基于SOPC软件无线电资源共享自适应结构

     随着IEEE 802.11(WLAN)、IEEE 802.16(WMAN)、IEEE 802.15.4(WPAN)等无线通信网络标准的建立，传统的无线通信产品开发及生产方式已表现出不少问题，譬如：产品是针对特定的标准中一个版本开发和制造，当新技术出现或版本升级或提供新业务时，只能开发新的专用芯片，制造新一代设备。结果是要么限制了新技术和新业务的使用，要么给制造商、运营商带来更大的投资风险，给用户带来诸多不便。面对此类问题，学术界和产业界已经进行了大量的研究，大部分专家认为，软件无线电(Software-Defined Radio，简称软件无线电)[1]是一个解决全球无线通信需求的方案，它将成为未来无线通信设备设计的核心所在。所谓软件无线电，就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，用软件来定义实现无线电的各部分功能：包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等，即整个无线电从高频、中频、基带及控制协议部分全部由软件编程来完成。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的数字模拟转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电的功能尽可能地用软件来定义和实现。总之，软件无线电是一种基于数字信号处理设备，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。当前的软件无线电结构的功耗大、成本高，而功耗和成本是无线移动便携设备的两个关键参数，因而制约了软件无线电的大推广使用，随着FPGA（现场可编程逻辑阵列）和模数数模变换器技术的不断发展，新一代SOPC（System on a programmable chip，可编程片上系统）正使软件无线电从概念变为现实。

      1 软件无线电的基本结构

      软件无线电统的基本结构如图1所示，它包括了宽带/多频段天线、多频段射频转换器、宽带AD（模数变换器）和DA（数模变换器）及数字信号处理部分[1]。由图1可以看出，数字信号处理部分是软件无线电实用化过程中的核心和关键部分之一。数字信号处理部分通常包括分立的FPGA、DSP（Digital Signal processor,数字信号处理器）及GPP(general purpose processor,通用微处理器)，FPGA和DSP在GPP的控制下完成中频处理、调制解调、基带处理以及信源处理等任务，GPP一般使用RTOS（real time operation system,实时操作系统）进行任务调度和存储器管理。当前的软件无线电结构可以称为专用资源结构，每个无线信道专用一套处理资源，包括AD、DA、FPGA、DSP及GPP。实现N个信道，需要N套专用设备。这种专用资源结构对软件无线电的功耗和成本极其不利，大大制约了软件无线电的大规模使用，成为软件无线电实用化过程中的一大障碍。

                             
                                 图1 软件无线电节点基本结构

       2基于新一代SOPC的软件无线电资源共享自适应结构

      上个世纪90 年代末期到本世纪初,各个可编程逻辑器件厂商开始提出自己的SOPC的软件和硬件一体化解决方案,并提供从低端消费电子到高端网络通信等市场的全系列产品。SOPC 构建在现有可编程逻辑基础之上,除了具有缩短上市时间、设计灵活等通常可编程逻辑具有的优势外,还增加了系统级的功能如高端处理器等,为现在越来越复杂的产品所带来的竞争压力提供了高效的解决方案。业界提供SOPC 解决方案的厂商主要有Xilinx 和Altera 。

       2．1 新一代SOPC的新特点

      新一代SOPC具有以下等特点[2]：

      1） 具有丰富的可编程逻辑多。以Xilinx公司为例，2005年发布的Virtex- II 芯片XC2VP100具有约100K的逻辑单元（logic cells），每一个逻辑单元包含1个4输入查找表、一个触发器及进位逻辑。而最近(2006年10月)发布的Virtex-5系列的XC5VLX330T的可重配置逻辑块包括约51K 的Virtex-5逻辑单元(每一个Virtex-5逻辑单元包含4个查找表、4个触发器) 。

      2）支持动态部分重配置。Xilinx公司的Virtex－II及Virtex－4系列支持基于帧的动态部分重配置，即每一个逻辑帧可以进行动态重配置而不会影响其他逻辑帧。

      3） 内嵌GPP内核。Xilinx公司的Virtex-II的XC2VP100具有2个内嵌PowerPC微处理器硬核。。Altera 公司的高端SOPC 解决方案则在其FPGA 产品中集成了ARM 9 和MIPS 处理器硬核。

      4）具有丰富的数字信号处理资源。Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VLX330T芯片具有192个数字信号处理单元DSP48E，每个DSP48E包含一个25x18乘法器、一个加法器和一个累加器。
新一代SOPC的这些特点有助于克服软件无线电实用化过程中的功耗及成本障碍，基于这些新特征，提出了软件无线电的资源共享自适应结构。

      2．2 基于新一代SOPC的软件无线电的资源共享自适应结构

      新一代SOPC的动态部分重配置技术使资源共享自适应结构成为可能。当SOPC内部的某一部分进行重配置时，其他部分正常工作。从宏观上看，正如GPP的动态任务切换一样，一个SOPC中并行运行多个独立应用。没有这种能力，不同的应用必须对整个SOPC进行重新编程。动态重配置技术能够实现SOPC对信道波形的自适应。SOPC自动感知信道环境，动态地下载信道波形部分并且在不同的信道波形之间进行切换，而无需在运行开始时把所有的信道波形部分都下载到SOPC中。以此为核心思想，提出的软件无线电资源共享自适应结构如图2所示，SOPC的丰富的编程逻辑部分及数字信号处理单元部分能够处理重负荷的数字信号处理任务，嵌入式GPP适合轻负荷数字信号处理（同步控制及上层协议如链路及网络层）以及管理部分动态重配置逻辑。软件无线电节点的基本结构的N套数字信号处理部分现由一套SOPC代替，实现在一套处理资源上完成处理多个信道波形的能力，从而更加有效地使用资源，降低系统功耗及成本。

                         图2 软件无线电的资源共享自适应结构

      2．3 软件无线电资源共享自适应结构的一个实例

      图3所示的感知信道衰落、调制方式自适应的无线通信系统是软件无线电资源共享自适应结构的一个实例。该实例根据信道衰落自适应调整发射机调制方式传送声音和数据信息，如图3所示，当前采用16-QAM调制方式进行信息发送，假设由于环境变化，信道开始衰落，系统的误码率升高到某一门限，系统决定调整发射机调制波形以适应环境的变化。由于OFDM调制方式对信道的多径衰落不敏感，选择OFDM调制方式，必须对发射机的调制方式进行调整。

      以上调制方式的调整，在一个不支持动态部分重配置的FPGA中，一种方法是暂时中断通信，对整个FPGA进行重配置[3]，这在实际中是不现实的；另一种方法是把所有的调制方式都配置在FPGA中，但某一时刻仅使用一种调制方式，这种方法要求FPGA足够大，浪费了大量资源，在功耗和成本上极其不利。

      相比之下，支持动态部分重配置的SOPC仅在需要时把OFDM配置到某个区域然后把通信从16-QAM调制方式切换到OFDM调制方式；之后，原来的16-QAM调制方式所占用资源可以空出。这种方式占用资源要小得多，大大地节省了功耗及成本。

      当信道恢复到衰落不严重时，软件无线电发射机又可以动态重配置为16-QAM调制方式，切换至16-QAM，空出OFDM调制占用的资源。从图3可以看出，作为多载波调制的OFDM占用的资源要大大多于16-QAM调制方式（相应地，功耗及成本亦大），利用新一代SOPC的动态部分重配置技术，软件无线电能够在系统通信质量和通信设备的功耗和成本之间取得统一。

           图3感知信道衰落、调制方式自适应的软件无线电系统

      3 结论

      本文作者创新点是提出了基于新一代SOPC的软件无线电资源共享自适应结构。采用Xilinx公司的FPGA开发环境ISE配合Modelsim进行了16-QAM和OFDM两种调制方式的功能仿真和时序仿真，初步的结果显示大于64个子载波的OFDM调制使用的资源以百倍数量级超过16-QAM调制使用的资源，证明采用资源共享自适应结构的软件无线电能有效地降低整个系统的功耗和成本。随着SOPC技术及软件无线电理论的进一步发展，本文所提出的软件无线电资源共享自适应结构有望成为软件无线电及感知无线电的支柱技术之一。