4G系統(tǒng)中高速總線互連架構(gòu)的研究與實(shí)現(xiàn)

1、引言

　　從1897年馬可尼在一個(gè)固定站與一艘拖船之間完成的無線通信試驗(yàn)開始，無線通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。目前通信行業(yè)的熱點(diǎn)是第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G）具有較高的無線頻率利用效率，能提供快捷、方便的無線應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和寬帶多媒體服務(wù)（傳輸速度最低為384k，最高為2M）。雖然 3G系統(tǒng)可以比舊有的2G系統(tǒng)傳輸速率快上很多倍，但是仍無法滿足未來多媒體的通信需求。未來通信市場(chǎng)的主流服務(wù)需要為客戶提供方便快捷的全球咨詢信息的獲取能力，因此未來通信服務(wù)必須具有寬帶性（Broadband）、全球性（Globalization）、即時(shí)性（Immediacy）與移動(dòng)性（Mobility）。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，必須將寬帶互聯(lián)網(wǎng)和寬帶無限通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，然而要實(shí)現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)和寬帶核心骨干網(wǎng)的融合，包括3G在內(nèi)的當(dāng)前所使用的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都力不從心，發(fā)展4G無線通信技術(shù)以支援無線互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)已刻不容緩。目前國(guó)際上尚未制定統(tǒng)一的4G通信標(biāo)準(zhǔn)，因此各發(fā)達(dá)國(guó)家均希望在未來4G標(biāo)準(zhǔn)制定上取得一席之地，歐美日等國(guó)很早就投入巨資開始研究，我國(guó)也在2002年啟動(dòng)了4G的研發(fā)工作，基本上與國(guó)際同步。

　　據(jù)預(yù)測(cè)，4G系統(tǒng)中將會(huì)采用大量新一代先進(jìn)的通信技術(shù)，如OFDM、SDR、MIMO和智能天線、空時(shí)編碼等，所提供的峰值速率可達(dá)到 100Mb/s，以滿足未來對(duì)實(shí)時(shí)多媒體服務(wù)高帶寬的業(yè)務(wù)需求。但是，隨著這一系列最新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新一代系統(tǒng)整體的算法復(fù)雜度和傳輸性能較上一代系統(tǒng)有一個(gè)數(shù)量級(jí)的增加，如何為系統(tǒng)中諸多的處理、控制單元提供一種高效、高帶寬、靈活的互連架構(gòu)，成為4G無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極具挑戰(zhàn)性的難題。

　　2、4G系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)的搭建所面臨的問題

　?。?）數(shù)字基帶處理算法復(fù)雜度的增大

　　4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中引入了MIMO無線通信技術(shù)。即在分布式接入方式下，傳輸信號(hào)由多個(gè)天線同時(shí)發(fā)送和接收，發(fā)送端和接收端之間的無線信道由傳統(tǒng)的單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成（MIMO）系統(tǒng)。MIMO信道可看作一組并行的子信道，其總的信道容量為各獨(dú)立子信道的信道容量之和，理論上，隨著天線個(gè)數(shù)的增加，信道容量顯著增大，為提高無線網(wǎng)絡(luò)的信息吞吐量、擴(kuò)大覆蓋區(qū)域和提高傳輸質(zhì)量提供了巨大的潛力。但多天線環(huán)境下MIMO無線通信系統(tǒng)的帶來的問題是基帶信號(hào)處理的復(fù)雜度成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。按現(xiàn)有的可編程邏輯器件邏輯規(guī)模，很難在單片或單板的條件下實(shí)現(xiàn)所有的基帶邏輯算法，必然要求基站有復(fù)雜的平臺(tái)互連結(jié)構(gòu)。

　　（2）巨量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求

　　4G系統(tǒng)中物理層基帶處理要求處理節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳輸有較高的實(shí)時(shí)性。如果采用傳統(tǒng)的共享型總線（如：PCI，CompactPCI等），隨著基帶處理節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，節(jié)點(diǎn)間交互數(shù)據(jù)量急劇增大，必然對(duì)設(shè)備間傳輸實(shí)時(shí)性能造成影響。所以采用傳統(tǒng)的共享型架構(gòu)的系統(tǒng)內(nèi)連總線很難達(dá)到上述要求。因此需要設(shè)計(jì)新型的平臺(tái)架構(gòu)，以確保在有好的擴(kuò)充性的前提下，實(shí)現(xiàn)連接在總線上的設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)有小的總線潛伏期。

　　（3）高擴(kuò)展性和靈活性的要求

　　目前國(guó)際上4G系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)尚未確定，采用的基帶處理算法和鏈路層協(xié)議還在不斷的驗(yàn)證和完善之中。所以4G系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)連總線應(yīng)該具有高的可擴(kuò)展性，使現(xiàn)在和今后不同的實(shí)現(xiàn)方案可以在對(duì)硬件平臺(tái)改動(dòng)極小的情況下得以實(shí)現(xiàn)。從而不必再擔(dān)心由于改動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)方案技術(shù)而使系統(tǒng)的性能受到影響或降低原有系統(tǒng)平臺(tái)的可用度。

　　同時(shí)，設(shè)計(jì)無線接入MIMO系統(tǒng)出于設(shè)計(jì)靈活性的考慮要求整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分都盡可能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，并可以進(jìn)行參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整和重新配置。平臺(tái)設(shè)計(jì)中總線的可重配置技術(shù)特征是實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想的有力支持?？芍嘏渲眉夹g(shù)具有充分參數(shù)化、完全的可編程性、模塊化設(shè)計(jì)、同時(shí)支持多種業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，完全適應(yīng)不同連接類型對(duì)互連平臺(tái)的性能要求。

　　3、4G系統(tǒng)高速互連架構(gòu)的需求分析

　　目前，4G標(biāo)準(zhǔn)尚未制定，國(guó)際電信聯(lián)盟ITU也不能確定4G是什么東西，也就是說，4G只是開發(fā)者的一種設(shè)計(jì)概念和開發(fā)方向罷了。因此，ITU -R建議采用“IMT-2000的增強(qiáng)系統(tǒng)（Enhancement of IMT-2000）”或“后IMT-2000系統(tǒng)（Systems Beyond IMT-2000）”的說法，其中核心研究部分就是Beyond 3G，也即超三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。我國(guó)在2002年啟動(dòng)了十五863計(jì)劃“Beyond 3G蜂窩移動(dòng)通信無線網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)系統(tǒng)研究開發(fā)”，目前為止已經(jīng)進(jìn)展到了第二期，基站和移動(dòng)站的研究均已進(jìn)入實(shí)現(xiàn)階段。本文將以此項(xiàng)目為例，對(duì)新一代的B3G TDD系統(tǒng)的平臺(tái)架構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。因此在下面介紹4G系統(tǒng)的高速總線互連架構(gòu)時(shí)，均以術(shù)語B3G來代替4G。
3.1　B3G TDD系統(tǒng)的基帶處理系統(tǒng)架構(gòu)框圖簡(jiǎn)介

在B3G TDD系統(tǒng)中 ，基站端和移動(dòng)站端有很多單元的設(shè)計(jì)方法相同，只是基站端的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，規(guī)模更為龐大，限于篇幅，本文將選取更有代表性的基站端收發(fā)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)進(jìn)行分析。圖1為B3G TDD基站端基帶處理系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)[2]。

圖1　基站端基帶處理系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

　　B3G TDD系統(tǒng)的基站由3個(gè)多天線發(fā)送模塊、1個(gè)基帶發(fā)送模塊、3個(gè)多天線接收模塊、1個(gè)交換時(shí)頻序列處理模塊、3個(gè)基帶接收模塊、以及1個(gè)MAC接口處理模塊等構(gòu)成，它們通過高速背板相互連接。基帶發(fā)送模塊完成編碼、調(diào)制、空時(shí)發(fā)送處理、以及導(dǎo)頻插入等，產(chǎn)生的基帶發(fā)送信號(hào)送到多天線發(fā)送模塊，進(jìn)行多載波信號(hào)合成以及數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生多天線模擬基帶發(fā)送信號(hào)，送到模擬前端。多天線接收模塊，接收來自模擬前端的多天線模擬基帶接收信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、多載波分解以及載波和時(shí)間同步，產(chǎn)生同步的接收基帶信號(hào)，經(jīng)多天線陣接收處理模塊合并后送到基帶接收模塊，基帶接收模塊完成信道估計(jì)、空時(shí)聯(lián)合檢測(cè)、解調(diào)與解碼等，重建發(fā)送的信息序列。MAC接口處理模塊完成系統(tǒng)的業(yè)務(wù)控制與質(zhì)量管理，并通過千兆以太網(wǎng)接口與終端計(jì)算機(jī)和控制域交互信息。