（通信与信息系统专业论文）4g系统中信号处理硬件平台的研究和实现.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：耆揖垒本人签名：二墨垄生至 日期：上哗坐乒 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：盔丝聋 导师签名： 日期：j 啤业弓l 日期： 技术 收发 ( m i m o ) ，正交频分复用( o f d m ) 、高阶调制、自适应编码等都已 经得到大家的认同。 然而，这些技术在实现方面则都很复杂，必须在分阶段的基础上 进行并行处理。因此一方面要求信号处理器有强大的信号处理能力， 另一方面要求模块之间要有足够的信息交换能力，保证大量的中间数 据能够在规定时延内到达预定的模块。另外，无线基站系统的不断发 展也对信号处理硬件平台提出了新的要求。要求新一代的信号处理硬 件平台为一个模块化的、可扩展的、可伸缩的、软件自定义的、通用 的平台，从而实现移动基站系统的灵活性、可重配置性以及通用性。 这些要求都将在第四代移动通信系统中得到集中体现。 因此，本文依托国家8 6 3 计划针对4 g 的研究课题“g b p s 无线传 输关键技术与试验系统研究开发 展开了对4 g 系统中信号处理硬件 平台的研究，并设计实现了g b p s 试验系统的信号处理硬件平台。 论文分析了第四代移动通信系统的特点和关键技术，并根据 g b p s t d d 试验系统中信号处理算法的运算复杂度、模块的数据吞吐 量以及各处理阶段的存储量得出g b p s t d d 试验系统中信号处理硬 件平台所面临的难题。作者参与完成了g b p s 系统信号处理硬件平台 的整体结构设计、机箱结构和互连方案的设计、平台中核心信号处理 器的选择。文中详细描述了平台中通用信号处理单板的设计，包括核 心处理器电路设计、板间和板内接口电路设计、电源系统设计、时钟 和复位系统设计，并对高速电路设计中的关键性问题信号完整性问 题进行了研究与实现。 本文实现的符合g b p s 系统要求的信号处理硬件平台，成功承载 g p b s 系统中的信号处理算法，其中使用的开放机箱架构a t c a 、大 容量f p g a 、3 1 2 5 g b p s 串行传输技术等都代表了未来无线基站硬件 系统设计的发展方向。 关键字：4 g无线基站a t c af p g a串行传输 s i j j r e s e a r c ha n di m p l e m e n l = 舡i o n o fh a r d c a r ep i 。a t f o r mf o r4 g w i r e l e s ss i g n a lp r o c e s s i n g t h er e s e a r c ha n ds t a n d a r d i z a t i o no ft h ef o u r t hg e n e r a t i o n ( 4 g ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e nt h er e c e n th o t s p o ta l lo v e rt h ew o r l d ，i n w h i c h m a n yi n s t i t u t e s a n dc o m p a n i e sa r e t a k i n gp a r t i n a c t i v e l y , i n c l u d i n gc h i n a s o m en e wc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sh a v ea l r e a d y b e e ni nt h es t a g eo fm a r k e t i n gi nc o u n t r i e sl i k ea m e r i c a na n dj a p a n i ti s w i d e l ya c c e p t e d t h a t t e c h n o l o g i e s l i k em i m o ，o f d m ，h i g ho r d e r m o d u l a t i o na n da d a p t i v ec o d i n gw i l lb et h ek e yt e c h n o l o g i e si n4 g w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m h o w e v e r , i ti sm u c hd i f f i c u l tt o i m p l e m e n t t h e s e c o m p l e x t e c h n o l o g i e si nar e a lh a r d w a r es y s t e m i no n eh a n d ，h i g hp e r f o r m a n c e p r o c e s s o r sa r en e e d e dt oa c c o m p l i s ht h es i g n a lp r o c e s s i n g i nt h eo t h e r h a n d ，ad a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r ki sn e e d e dt of a c i l i t a t et h ed a t a e x c h a n g i n g b e t w e e nd i f f e r e n t a l g o r i t h m sm o d u l e s s o ，ah i g h p e r f o r m a n c e a n dh i g h t h r o u g h 。p u t h a r d w a r ep l a t f o r mi sn e e d e dt o i m p l e m e n tt h e s es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s w h a t sm o r e ，t h e i n v o l v i n go fw i r e l e s s b a s es t a t i o np u t sm o r er e q u i r e m e n t so nt h e h a r d w a r ep l a t f o r mo fs i g n a lp r o c e s s i n g i ti ss u p p o s e dt ob eam o d u l a r , e x t e n d a b l e ，s c a l a b l e ，s o f t w a r e d e f i n e da n dg e n e r a l i z e dp l a t f o r ms oa st o g u a r a n t e et h ef l e x i b i l i t yo f4 gw i r e l e s sb a s es t a t i o n s s o ，b a s e do nt h er e s e a r c hp r o i e c to f n a t i o n a l8 6 3p l a no n4 g c o m m u n i c a t i o ns y s t e m r e s e a r c ho nk e yr a d i o t ra n s i m m i s o nt e c h n l o g i e so fg b p ss y s t e ma n d d e v e l o p m e n to ft h ed e m os y s t e m t h i sp a p e rc o m p l e t e st h e r e s e a r c ho nt h eh a r d w a r ep l a t f o r i l lf o r4 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sa n dd e s i g n st h ed e m os y s t e ma c c o r d i n gt ot h e r e s e a r c hr e s u l t s n t h i sp 印e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ee v o l u t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e me s p e c i a l l yt h ed e v e l o p i n gt r e n d so fh a r d w a r ep l a t f o r m si nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o n t h e n ，t h i sp a p e rl o o k si n t ot h ef e a t u r e sa n d k e yt e c h n o l o g i e s o f4 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n d a n a l y z e s t h e c o m p u t i n gc o m p l e x i t y , t r a n s m i s s i o nt h r o u g h p u tr e q u i r e m e n ta n ds t o r a g e r e q u i r e m e n t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f g b p ss y s t e m s s i g n a l p r o c e s s i n ga l g o r i t h m s b a s e do nt h e s er e q u i r e m e n t st h i sp a p e rc o m p l e t e s t h e d e s i g n o fah a r d w a r e p l a t f o r m t h a t g u a r a n t e e s t h e s y s t e m s p e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , t h em a i ne f f o r t sa r et a k e nt oi l l u s t r a t et w o i m p o r t a n tp a r to ft h i sh a r d w a r ep l a t f o r m f i r s ti st h ea r c h i t e c t u r ed e s i g n o ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fi n t e r c o n n e c t i o na sw e l la st h e s e l e c t i o no fs i g n a lp r o c e s s o r s t h eo t h e ri st h ed e s i g no ft h eg e n e r a l s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e i nt h e p l a t f o r m ，i n c l u d i n g t h e d e s i g n o f p r o c e s s o r s c i r c u i t r y , t h ed e s i g no fa l lt h ed a u g h t e rc a r d s i n t e r f a c e ，t h e d e s i g n o fp o w e r s y s t e m ，t h ed e s i g no fc l o c k i n gs y s t e m a n dt h e i m p l e m e n t a t i o no fs i g n a li n t e g r i t yi nh i g hs p e e dd i g i t a ld e s i g n t h eh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g n e di nt h i sp a p e rs u c c e s s f u l l yb e a r sa l l t h ea l g o r i t h m si ng b p ss y s t e m i nt h i sp l a t f o r m ，a t c a ，h i g hp e r f o r m a n c e f p g aa n dh i g hs p e e ds e r i a lt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g i e sa r eu s e d ，w h i c h a l s or e p r e s e n tt h ed e v e l o p i n gt r e n d so ft h eh a r d w a r es y s t e m d e s i g n k e yw o r d s ：4 gr b sa t c af p g as i s e r i a l t r a n s m i s s i o n i i i 目录 】【 技术的发展1 基站设备的发展4 1 34 g 研究在全球和中国的开展情况5 1 4论文的研究内容6 1 5论文结构安排。6 第二章g b p s 系统结构8 及其信号处理硬件平台的总体设计8 2 1 试验4 g 移动系统：g b p s 系统8 2 1 1 g b p s 系统的技术特点8 2 1 2 g b p s 系统的链路结构8 2 1 3 g b p s 系统各算法模块的运算复杂度、存储量与吞吐率分析。9 2 2 g b p s 信号处理硬件平台的总体设计1 1 2 2 1 信号流结构1 2 2 2 2 机箱架构和互连方案1 2 2 2 3 信号处理器方案选择1 5 2 3 算法模块到信号处理芯片的映射2 1 2 4本章小结。2 2 第三章g b p s 系统中核心信号处理模块的设计2 3 3 1信号处理板的整体设计。2 3 3 2处理器和控制器电路的设计2 4 3 2 1f p g 0 v i r t e x 5 2 4 3 2 2c p l d x c 2 c 3 8 4 2 5 3 3子板接口设计2 6 3 3 1a d c d a c 子板接口2 6 3 3 2 剐m c 子板接口2 6 3 3 3r t m 子板接口。2 8 3 4 控制平面设计2 8 3 4 1 配置电路的设计2 8 3 4 2 时钟分配系统的设计2 9 3 4 3 复位电路的设计3 0 3 5 高速数据接口设计3 1 3 5 1g t p 电路设计3 1 3 5 2d d r 2 电路设计3 3 3 5 3l v d s 电路设计。3 5 3 5 4g e 电路设计3 6 3 6 电源系统及上电顺序设计。3 7 3 6 1 功耗分析3 7 3 6 2 供电方案设计3 8 3 6 3 上电顺序控制4 0 i v 3 7本章小结4 1 第四章信号完整性设计及高速串行传输的实现4 2 4 1 高速数字电路与信号完整性问题。4 2 4 2g t p 高速串行传输4 4 4 2 1g t p 参考时钟的设计4 5 4 2 2g t p 供电电源设计4 7 4 2 3p c b 叠层设计和p c b 布局布线的设计4 8 4 2 4 预加重和均衡。4 9 4 3 本章小结5 4 第五章总结5 5 参考文献。5 6 附录：缩略语对照表5 7 致谢5 8 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文目录5 9 v 第一章绪论 始到如今的1 2 0 多年间，移动 年7 月份，全球移动用户数已 经达到4 4 亿，普及率高达6 5 l l j 。而中国的移动用户数也达到了7 1 亿之多。 可见移动通信已经深入了人们的生活，深刻地影响着世界经济文化的发展。移动 通信技术的研究也成为了科研以及工业界的热点。按照移动通信制式的发展变化 可以将移动通信技术的发展概括为以下几个阶段： 第一代( 1 g ) 蜂窝移动通信系统主要采用的是模拟技术和频分多址( f d m a ) 技术。由于受到传输带宽的限制，系统容量小，可容纳的用户数量非常有限，且 不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信语音业务系统。典 型代表有a m p s 、n m t 、t a c s 等模拟蜂窝网。它和以前的系统相比，最大的突 破是采用了贝尔实验室提出的小区制蜂窝系统，实现了频率复用【羽，使系统容量 得以提高。第一代系统的缺点是：频谱效率较低，仍未有效解决用户数量快速增 长带来的容量问题。另外，第一代系统能够提供的业务种类比较单一，只有话音 业务；模拟系统存在同频干扰和互调干扰且保密性较差。 第二代( 2 g ) 蜂窝移动通信系统采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 的数字调制方式。第二代移动通信也是以语音业务为主，但也能够提供一些低速 的数据业务，速度只有9 6 k b p s 。这一代的移动通信系统的典型代表有欧洲的全 球移动通信系统( g s m 系统) 、北美的数字增强型系统i s 1 3 6 、i s 9 5c d m a 以 及日本的个人数字蜂窝系统( p d c 系统) 等数字蜂窝系统。第二代数字移动通 信系统由于采用了信道数字复用、数字调制和低比特率话音编码技术，克服了第 一代模拟移动通信系统存在的频谱利用率低、语音质量不高、缺少必要的通信安 全功能及提供的业务受到限制等缺点，提供了较第一代而言更高的频谱效率，更 好的数据业务以及更先进的漫游机制。但由于其技术的局限性，存在着话音质量 仍不理想、数据传输率低、频谱利用率不高等问题。 第三代( 3 g ) 移动通信系统主要采用宽带c d m a 技术，工作频段为2 g h z 3 1 。 第三代移动通信系统的目标就是将各种业务结合起来，用一个单一的全功能网络 来实现，其传输速度最低为3 8 4 k b p s ，最高为2 m b p s ，带宽可达5 m h z 以上。其 基本思想是集移动通信技术于一体，包括无绳电话、蜂窝移动电话和卫星通信， 并以其为基础，以个人信息服务为对象，实现无约束的通信。它能提供更大的系 统容量和更高的通信质量，同时还将综合宽带网的业务尽量延伸到移动环境中， 北京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 能够传送高达2 m b p s 的高质量图像。然而，虽然3 g 系统能够提供的数据传输速 率相比2 g 系统高出了上百倍，但其仍然难以满足用户日益增长的传输带宽要求， 也难以满足用户对移动多媒体业务及用户体验度的追求。 第四代( 4 g ) 移动通信系统就是为了解决用户日益增长的数据带宽需求与 现有移动通信系统有限的承载能力间的矛盾而产生的。2 0 0 0 年1 0 月6 日国际电 信联盟( r r u ) 成立了下一代宽带移动通信系统工作组，将4 g 命名为 “i m t - a d v a n c e d ”1 4 。约定未来的4 g 系统应具备以下基本条件： ( 1 ) 具有很高的传输速率和传输质量。在移动状态下达到速率1 0 0 m b i t s ， 静态和慢移动状态下达到速率1 g b i t s ，与现有的移动通信技术相比，4 g 的传 输速度可提高1 0 0 0 倍。4 g 应该具有承载大量的多媒体信息、非对称的上下行链 路速率、地区的连续覆盖、q o s ( 服务质量) 机制、很低的比特开销等功能。 ( 2 ) 灵活多样的业务功能。未来的移动通信网络应能使各类媒体、通信主机 及网络之间进行“无缝”连接，使得用户能够自由地在各种网络环境间无缝漫游。 ( 3 ) 开放的平台。未来的移动通信系统应在移动终端、业务节点及移动网络 机制上具有“开放性 ，使得用户能够自由地选择协议、应用和网络。 ( 4 ) 高度智能化的网络。未来的移动通信网将是一个高度自治、自适应的网 络，具有很好的重构性、可变性、自组织性等，以便于满足不同用户在不同环境 下的通信需求。 ( 5 ) 高度可靠的鉴权及安全机制。未来的移动通信网将是基于分组数据( i p ) 网 络，应保证数据的安全可靠性，提高整个网络的生存力。 通过业界长期的研究，为了满足4 g 系统的上述条件，具体实现4 g 系统较 3 g 的优越之处，4 g 移动通信系统将将主要采用以下关键技术： ( 1 ) 接入方式和多址方案 o f d m ( 正交频分复用) 是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是 在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行 调制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是 每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信 道的相干带宽。o f d m 技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，对多 径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。 o f d m 的主要缺点是峰均比高，功率效率不高，但是业界针对这一问题展开了 广泛的研究。通过消峰算法的改进、射频功放性能的提高，现在已经将o f d m 的峰均比问题控制在可接受的范围之内了。 ( 2 ) 调制与编码技术 4 g 移动通信系统采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术以及 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 单载波自适应均衡技术等调制方式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿 命。另外，4 g 移动通信系统中广泛采用高阶调制技术，如1 6 q a m 、6 4 q a m 以 及2 5 6 洲等，极大地提高了频谱利用率，并且借助于可变自适应编码调制技 术，可以根据信道环境选择合适的调制编码技术，保证通信的质量。4 g 移动通 信系统采用更高级的信道编码方案( 如t u r b o 码、级联码和l d p c 等) 、自动重发 请求( a r q ) 技术和分集接收技术等，从而在低e b n 0 条件下保证系统足够的性 能。 ( 3 ) 高性能的接收机 4 g 移动通信系统对接收机提出了很高的要求。s h a n n o n 定理给出了在带宽 为b w 的信道中实现容量为c 的可靠传输所需要的最小s n r 。按照s h a n n o n 定 理，可以计算出，对于3 g 系统如果信道带宽为5 m h z ，数据速率为2 m b s ，所 需的s n r 为1 2 d b ；而对于4 g 系统，要在5 m h z 的带宽上传输2 0 m b s 的数据， 则所需要的s n r 为1 2 d b ，要在1 0 0 m h z 的带宽上传输1 0 0 0 m b s 的数据，则所 需要的s n r 为3 0 d b ，可见对于4 g 系统，由于速率很高，对接收机的性能要求 也要高得多。这集中体现在对4 g 接收机的前端低噪声放大器的性能要求上，要 求其自身噪底非常低，从而保证引入的噪声非常小。 ( 4 ) m i m o 技术 m i m o ( 多输入多输出) 技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技 术，它采用的是分立式多天线，能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信 道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线 之间互不相关时，m i m o 系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获 得巨大的容量。例如：当接收天线和发送天线数目都为8 根，且平均信噪比为 2 0 d b 时，链路容量可以高达4 2 b p s h z ，这是单天线系统所能达到容量的4 0 多倍。 因此，在功率带宽受限的无线信道中，m i m o 技术是实现高数据速率、提高系统 容量、提高传输质量的空间分集技术。在无线频谱资源相对匮乏的今天，m i m o 系统已经体现出其优越性，也会在4 g 移动通信系统中继续应用。 ( 5 ) 软件无线电技术 软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利 用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新 技术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带a d 和d a 变换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用 软件实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信 源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具 有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采 3 t 唪- 北京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变q o s 。 ( 6 ) 智能天线技术 智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认 为是未来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向 波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向， 达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。智能天线可以明显改 善无线通信系统的性能，提高系统的容量。 由于4 g 系统中将使用多种复杂通信算法，所以对信号处理算法实现的硬件 平台提出了新的要求。本文正是针对4 g 移动通信基站硬件系统进行研究的。 1 2 移动通信基站设备的发展 随着移动通信技术和制式的不断发展，移动通信的基站设备的体系结构也在 不断变化。主要呈现以下一些特点： 1 、由传统宏基站结构向分布式基站结构发展。所谓分布式基站，是指基站 的数字基带处理部分和射频部分作为各自独立的模块分开放置并通过光纤相连 的一种基站模式。正是由于分布式基站有别于传统宏基站所有模块集中在同一机 柜的特点，使得其在移动通信组网和建设中具有传统宏基站所不具备的以下优 势。如节省机房空间分布式基站b b u 和r r u 分离，室内的b b u 设备只负责基 带信号处理，没有射频器件特别是功放模块，因此具有体积小、重量轻、功耗低、 易于安装等特点。在目前移动通信网建站选址越来越困难的状况下，分布式基站 “0 ”机房占用的特点相比于宏基站可以达到节省机房空间、降低网络建设成本、 加快网络建设速度的目的；提高覆盖能力。传统宏基站的发射与接收都要使用馈 线，馈线会给信号带来损耗，损耗的大小与馈线的型号和长度有关。而b b u 和 r r u 之间使用光纤连接，几乎没有损耗，因此和宏基站相比分布式基站具有更 高的接收灵敏度和天线端发射功率。以w c m d a 为例，通过链路预算对比可知， 在不同的环境下，相同发射功率的分布式基站相比宏基站覆盖增大2 0 至3 0 ； 工程实施便利。和宏基站相比，本地拉远的分布式基站用光纤传输基带信号代替 馈线传输射频信号。光纤的工程难度远远的小于铺馈线。尤其是在当前，考虑到 城市景观等因素，越来越多的站点需要进行隐蔽和伪装，在这方面光纤较馈线的 优势就更为显著。 2 、由支持单一模式通信标准向支持多种通信标准乃至统一平台发展以及由 不可重配置向可动态重配置乃至软件定义无线电发展。移动通信标准的发展和演 进是非常迅速的，所以在一个较长时期内各种通信制式的移动用户将同时存在， 这就给移动运营商的运营带来了挑战。为了减少设备购买和维护成本、站址选址 成本等，移动运营商期望基站设备商能够提供一种可以支持多种通信制式的基站 4 北京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 设备，并且要求基站设备是可动态配置的，从而可以实现系统的平滑升级。这些 需求推动了多模基站和统一平台基站的发展。在业界已有设备商推出了基于统一 平台的多模基站，使多制式技术体系无缝融合。如今g s m 、w c d m a 、 h s p a h s p a + 和l t e 统一基站已经成为现实，既能解决现有投资的长期保护问 题，帮助运营商向未来平滑演进，又能对现有网络落后淘汰的基站设备进行反向 替代和优化，左右逢源，并行发展。软件定义无线电技术的使用进一步加强了这 种统一平台的多模基站的可伸缩性，即通过更新基站系统中的软件即可实现基站 升级从而适应新出现的移动通信标准。 3 、由使用专用标准向支持开放标准发展。设备的互连互通可以极大地降低 运营商的成本，增强系统集成的灵活性。而在使用开放标准之前，各基站设备厂 商都使用各自定义的专有标准，相互之间几乎不能互连互通。所以，使用开放标 准将是运营商对设备商的进一步需求已将推动基站使用开放标准的发展。如在机 箱结构上使用a t c a l 5 1 、m i c r o t c a 和a m c n 、在b b u 和r r u 互连上使用c p r i 或者o b s a i 协议等等开放的标准。 1 34 g 研究在全球和中国的开展情况 国际上4 g 的技术与标准角力早就如火如荼地展开，任何有企图的厂商、任 何有实力的国家，都不愿意在这场战役中缺席。目前，日本、韩国、美国、欧盟 等已经在泛4 g 技术的研究上取得了领先，这些国家无不是采用“政府+ 运营商+ 制造企业 的模式来推动泛4 g 技术的研究，许多企业已经在泛4 g 技术领域有 了长达十年左右的技术储备。目前，欧洲和美国一些大学和机构都已大力投入对 4 g 的研究，并结成了一些联盟。 到目前为止，国际国内针对4 g 的研究已经取得了一系列重要的进展。日本 n t r - d o c o m o 公司已经通过4 x 4 和1 2 x 1 2 多天线m i m o 技术在1 0 0 m h z 带宽 下分别验证了1 g b p s ( 室外试验) 和5 g b p s 的峰值传输速率，在硬件实现方面处 于世界领先位置。在我国，2 0 0 1 年底，中国高技术研究计划( 8 6 3 计划、) 启动了面 向后三代四代( b 3 g 4 g ) 移动通信发展的重大研究计划一未来通用无线环境研究 计划t t - s l ( f u t u r et e e l m o l o g yf o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t 简称f u t u r e 计划) ， 其主要目标是面向未来1 0 年无线通信领域的发展趋势与需求，重点突破新一代 移动通信系统关键技术，逐步建立一个集大范围蜂窝移动通信、区域性宽带无线 接入和短程无线连接为一体的通用无线电环境，对新一代无线与移动通信知识产 权和体制标准的形成做出较大贡献，为中国未来无线与移动通信产业的跨越式 发展创造条件。f u t u r e 计划主要分为两个重要分支：t d d 和f d d 。两个分支 形成了t d d 和f d d 两套方案，并研制出了b 3 g 分布式蜂窝移动通信无线网络 实验系统。 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 国家8 6 3 重大课题“b e y o n d3 g 蜂窝移动通信无线网络试验系统研究开发” 由国内几所高校和企业共同承担。其中，由北京邮电大学负责的t d d 制式的 b e y o n d3 g 系统子课题为“t d d 系统o f d m 上行链路设计与实现及t d d 系统技 术集成 ，课题编号为2 0 0 3 a a l 2 3 3 1 0 0 4 。2 0 0 6 年6 月，该子课题顺利地通过了 国家8 6 3 通信技术主题组织的课题验收【9 】。同年8 月至1 0 月，在上海长宁区构 建出首个基于分布式无线网络、具有4 g 移动通信基本特征的现场试验系统【1 0 j 。 1 4 论文的研究内容 在“b e y o n d3 g 蜂窝移动通信无线网络试验系统研究开发”课题的基础上， 2 0 0 6 年底，科技部启动“g b p s 无线传输关键技术与试验系统研究开发 课题， 由北京邮电大学承担，课题编号为2 0 0 6 a a 0 1 2 2 8 3 ，其研究目标为：突破基础性 的g b p s 无线传输硬件与软件关键技术，研制出无线数据传输能力达到1 g b p s 以 上的试验验证系统，并进行相关试验和典型业务传输演示。其主要研究内容：低 复杂度g b p s 无线传输系统链路与m a c 设计技术、宽带射频与多天线实现技术、 高速模数数模转换与基带处理技术、软件控制技术、口网络接口技术与业务应 用技术等。探索g b p s 无线传输技术在第四代( i m ta d v a n c e d ) 移动通信、无线 局域网和短距离无线通信等系统中的应用。主要指标为：系统载频2 g h z 以上， 无线传输带宽不大于i o o m h z ，系统无线数据传输速率不小于1 g b p s 。 本文以“g b p s 无线传输关键技术与试验系统研究开发课题为依托，对4 g 移动基站系统中的信号处理平台进行研究。研究内容主要包括，4 g 移动通信系 统中信号处理算法复杂度和吞吐量的研究、4 g 移动通信系统中信号处理平台架 构的研究、信号处理器架构的研究、移动通信基站内信号处理单板间及单板内互 连方案的研究、高速数字电路设计的研究、高速串行传输系统的研究及其信号完 整性( e m i ) 问题的研究等，并最终为g b p s 无线传输系统设计一个模块化的、 可伸缩的、可扩展的、高性能的、软件自定义的、可重配置的信号处理算法的通 用承载平台。承载了以m i m o o f d m 为特点的g b p s 无线传输系统中的o f d m 同步算法、o f d m 信道估计算法、m i m o 空时译码以及l d p c 信道解码等所有 的物理层无线信号处理算法。该无线信号处理平台是实现g b p s 无线传输系统坚 实的基础。 1 5 论文结构安排 本文内容结构安排如下： 第一章“绪论 ，将分阶段回顾移动通信系统的发展历程以及对每个阶段的 特点做出了概括，重点给出第四代移动通信系统的基本要求及其在全球和国内的 发展情况，并将分析移动通信基站设备的几大发展趋势，在此基础上介绍本课题 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 的研究背景及主要的研究内容和作者的主要工作。 第二章“g b p s 系统结构及其信号处理硬件平台的总体设计 ，将先介绍具 备4 g 特点并符合4 g 要求的6 b p s 系统( 后文中出现的g b p s 都特指g b s p t d d 系统，除有特殊说明) 的主要特点及其使用的各种无线信号处理算法，并分析 g b p s 系统中复杂的无线信号处理算法将给基站信号处理平台带来怎样的要求和 挑战，然后将给出g b p s 系统中信号处理硬件平台的总体设计，包括机箱结构的 选择、信号处理器架构的选择、信号处理单板之间的互连方式及信号处理单板内 的互连方式的选择。 第三章“g b p s 系统中核心信号处理模块的设计 ，将着重介绍g b p s 系统中 通用信号处理模块信号处理板的具体设计。包括信号处理板的整体结构、信号 处理器和控制器电路设计、各子板接口设计、控制平面设计、高速数据接口设计、 电源系统及上电顺序设计。 第四章“信号完整性设计及高速串行传输的实现 ，将首先介绍高速数字设 计中可能出现的各类信号完整性问题，然后介绍在g b p s 信号板上针对这些问题 进行的高速串行传输电路的设计，从而实现在1 9 英寸a t c a 背板上进行 3 1 2 5 g b p s 串行传输的关键技术。 第五章“总结 ，总结全文的主要内容，给出对4 g 系统中信号处理硬件平 台的研究成果。 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章g b p s 系统结构及其信号处理硬件平台的总体设计 第二章g b p s 系统结构 及其信号处理硬件平台的总体设计 2 1 试验4 g 移动系统：g b p s 系统 2 1 1 g b p s 系统的技术特点 移动通信技术包含两种双工方式：f d d ( 频分双工) 和t d d ( 时分双工) 。 在t d d 模式的移动通信系统中，基站到移动台之间的上行和下行通信使用同一 频率信道( 即载波) 的不同时隙，用时间来分离接收和传送信道，某个时间段由基 站发送信号给移动台，另外的时间由移动台发送信号给基站。本文中的g b p s 系 统正是基于t d d 模式的移动通信系统。 g b p s 无线网络试验系统包括接入点( a p ) 和移动终端( m t ) 。 g b p s 移动通信系统的目标是在3 5 g h z 频段1 0 0 m 带宽内使信息传输速率大 于或等于1 g b p s ，数据业务的误码率低于1 0 6 ，覆盖半径1 2 公里，允许最大 多径传输时延= 2 u s ，将现有移动通信技术的传输效率提高近1 0 倍。为达到这 样的目标，系统采用了先进的宽带无线、移动通信新技术：基于时分双工( t d d ) 的o f d m 上、下行无线链路传输技术，灵活配置的m i m o 方案及空时信号处理 技术，高阶q a m 等调制方式，l d p c 码等高效编码技术，自适应链路传输控 制技术，自适应编码调制，基于全i p ，软件无线电技术等。 g b p s 系统的目标速率提升带来算法复杂度和吞吐率的显著提升，再加上无 线通信系统的发展趋势是缩短t t i ( l t e 要求是l m s ，小于h s p a 的2 m s ) ，这使 得系统处理密度显著提高，从而对信号处理硬件平台的设计带来了新的挑战。 2 1 2 g b p s 系统的链路结构 图2 - 1g b p s 系统实现高速上行模式帧结构 图2 1 为g b p s 系统的帧结构。帧结构的设置对系统的影响显著。要保证可 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章g b p s 系统结构及其信号处理硬件平台的总体设计 靠的系统同步、信道估计等功能单元，并支持自适应编码、调制等模块，同时还 要考虑硬件实现的方便性与可实现性。 g b p s 系统设置无线帧长为5 m s ，避免了采用较长帧时自适应调制的复杂度； 每帧中包含8 个时隙，有7 个高速传输链路时隙、1 个低速传输链路时隙和1 个 上下行同步时隙( 用于系统的定时同步、频率同步和多用户上行同步等) 。 g b p s 系统物理层上行链路结构图如图2 2 所示，待发送的用户数据在发送 端经过c r c 、信道编码、打孔、天线交织、高阶调制、i f f t 、加循环前缀、插 入导频与同步时隙后，将数字基带信号经过d a 器件变换为模拟基带信号，再通 过上变频调制到射频