)無線電模塊共同構(gòu)成的CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。

采用Intel技術(shù)的PPU模板是一種主處理器卡，能夠?qū)Χ鄠€(gè)SDR模板進(jìn)行管理，改善載荷-應(yīng)力性能。軟件無線電模板專為擴(kuò)展我們先前的LSU系統(tǒng)在無線電接口的運(yùn)行性能而設(shè)計(jì)。CompactPCI無線電夾層卡負(fù)責(zé)提供各個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)射頻帶寬的射頻發(fā)送/接收功能：GSM（850 MHz和900MHz；1.8和1.9GHz）、LTE（700MHz，2.1 GHz、2.3 GHz、2.5 GHz和2.6GHz）和WiMAX（2.4GHz、3.5GHz和5GHz）。

SDR卡架構(gòu)

SDR卡是一種集成在LSU軟/硬件環(huán)境中的高性能平臺，用于提高系統(tǒng)與基帶(CPRI/OBSAI)、無線電接口或者兩者之間的連接功能。該卡使用工作在特定頻帶內(nèi)的不同外部無線電模塊，可支持各種無線標(biāo)準(zhǔn)，比如GSM/EDGE、UMTS、HSPA、WiMAX和LTE等。圖1為在LTE測試場景中，仿真器或取代無線電扇區(qū)，或?yàn)楹诵木W(wǎng)絡(luò)提供測試接口。


圖1 LTE測試場景

我們采用三個(gè)德州儀器的1GHz DSP（我們選用了TMS320C6455）和Analog Devices公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD9640)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(AD9779)，完成了基于賽靈思FPGA的SDR卡設(shè)計(jì)。時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)采用Analog Devices公司的AD9549，能夠?yàn)檗D(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理器件(FPGA、DSP)提供極高的靈活時(shí)基。

LTE加工數(shù)據(jù)通路

Prisma把LTE加工數(shù)據(jù)通路分為兩大部分，一是在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)的射頻前端。二是在DSP內(nèi)實(shí)現(xiàn)的物理資源分配以及數(shù)據(jù)通道與控制通道端接。

在上行鏈路方向，由一個(gè)DSP負(fù)責(zé)處理MAC層到物理層的交換以及物理層某些功能的操作。它負(fù)責(zé)為編碼、交織、加擾、符號映射和子載波分配提供參考信號（導(dǎo)頻）、源數(shù)據(jù)和控制通道。離散傅立葉轉(zhuǎn)換(DFT)函數(shù)負(fù)責(zé)根據(jù)SC-FDMA標(biāo)準(zhǔn)完成來自不同終端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)通過EMIF接口把每個(gè)OFDM符號都發(fā)送到上行鏈路FPGA。圖2為LSU軟件無線電卡上的賽靈思Virtex-5 FPGA和TI DSP。


圖2 LSU軟件無線電卡

該FPGA將數(shù)據(jù)速率從125MHz（DSP EMIF接口時(shí)鐘）提升到245.76MHz（FPGA加工速率）。然后FPGA將執(zhí)行一系列其他操作：2048點(diǎn)反向快速傅立葉轉(zhuǎn)換、循環(huán)前綴插入、PRACH數(shù)據(jù)通道插入、7.5kHz頻率下轉(zhuǎn)換OFDM符號頻譜的半移位函數(shù)、信道整形與內(nèi)插濾波以及24MHz頻率下的中頻(IF)轉(zhuǎn)換。隨后該器件以122.88MHz的時(shí)鐘頻率把中頻數(shù)據(jù)發(fā)送到DAC。同時(shí)射頻卡將模擬信號轉(zhuǎn)換為射頻信號，發(fā)送至發(fā)射器放大器。下行鏈路方向上，在LNA放大、可編程增益和轉(zhuǎn)換階段完成后，射頻卡將把接收到的中頻數(shù)據(jù)發(fā)送到SDR卡(140MHz)。ADC將以122.88MHz的頻率對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行二次采樣，而FPGA則負(fù)責(zé)處理最終到基帶的17.12MHz頻率轉(zhuǎn)換。該數(shù)據(jù)可以與兩個(gè)單輸入、單輸出通道關(guān)聯(lián)，也可以與一個(gè)MIMO通道關(guān)聯(lián)。