4G系統中高速總線互連架構的研究與實現

1、引言

　　從1897年馬可尼在一個固定站與一艘拖船之間完成的無線通信試驗開始，無線通信技術得到了迅猛的發展。目前通信行業的熱點是第三代移動通信技術（3G）具有較高的無線頻率利用效率，能提供快捷、方便的無線應用，實現高速數據傳輸和寬帶多媒體服務（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，但是仍無法滿足未來多媒體的通信需求。未來通信市場的主流服務需要為客戶提供方便快捷的全球咨詢信息的獲取能力，因此未來通信服務必須具有寬帶性（Broadband）、全球性（Globalization）、即時性（Immediacy）與移動性（Mobility）。要達到這個目標，必須將寬帶互聯網和寬帶無限通信網絡相結合，然而要實現無線通信網絡和寬帶核心骨干網的融合，包括3G在內的當前所使用的移動通信網絡都力不從心，發展4G無線通信技術以支援無線互聯網接入服務已刻不容緩。目前國際上尚未制定統一的4G通信標準，因此各發達國家均希望在未來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始研究，我國也在2002年啟動了4G的研發工作，基本上與國際同步。

　　據預測，4G系統中將會采用大量新一代先進的通信技術，如OFDM、SDR、MIMO和智能天線、空時編碼等，所提供的峰值速率可達到 100Mb/s，以滿足未來對實時多媒體服務高帶寬的業務需求。但是，隨著這一系列最新技術的廣泛應用，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無線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題

　　（1）數字基帶處理算法復雜度的增大

　　4G移動通信系統中引入了MIMO無線通信技術。即在分布式接入方式下，傳輸信號由多個天線同時發送和接收，發送端和接收端之間的無線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，隨著天線個數的增加，信道容量顯著增大，為提高無線網絡的信息吞吐量、擴大覆蓋區域和提高傳輸質量提供了巨大的潛力。但多天線環境下MIMO無線通信系統的帶來的問題是基帶信號處理的復雜度成幾何級數增長。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。

　　（2）巨量數據傳輸的實時性要求

　　4G系統中物理層基帶處理要求處理節點間數據的傳輸有較高的實時性。如果采用傳統的共享型總線（如：PCI，CompactPCI等），隨著基帶處理節點數的增多，節點間交互數據量急劇增大，必然對設備間傳輸實時性能造成影響。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，實現連接在總線上的設備間進行數據傳輸時有小的總線潛伏期。

　　（3）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議還在不斷的驗證和完善之中。所以4G系統平臺內連總線應該具有高的可擴展性，使現在和今后不同的實現方案可以在對硬件平臺改動極小的情況下得以實現。從而不必再擔心由于改動部分實現方案技術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，設計無線接入MIMO系統出于設計靈活性的考慮要求整個系統的各個部分都盡可能實現參數化，并可以進行參數的自適應調整和重新配置。平臺設計中總線的可重配置技術特征是實現這一構想的有力支持。可重配置技術具有充分參數化、完全的可編程性、模塊化設計、同時支持多種業務的特點，完全適應不同連接類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，國際電信聯盟ITU也不能確定4G是什么東西，也就是說，4G只是開發者的一種設計概念和開發方向罷了。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）”的說法，其中核心研究部分就是Beyond 3G，也即超三代移動通信系統。我國在2002年啟動了十五863計劃“Beyond 3G蜂窩移動通信無線網絡試驗系統研究開發”，目前為止已經進展到了第二期，基站和移動站的研究均已進入實現階段。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行介紹。因此在下面介紹4G系統的高速總線互連架構時，均以術語B3G來代替4G。
3.1　B3G TDD系統的基帶處理系統架構框圖簡介

在B3G TDD系統中 ，基站端和移動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系統的硬件架構進行分析。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個多天線發送模塊、1個基帶發送模塊、3個多天線接收模塊、1個交換時頻序列處理模塊、3個基帶接收模塊、以及1個MAC接口處理模塊等構成，它們通過高速背板相互連接。基帶發送模塊完成編碼、調制、空時發送處理、以及導頻插入等，產生的基帶發送信號送到多天線發送模塊，進行多載波信號合成以及數模轉換，產生多天線模擬基帶發送信號，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，進行模數轉換、多載波分解以及載波和時間同步，產生同步的接收基帶信號，經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、空時聯合檢測、解調與解碼等，重建發送的信息序列。MAC接口處理模塊完成系統的業務控制與質量管理，并通過千兆以太網接口與終端計算機和控制域交互信息。