基于Virtex-5 FPGA设计Gbps无线通信基站

摘要：本文基于Virtex-5 FPGA设计面向未来移动通信标准的Gbps无线通信基站系统，具有完全的可重配置性，可以完成MIMO、OFDM及LDPC等复杂信号处理算法，实现1Gbps速率的无线通信。

关键词：Gbps；无线通信；基站；FPGA；RapidIO

引言

　　随着以TD-SCDMA为代表的3G移动通信全面进入商用部署，LTE标准基本完成，华为、爱立信成功实现LTE标准的现场演示[1]，以LTE-A、IMT-Advanced为标准的下一代移动通信技术、标准与系统的研发也已经开始。

　　国际电信联盟（ITU）已将3G之后的未来移动通信技术正式定名为IMT-Advanced，在2007年世界无线电大会为之分配了新频段，并已经在2008年开始征集标准提案。中国也通过IMT-Advanced推进组开始为ITU技术提案征集的准备工作[2]，提出国内技术提案应具有高频谱效率、低系统时延等特点，主要技术指标应达到：5－100MHz的可变系统带宽；在固定和低速移动情况下支持1Gbps的峰值速率，在高速移动情况下支持100Mbps；基站侧最多8根天线，终端
　　侧最多4根天线；在移动性上最高支持500km/h的移动速度。

　　随着技术研究与提案工作的进行，基站系统的研发也已经开始。本文研究工作依托于国家“863”计划Gbps 无线传输关键技术与试验系统研究开发项目，研制面向LTE-A、IMT-Advanced等未来移动通信标准，能够验证相关技术并达到标准技术指标的新型移动通信基站原型。

Gbps无线通信系统的算法链路设计

　　为满足未来移动通信标准的需要[3]，在算法链路上Gbps系统采用时分双工（TDD）、多天线（MIMO）、空时编码、正交频分复用（OFDM）、高阶调制和LDPC编码等高性能物理层传输技术，以实现Gbps系统所需的高数据速率业务传输和高频谱效率。以频分、时分为主的多址方式实现，能够在多天线环境下对无线资源进行灵活调配，在兼顾实时话音传输的同时，最大程度上满足分组数据传输的需要。

　　具体而言，Gbps系统使用3.4GHz频段，实际带宽100MHz，移动台采用2发4收的天线，基站采用4发8收的天线，OFDM子载波数为2048子载波，有效为1664子载波。图1是Gbps无线传输系统的算法链路示意图。

                                                                       图 1 Gbps无线传输系统算法链路

Gbps基站系统的设计实现考虑

　　移动通信基站往往在一个站址上同时有GSM、TD-SCDMA等多种标准的基站，越来越多地呈现多标准共存的局面，基站研发应当着眼于降低建设、运营维护和升级成本。对此，Gbps无线通信基站应当采用可重配置方式，在支持Gbps无线传输的同时能够兼容未来的LTE-A、IMT-Advanced标准，实现平滑演进。

　　从实现技术上看，实现信号处理算法并支持可重配置需要可编程的处理器件，现代基站系统广泛采用的可编程处理器以DSP和FPGA为主。尽管高端多核DSP的工作时钟频率已经提升到1.2GHz，在TD-SCDMA基站中得到广泛应用，但还是无法满足Gbps系统中同步、MIMO、LDPC等算法对信号处理复杂度和实时性的要求。因此，Gbps项目需要采用大容量的高性能FPGA来作为复杂算法的承载平台。

　　从基站系统的互连与数据传输机制上看，互连连接所有的无线接口、网络接口和计算资源，传输代表计算任务的数据，是使基站系统成为整体、协调运行的关键要素。由于MIMO算法需要多天线输入数据到多基带处理芯片的传输，应当采用以交换式互连网络和分组数据传输机制，更好满足未来基站系统中MIMO、并行处理、动态可重配置、计算资源动态调度等的需要。

　　综合以上设计实现考虑，经过综合调研考察，Gbps项目决定采用Xilinx公司Virtex-5系列FPGA构架硬件系统平台[4]，承载复杂的信号处理算法，采用串行RapidIO[5]技术作为板间高性能互连，采用千兆以太网（GE）连接业务服务器及LMT计算机。
　　
Virtex-5 FPGA介绍

　　Virtex-5系列FPGA是Xilinx 率先发布和量产的65nm 平台FPGA，目前包括LX、LXT、SXT、FXT及TXT等面向不同应用的多个子系列。

　　Virtex-5系列FPGA最高工作时钟可以达到550MHz，总逻辑单元数多达330,000个。提供了高达11.6 Mbit的灵活嵌入式Block RAM，能有效地存储和缓冲各种运算数据。多达 640个

　　增强型嵌入式DSP48E slice块，可以满足高性能DSP算法加速的需要，实现352 GMACs的性能。Virtex-5 FXT系列FPGA提供多达两个标准的PowerPC 440处理器模块，每个处理器在550 MHz时钟频率下可提供1,100 DMIPS 的性能。利用PowerPC 440嵌入式处理器模块，可快速方便地实现Gbps基站中复杂的控制和通信协议处理。

基于Virtex-5 FPGA设计Gbps无线通信基站