确定WiMAX系统中基于FPGA加速器的软硬件分工

技术要求和商业需求正促使WiMAX无线网络技术快速升温。通信行业面临着进一步降低无线通信网络成本的巨大压力,而实现这一点的一个可能方法就是提高目前的移动网络中使用的无线频谱的使用效率。综合利用一系列允许快速改变通信业务的调制模式和编码模式的先进技术,以及高级纠错技术和流量调度方案,可以有效提高无线频谱的使用效率。

　　类似于以太网和无线局域网（WLAN）技术规范,WiMAX无线网络标准基于一种大幅降低企业网络建设成本、提高网络效率的网络设备设计理念。WiMAX无线网络面临的最大挑战是,将其技术优势拓展应用于范围更加广阔的公共网络。

　　实现WiMAX系统的主要挑战

　　在实现WiMAX系统时,面临的最为严峻的挑战大概是确定处理器应当执行哪些任务以及硬件或者更确切地说,基于FPGA的加速器应当执行哪些任务。确定这种硬件和软件分工的关键是找到系统性能和处理要求以及产品上市速度之间的最佳平衡点。取决于实现这种折衷的方式,可以产生不同的用户端设备和基站实现。

　　WiMAX用户端设备必须采用一个处理器,并且借助硬件加速器,实现诸如循环冗余码校验（CRC）和加密/解密等比较低级的MAC功能。另一方面,基站则需要从比较低级的MAC加速器,升级为通过慢速通道/快速通道处理数据包。要在硬件中实现这个功能,基站的MAC层利用处理器（FPGA上的嵌入式处理器或外接处理器）实现了速度较慢的管理和控制功能,同时利用支持硬件加速的FPGA逻辑结构,实现了速度较快的数据通道功能。

　　MAC层实现的关键在于利用适当的队列和调度机制,实现处理“三网融合”的语音、数据和视频业务。虽然IEEE 802.16标准对此类功能做出了明确规定,但是各种竞争性解决方案实现这种特性的具体方式却各不相同,采用Xilinx的FPGA,设备制造商可以针对这个要求苛刻的系统设计领域,提供灵活的平台,开发、实现新的MAC层功能。

　　基于Xilinx的FPGA的MAC子系统可设计不同的WiMAX产品

　　最新推出的Virtex-4 FX平台FPGA包含了一个短时延辅助处理器接口（APU）。通过这个接口,可以将自定义指令整合到软件代码中,再通过执行这些指令,改变逻辑结构,从而简化了硬件/软件划分过程。

　　Xilinx平台FPGA还可以支持诸如高性能前向纠错（FEC）等先进的数字信号处理（DSP）功能,有助于实现高级功能和产品差异化。得益于Xilinx推出的包含在低成本WiMAX FEC包中的优化Turbo Convolutional编解码器,系统设计师可以快速部署这些高效率的FPGA核心,在WiMAX基带芯片中实现灵活的FEC解决方案。

　　目前,Xilinx器件通常用于实现射频卡中的高级DSP纠错算法,以及振幅因素缩小（CFR）、数字预矫正（DPD）和数字上变频器（DUC）和数字下变频器（DDC）等应用。通过以数字化方式矫正功率放大器（PA）的特性,可以利用更加经济划算的模拟射频电路,从而节省大量元件成本,并大幅降低基站的总成本。

　　虽然关于WiMAX标准及其相对于传统无线通信标准的优越性的讨论始终沸沸扬扬,但是,当前的发展趋势表明,WiMAX标准非常适于在无线通信网络上实现语音、数据和视频业务。早在WiMAX标准化进程的最初阶段,Xilinx就积极参与其中。Xilinx已经与许多客户合作开发了面向无线MAC层应用的加速式流量管理解决方案。可以根据应用要求,完成度身定制的实现。