4G系统中高速总线互连架构的研究与实现

1、引言

　　从1897年马可尼在一个固定站与一艘拖船之间完成的无线通信试验开始，无线通信技术得到了迅猛的发展。目前通信行业的热点是第三代移动通信技术（3G）具有较高的无线频率利用效率，能提供快捷、方便的无线应用，实现高速数据传输和宽带多媒体服务（传输速度最低为384k，最高为2M）。虽然 3G系统可以比旧有的2G系统传输速率快上很多倍，但是仍无法满足未来多媒体的通信需求。未来通信市场的主流服务需要为客户提供方便快捷的全球咨询信息的获取能力，因此未来通信服务必须具有宽带性（Broadband）、全球性（Globalization）、即时性（Immediacy）与移动性（Mobility）。要达到这个目标，必须将宽带互联网和宽带无限通信网络相结合，然而要实现无线通信网络和宽带核心骨干网的融合，包括3G在内的当前所使用的移动通信网络都力不从心，发展4G无线通信技术以支援无线互联网接入服务已刻不容缓。目前国际上尚未制定统一的4G通信标准，因此各发达国家均希望在未来4G标准制定上取得一席之地，欧美日等国很早就投入巨资开始研究，我国也在2002年启动了4G的研发工作，基本上与国际同步。

　　据预测，4G系统中将会采用大量新一代先进的通信技术，如OFDM、SDR、MIMO和智能天线、空时编码等，所提供的峰值速率可达到 100Mb/s，以满足未来对实时多媒体服务高带宽的业务需求。但是，随着这一系列最新技术的广泛应用，新一代系统整体的算法复杂度和传输性能较上一代系统有一个数量级的增加，如何为系统中诸多的处理、控制单元提供一种高效、高带宽、灵活的互连架构，成为4G无线通信系统设计中极具挑战性的难题。

　　2、4G系统平台架构的搭建所面临的问题

　　（1）数字基带处理算法复杂度的增大

　　4G移动通信系统中引入了MIMO无线通信技术。即在分布式接入方式下，传输信号由多个天线同时发送和接收，发送端和接收端之间的无线信道由传统的单输入单输出（SISO）系统转变成（MIMO）系统。MIMO信道可看作一组并行的子信道，其总的信道容量为各独立子信道的信道容量之和，理论上，随着天线个数的增加，信道容量显著增大，为提高无线网络的信息吞吐量、扩大覆盖区域和提高传输质量提供了巨大的潜力。但多天线环境下MIMO无线通信系统的带来的问题是基带信号处理的复杂度成几何级数增长。按现有的可编程逻辑器件逻辑规模，很难在单片或单板的条件下实现所有的基带逻辑算法，必然要求基站有复杂的平台互连结构。

　　（2）巨量数据传输的实时性要求

　　4G系统中物理层基带处理要求处理节点间数据的传输有较高的实时性。如果采用传统的共享型总线（如：PCI，CompactPCI等），随着基带处理节点数的增多，节点间交互数据量急剧增大，必然对设备间传输实时性能造成影响。所以采用传统的共享型架构的系统内连总线很难达到上述要求。因此需要设计新型的平台架构，以确保在有好的扩充性的前提下，实现连接在总线上的设备间进行数据传输时有小的总线潜伏期。

　　（3）高扩展性和灵活性的要求

　　目前国际上4G系统的标准尚未确定，采用的基带处理算法和链路层协议还在不断的验证和完善之中。所以4G系统平台内连总线应该具有高的可扩展性，使现在和今后不同的实现方案可以在对硬件平台改动极小的情况下得以实现。从而不必再担心由于改动部分实现方案技术而使系统的性能受到影响或降低原有系统平台的可用度。

　　同时，设计无线接入MIMO系统出于设计灵活性的考虑要求整个系统的各个部分都尽可能实现参数化，并可以进行参数的自适应调整和重新配置。平台设计中总线的可重配置技术特征是实现这一构想的有力支持。可重配置技术具有充分参数化、完全的可编程性、模块化设计、同时支持多种业务的特点，完全适应不同连接类型对互连平台的性能要求。

　　3、4G系统高速互连架构的需求分析

　　目前，4G标准尚未制定，国际电信联盟ITU也不能确定4G是什么东西，也就是说，4G只是开发者的一种设计概念和开发方向罢了。因此，ITU -R建议采用“IMT-2000的增强系统（Enhancement of IMT-2000）”或“后IMT-2000系统（Systems Beyond IMT-2000）”的说法，其中核心研究部分就是Beyond 3G，也即超三代移动通信系统。我国在2002年启动了十五863计划“Beyond 3G蜂窝移动通信无线网络试验系统研究开发”，目前为止已经进展到了第二期，基站和移动站的研究均已进入实现阶段。本文将以此项目为例，对新一代的B3G TDD系统的平台架构的设计进行介绍。因此在下面介绍4G系统的高速总线互连架构时，均以术语B3G来代替4G。
3.1　B3G TDD系统的基带处理系统架构框图简介

在B3G TDD系统中 ，基站端和移动站端有很多单元的设计方法相同，只是基站端的设计更为复杂，规模更为庞大，限于篇幅，本文将选取更有代表性的基站端收发系统的硬件架构进行分析。图1为B3G TDD基站端基带处理系统硬件总体架构[2]。

图1　基站端基带处理系统硬件总体架构

　　B3G TDD系统的基站由3个多天线发送模块、1个基带发送模块、3个多天线接收模块、1个交换时频序列处理模块、3个基带接收模块、以及1个MAC接口处理模块等构成，它们通过高速背板相互连接。基带发送模块完成编码、调制、空时发送处理、以及导频插入等，产生的基带发送信号送到多天线发送模块，进行多载波信号合成以及数模转换，产生多天线模拟基带发送信号，送到模拟前端。多天线接收模块，接收来自模拟前端的多天线模拟基带接收信号，进行模数转换、多载波分解以及载波和时间同步，产生同步的接收基带信号，经多天线阵接收处理模块合并后送到基带接收模块，基带接收模块完成信道估计、空时联合检测、解调与解码等，重建发送的信息序列。MAC接口处理模块完成系统的业务控制与质量管理，并通过千兆以太网接口与终端计算机和控制域交互信息。