4G系統中高速總線(xiàn)互連架構的研究與實(shí)現

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(wú)線(xiàn)通信試驗開(kāi)始，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)頻率利用效率，能提供快捷、方便的無(wú)線(xiàn)應用，實(shí)現高速數據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系統可以比舊有的2G系統傳輸速率快上很多倍，但是仍無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)多媒體的通信需求。未來(lái)通信市場(chǎng)的主流服務(wù)需要為客戶(hù)提供方便快捷的全球咨詢(xún)信息的獲取能力，因此未來(lái)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）。要達到這個(gè)目標，必須將寬帶互聯(lián)網(wǎng)和寬帶無(wú)限通信網(wǎng)絡(luò )相結合，然而要實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )和寬帶核心骨干網(wǎng)的融合，包括3G在內的當前所使用的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )都力不從心，發(fā)展4G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)以支援無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)已刻不容緩。目前國際上尚未制定統一的4G通信標準，因此各發(fā)達國家均希望在未來(lái)4G標準制定上取得一席之地，歐美日等國很早就投入巨資開(kāi)始研究，我國也在2002年啟動(dòng)了4G的研發(fā)工作，基本上與國際同步。

　　據預測，4G系統中將會(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(xiàn)、空時(shí)編碼等，所提供的峰值速率可達到 100Mb/s，以滿(mǎn)足未來(lái)對實(shí)時(shí)多媒體服務(wù)高帶寬的業(yè)務(wù)需求。但是，隨著(zhù)這一系列最新技術(shù)的廣泛應用，新一代系統整體的算法復雜度和傳輸性能較上一代系統有一個(gè)數量級的增加，如何為系統中諸多的處理、控制單元提供一種高效、高帶寬、靈活的互連架構，成為4G無(wú)線(xiàn)通信系統設計中極具挑戰性的難題。

　　2、4G系統平臺架構的搭建所面臨的問(wèn)題

　?。?）數字基帶處理算法復雜度的增大

　　4G移動(dòng)通信系統中引入了MIMO無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。即在分布式接入方式下，傳輸信號由多個(gè)天線(xiàn)同時(shí)發(fā)送和接收，發(fā)送端和接收端之間的無(wú)線(xiàn)信道由傳統的單輸入單輸出（SISO）系統轉變成（MIMO）系統。MIMO信道可看作一組并行的子信道，其總的信道容量為各獨立子信道的信道容量之和，理論上，隨著(zhù)天線(xiàn)個(gè)數的增加，信道容量顯著(zhù)增大，為提高無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的信息吞吐量、擴大覆蓋區域和提高傳輸質(zhì)量提供了巨大的潛力。但多天線(xiàn)環(huán)境下MIMO無(wú)線(xiàn)通信系統的帶來(lái)的問(wèn)題是基帶信號處理的復雜度成幾何級數增長(cháng)。按現有的可編程邏輯器件邏輯規模，很難在單片或單板的條件下實(shí)現所有的基帶邏輯算法，必然要求基站有復雜的平臺互連結構。

　?。?）巨量數據傳輸的實(shí)時(shí)性要求

　　4G系統中物理層基帶處理要求處理節點(diǎn)間數據的傳輸有較高的實(shí)時(shí)性。如果采用傳統的共享型總線(xiàn)（如：PCI，CompactPCI等），隨著(zhù)基帶處理節點(diǎn)數的增多，節點(diǎn)間交互數據量急劇增大，必然對設備間傳輸實(shí)時(shí)性能造成影響。所以采用傳統的共享型架構的系統內連總線(xiàn)很難達到上述要求。因此需要設計新型的平臺架構，以確保在有好的擴充性的前提下，實(shí)現連接在總線(xiàn)上的設備間進(jìn)行數據傳輸時(shí)有小的總線(xiàn)潛伏期。

　?。?）高擴展性和靈活性的要求

　　目前國際上4G系統的標準尚未確定，采用的基帶處理算法和鏈路層協(xié)議還在不斷的驗證和完善之中。所以4G系統平臺內連總線(xiàn)應該具有高的可擴展性，使現在和今后不同的實(shí)現方案可以在對硬件平臺改動(dòng)極小的情況下得以實(shí)現。從而不必再擔心由于改動(dòng)部分實(shí)現方案技術(shù)而使系統的性能受到影響或降低原有系統平臺的可用度。

　　同時(shí)，設計無(wú)線(xiàn)接入MIMO系統出于設計靈活性的考慮要求整個(gè)系統的各個(gè)部分都盡可能實(shí)現參數化，并可以進(jìn)行參數的自適應調整和重新配置。平臺設計中總線(xiàn)的可重配置技術(shù)特征是實(shí)現這一構想的有力支持?？芍嘏渲眉夹g(shù)具有充分參數化、完全的可編程性、模塊化設計、同時(shí)支持多種業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，完全適應不同連接類(lèi)型對互連平臺的性能要求。

　　3、4G系統高速互連架構的需求分析

　　目前，4G標準尚未制定，國際電信聯(lián)盟ITU也不能確定4G是什么東西，也就是說(shuō)，4G只是開(kāi)發(fā)者的一種設計概念和開(kāi)發(fā)方向罷了。因此，ITU -R建議采用“IMT-2000的增強系統（Enhancement of IMT-2000）”或“后IMT-2000系統（Systems Beyond IMT-2000）”的說(shuō)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。我國在2002年啟動(dòng)了十五863計劃“Beyond 3G蜂窩移動(dòng)通信無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )試驗系統研究開(kāi)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)現階段。本文將以此項目為例，對新一代的B3G TDD系統的平臺架構的設計進(jìn)行介紹。因此在下面介紹4G系統的高速總線(xiàn)互連架構時(shí)，均以術(shù)語(yǔ)B3G來(lái)代替4G。
3.1　B3G TDD系統的基帶處理系統架構框圖簡(jiǎn)介

在B3G TDD系統中 ，基站端和移動(dòng)站端有很多單元的設計方法相同，只是基站端的設計更為復雜，規模更為龐大，限于篇幅，本文將選取更有代表性的基站端收發(fā)系統的硬件架構進(jìn)行分析。圖1為B3G TDD基站端基帶處理系統硬件總體架構[2]。

圖1　基站端基帶處理系統硬件總體架構

　　B3G TDD系統的基站由3個(gè)多天線(xiàn)發(fā)送模塊、1個(gè)基帶發(fā)送模塊、3個(gè)多天線(xiàn)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接口處理模塊等構成，它們通過(guò)高速背板相互連接?；鶐Оl(fā)送模塊完成編碼、調制、空時(shí)發(fā)送處理、以及導頻插入等，產(chǎn)生的基帶發(fā)送信號送到多天線(xiàn)發(fā)送模塊，進(jìn)行多載波信號合成以及數模轉換，產(chǎn)生多天線(xiàn)模擬基帶發(fā)送信號，送到模擬前端。多天線(xiàn)接收模塊，接收來(lái)自模擬前端的多天線(xiàn)模擬基帶接收信號，進(jìn)行模數轉換、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，經(jīng)多天線(xiàn)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、空時(shí)聯(lián)合檢測、解調與解碼等，重建發(fā)送的信息序列。MAC接口處理模塊完成系統的業(yè)務(wù)控制與質(zhì)量管理，并通過(guò)千兆以太網(wǎng)接口與終端計算機和控制域交互信息。