（通信与信息系统专业论文）面向软件无线电的片上网络关键技术研究.pdf

摘要 摘要 软件无线电是一种实现无线通信的新概念和体制。一开始应用在军事领域， 在2 1 世纪初，由于众多公司的努力，使得它已从军事领域转向民用领域，并得到 了广泛的应用。 现有在芯片内的基于总线互连方法将会使得产品成本昂贵，功耗极高，扩展 性不强。为实现并行软件无线电处理平台高速的数据处理能力，传统的基于总线 的处理器间通信方式已不再适用。因此人们提出了片上网络的概念。片上网络受 到广域网模型的启发，采用数据分组通信技术，将会取代今天在复杂系统芯片上 连接功能模块所使用的互连总线方法。片上网络通信系统具有良好的可扩展性， 能够满足高速数据交换的需要。 本文首先介绍了软件无线电体系结构，并主要研究了并行平台软件无线电的 设计方法，存在的问题及未来的发展趋势。 为了实现并行平台软件对无线电处理的方法，引入了片上网络的概念。本文 也介绍了片上网络系统结构的特点，尤其是研究了其网络层的结构与设计方法。 在本文中，还介绍了我承担研发的消息传递式片上网络仿真器：m s n s 。详细 介绍了m s n s 的设计方法与仿真流程。并对一些典型应用和典型拓扑的重要指标 进行了仿真验证。其中也包括采用了与高层应用和网络中实际数据传递相结合的 动态功耗分析方法，并在m s n s 中仿真了片上网络系统的功耗特性。 另外，本文在传统的m m 1 排队模型的基础上，还提出了采用m g 1 排队模 型对片上网络的数据传递时延进行分析的方法，并使用了m s n s 进行仿真验证。 本论文所研究的关于片上网络功耗与数据传递时延的所有算法均在m s n s 仿 真器环境中进行了仿真验证，相比传统的分析方法，结果更为精确可靠，具有通 用性、可移植性，有重要的理论及经济价值。 关键字：片上网络，软件无线电，功耗分析，消息传递接口，排队论 a b s t r a c t s o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g yi ss o r to f c o n c e p t i o na n df o r m a tw h i c hi sw i d e i vu s e di n i m p l e m e n t a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a tf i r s t ，i ti s m a i n l yu s e di nt h em i l i t a r y f i e l d ；d u et ot h ee f f o r to fm a n yc o m p a n i e s ，s o f t w a r er a d i ow a sb e i n gs t a r t e dt o t r a n s p l a n tt oc i v i la r e aa tt h eb e g i n n i n go f21s tc e n t u r y i h ee x i s t e di n t e r c o n n e c t i o nm e t h o do fi c c h i p sb a s e do nb u sw i l lm a k et h e p r o d u c t i o n se x p e n s l v ea n dc o n s m - n eag r e a ta m o u n to fp o w e r t h e s c a l a b i l i t yi s r e s t r i c t e da sw e l l f o rt h eh i g hd a t ap r o c e s s i n gc a p a c i t yn e e d e d b yp a r a l l e ls o r w a r e r a d i o p l a t f o r m ，t r a d i t i o n a lb u sm e t h o di sn o l o n g e r s u i t a b l e s ot h ec o n c e p to f n e t w o r k 。o n 。c h i pi si n t r o d u c e d t h ec o n c e p to fn e t w o r k o n c h i pt a k e su s eo ft h e c o n c e p to fw i d ea r e an e t w o r k ；t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do np a c k e t c o m m u n i c a t i o ni su s e di n n e t w o r k o n - c h i p n e t w o r k o n c h i ps y s t e mp o s s e s s e s s a t i s f i e ds c a l a b i l i t y ；a n di tc a nm e e tt h ed e m a n do f h i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ec o n c e p ta n df r a m e w o r k o fs o f t w a r er a d i oi si n 订o d u c e df i r s t t h e d e s i g nf l o w , d r a w b a c k sa n df u t u r eo fs o f t w a r er a d i oi sa l s or e s e a r c h e d f o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fp a r a l l e l p r o c e s s i n gp l a t f o r mo fs o f t w a r er a d i o t h e c o n c e p to fn e t w o r k 。o n - c h i pi sa l s oi n t r o d u c e d t h ef e a t u r e ，a r c h i t e c t u r e ，d e s i g nf l o wo f n e t w o r k o n c h i ps y s t e ma l ea l lr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s i nt h i s t h e s i s ，am e s s a g ep a s s i n gs t y l e n e t w o r k o n c h i ps i m u l a t o r , m s n s d e v e l o p e db ym ei sa l s op r e s e n t e d t h ed e s i g na n ds i m u l a t i o nf l o wo ft h i ss i m u l a t o ri s p r e s e n t e di nd e t a i l w ea l s oe x a m i n e ds o m et y p i c a la p p l i c a t i o n sa n dt o p o l o g i e si nt h i s t h e s l s ，i n c l u d i n gad y n a m i cp o w e ra n a l y s i sm e t h o d o l o g yc o m b i n i n gt h ei n f o r m a t i o no f b o t hh i g hl e v e la p p l i c a t i o ns y s t e ma n dd a t af l o wi nt h en e t w o r k 1 1 1 i sm e t h o d i sv e r i f e d i no u rs i m u l a t o n b e s i d e s ，an o v e la n a l y s i sm e t h o db a s e do nm g 1 q u e u i n gm o d e li sa l s op r e s e n t e d i n t h i sp a p e r t h i sm e t h o di sa ni m p r o v e m e n to ft r a d i t i o n a lm e t h o db a s e do nm m 1 q u e u i n gm o d e l ；a n di ti sv e r i f i e di nm s n sa sw e l l a l la l g o r i t h m si nt h i st h e s i sa b o u tp o w e r c o n s u m p t i o ni nn e t w o r k o n c h i ps y s t e m a n da n a l y s i so fn e t w o r k d e l a ya r ev e r i f i e di nm s n s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d ， i i a b s t r a c t w em a yo b t a i nam o r ea c c u r a t ea n dr e l i a b l er e s u l t k e y w o r d s ：n e t w o r k o n c h i p ，s o f t w a r er a d i o ，p o w e rc o n s u m p t i o n ，m e s s a g ep a s s i n g i n t e r f a c e ，q u e u e i n gt h e o r y i i i 图目录 图目录 图1 1软件无线电接收机的结构1 图2 1流水式软件无线电结构9 图2 2 数字下变频基本结构一1 0 图2 3p i c o a r r a y 内部结构1 i 图2 - 4 三种处理器拓扑结构图一1 3 图3 1片上网络层次划分一1 7 图3 22 维m e s h ，3 维m e s h 以及环面网络拓扑结构1 8 图3 3 八角形网络、立方环网络拓扑结构1 8 图3 4 结合尽力服务与保证服务的交换结构2 2 图4 1采用s y s t e m c 设计系统的流程框图2 6 图4 2 消息传递式片上网络仿真器层次结构一2 9 图4 3消息传递式片上网络仿真器仿真流程3 0 图4 4 网络信息文件结构示例3 2 图5 1c r o s s b a r 交换结构3 5 图5 2 全联通网络结构3 6 图5 3b a n y a n 网络结构3 7 图5 4b a n y a n 网络t h o m p s o n 栅格结构3 7 图5 5b a t c h e r b a n y a n 网络结构3 8 图5 - 6 交换节点结构一4 0 图5 7f f t 并行计算流一4 2 图5 8 并行f f t 在2 2m e s h 拓扑上的执行时间4 4 图5 - 9 并行f f t 在4 4m e s h 拓扑上的执行时间4 4 图5 1 0 并行f f t 在4 4t o r u s 拓扑上的执行时间4 5 图5 1 1并行f f t 在m e s h2 2 拓扑上的执行时间4 6 图目录 图5 1 2 并行f f t 在m e s h4 4 拓扑上的执行时蒯4 6 图5 1 3并行f f t 在t o r u s4 4 拓扑上的执行时间4 7 图5 1 4并行f f t 在m e s h2 2 拓扑上的功耗4 8 图5 1 5 并行f f t 在m e s h4 4 拓扑上的功耗4 8 图5 1 6 并行f f t 在t o r u s4 4 拓扑上的功耗：4 9 图6 1排队系统的一般结构一5 1 图6 2 单服务台单列排队系统结构一5 2 图6 3多服务台单列排队系统结构5 2 图6 4多服务台多列排队系统结构5 2 图6 5 多服务台串列排队系统结构一5 2 图6 - 6 多服务台混合排队系统结构一5 3 图6 7 系统顾客数跳转概率5 5 图6 82 维网状拓扑逻辑5 9 图6 - 9 单独交换节点内部结构一6 0 图6 1 0 基于m g i 1 队列的算法步骤一6 4 图6 1 1m g i 1 排队队列的服务时间概率密度函数6 6 图6 1 2m m 1 排队队列与m g i 1 排队队列的服务时间的对比一6 6 图6 1 3改变排队利用率对比m m 1 排队队列与m g i 1 排队队列服务时间6 7 图6 1 4 抽象热点网络流量模型6 8 图6 1 5 抽象热点网络流量模型算法与仿真比较6 9 图6 1 6 并行f f t 运算中的数据通信7 0 图6 17并行f f t 运算中的算法与仿真结果7 1 图6 18随机化并行f f t 运算中的数据通信7 1 图6 1 9随机化并行f f t 运算中的算法与仿真结果7 2 v i l l 表目录 表目录 表2 1各种软件无线电处理方法优缺点对比1 l 表5 1功耗估计的符号表示3 9 表5 2 不同场景配置参数一4 3 表5 3 制造工艺参数4 7 表6 1输出端口1 的输入流量6 5 表6 2 网络中各热点流量发生器的数据率6 7 i x 缩略词表 缩略词表 f p g a f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列 a s i c a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t 专用集成电路 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 数字信号处理 a d c a n a l o gd i g i t a lc o n v e a e r 模数转换器 p c bp r i n t e dc i r c u i tb o a r d印制电路板 i c i n t e g r a t e dc i r c u i t 集成电路 s o c s y s t e mo nc h i p 片上系统 n o cn e t w o r ko nc h i p 片上网络 s d r s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o软件定义无线电 s r s o f t w a r er a d i o软件无线电 p d r p r o g r a m m a b l ed i g i t a lr a d i o s 可重配无线电 v c o v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r 压控振荡器 d d sd i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r 数字频率合成器 u m lu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e 统一建模语言 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 t d s c d m at i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o n 时分同步码分多址接入 m u l t i p l ea c c e s s w c d m a w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s宽带分码多工存取 l e l o g i c a le l e m e n t 逻辑单元 c p u c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t中央处理单元 p cp e r s o n a lc o m p u t e r 个人电脑 f i rf i n i t ei m p u l s er e s p o n s e有限冲击响应 f f tf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅立叶变换 i o i n p u t o u p u t 输入输出 x 缩略词表 o m t i p h d l s d l i d l o s i t c p i p v c t b e g t o c p f s m r t l p e m p i s l d l o s c i i e e e m u x c m o s d f t d s p p r l c f s f c f s 0 b j e c t - m o d e l i n gt e c h n i q u e i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e s p e c i f i c a t i o na n dd e s c r i p t i o nl a n g u a g e i n t e r f a c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n 面向对象建模技术 知识产权 硬件描述语言 定义与描述语言 接口定义语言 开放性系统互联 t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e t 传输控制协议因特网 p r o t o c o l v i r t u a lc u t t h r o u g h b e s te f f o r t g u a r a n t e e dt h r o u g h p u t o p e nc o r ep r o t o c o l f i n i t es t a t em a c h i n e r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l p r o c e s se l e m e n t m e s s a g ep a s s i n gi n t e r f a c e s y s t e ml e v e ld e s i g nl a n g u a g e o p e ns y s t e m ci n i t i m i v e 协议 虚跨步 尽力服务 保证服务 丌放式核接口协议 有限状态机 寄存器传输级 处理单元 消息传递接口 系统级设计语言 标准化团体 i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s 电气电子工程师协会 e n g i n e e r s m u l t i p l e x e r 多路复用器 c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r 互补金属氧化物半导体 d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r p r i o r i t y l a s tc o m ef i r s ts e r v i c e f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c e x i 离散傅立叶变换 数字信号处理器 优先权服务 后到先服务 先到先服务 缩略词表 s i r o q o s f i f 0 m s n s s e r v i c ei nr a n d o m0 r d e r q u a l i t yo f s e r v i c e f i r s t i nf i r s t 0 u t m e s s a g e p a s s i n gs t y l en o cs i m u l a t o r x n 随机服务 服务质量 先入先出 消息传递式片上网络仿 真器 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盔垒塑日期：矽叩年r 月矿侣 f 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 、 签名：奎曼堕 导师签名：圭9 么l 连：。 目期：砂柙年g - 月以日 f 第一章绪论 第一章绪论 随着近年来f p g a 器件、a s i c 芯片和通用d s p 在芯片逻辑规模和处理速度等 方面性能的迅速提高，使用软硬件编程方式实现无线功能的软件无线电技术在理 论上和实用化上都r 趋成熟和完善。由于软件无线电技术只需通过软件上的更新 就能够选择不同的业务或调制方式、修改功能，具有传统硬件方式所无法比拟的 灵活性、开放性和可扩展性。因此，软件无线电技术已经被越来越广泛地应用于 蜂窝通信及各种军用和民用的无线通信系统中。 传统模拟无线电系统的射频部分、上下变频、滤波及基带处理全部采用模拟 方式，某频段和某种调制方式的通信系统都对应专门的硬件结构；而数字无线电 系统的低频部分采用数字电路，但其射频部分和中频部分仍离不开模拟电路。与 传统无线电系统相比，软件无线电系统的a d 、d a 变换移到了中频，并尽可能靠 近射频端，对整个系统频带进行采样，这是软件无线电的一个突出特点。数字无 线电采用专用数字电路，实现单一通信功能，无编程性可言。而软件无线电以可 编程力强的d s p 器件代替专用数字电路，使系统硬件结构与功能相对独立。这样 就可基于一个相对通用的硬件平台，通过软件实现不同的通信功能，并对工作频 率、系统带宽、调制方式、信源编码等进行编程控制，系统灵活性大为增强。图 1 1 是软件无线电接收机的结构示意图。 图1 1 软件无线电接收机的结构 为实现高速处理的并行软件无线电平台，在近年来的研究中，引入了片上网 络的概念，并且得到了广泛应用。片上网络的核心思想是将计算机网络技术移植 到芯片设计中来，从体系结构上彻底解决总线结构带来的问题为了缩短各种应用 的设计和验证时间，各大研究机构和厂商纷纷提出了具有高效缓存管理，流量控 制和路由机制的拓扑结构。这些拓扑结构不仅有良好可扩展性，还提供了很好的 并行通讯能力，它以分组交换作为基本交换技术，采用全局异步一局部同步的通 电子科技大学硕七学位论文 讯方式。 1 1 软件无线电的发展概况 软件无线电作为未来无线电技术的发展方向，世界各国都在进行深入的研究。 2 0 世纪9 0 年代初期，美国军方开发的s p e a k e a s y 军用软件无线电台系统是国际上 软件无线电技术成功的典型代表。美国麻省理工学院计算机实验室的s p e c t r u m w a r e 项目是目前国际上软件无线电技术前瞻研究的代表，s p e c t r u mw a r e 提供了无 线通信和分布式信号处理的、以软件为核心的研究方法。由于软件无线电技术近 几年来的迅速发展，许多通信公司都认识到它的应用前景，并开发出了一系列具 有实用价值的软件无线电相关配套产品，包括g r a y c h i p 公司的数字发射芯片 ( g c 4 11 4 ) 、数字接收芯片( g c l 0 11 ) 、数字重采样芯片( g c 3 0 11 ) 及i n t e r s i l 公司的可 编程数字上变频器( h s p 5 0 2 15 ) 、可编程数字下变频器( h s p 5 0 2 1 4 b ) 、数字科斯塔斯 环( h s p 5 0 2 1 0 ) 等。 1 2 并行平台软件无线电发展概况 由于软件无线电的数字信号处理计算量需求的快速增长，使得大多数数字信 号处理的算法实质上逐渐演变为一种并行的算法或者称为基于“流水结构”的并 行算法；另一个方面，再加上传统的软件无线电平台由于逐渐往理想的软件无线 电，即数字化的处理无限靠近天线阵列发展，需要处理的数据量达到6 b p s 量级， 与中频处理所需要m b p s 量级不可同曰而语。因此，需要有一种处理平台能够满足 这种迅速发展的处理需求，为了完成更快速度的运算，传统的采用单处理器或少 量多处理器并行( 多核) 进行计算的方法已经无法满足需要。因此，出现了基于处理 器阵列结构的实现方法。在这种结构中，许多个处理器能够完成数据的并行运算， 这样就能够大大地降低时钟频率，从而降低处理器频率对系统带来的“瓶颈”问 题。处理器阵列结构的实现既可以通过在片内集成多个处理器单元实现，也可以 在片外p c b 版上放置多个处理器。而在处理器业界，为了达到更高的处理性能， 各大处理器供应商都在努力将处理器由单核向多核方向发展。如通用处理器领域 的i n t e l 公司，a m d 公司以及n v i d i a 公司，各自都推出了多核处理器来进行更高 性能的计算；而另一方面，i b m 公司以及m a r v e l l 公司也有面向工业应用的多核处 理芯片问世。在面向大量数据计算的情况下，p i c o c h i p 公司提出的基于多处理器 2 第一章绪论 联合处理阵列的结构p i c o a r r a y 是一种行之有效的处理方案。在p i c o a r r a y 处理芯 片中，包含了数百上千个具有专用任务的处理单元，此外还集成了一些具有特定 用途的i p 核。虽然每一个处理单元能够处理的任务相对单一，但是通过编译器对 大型程序的优化以及合理的调度，使得p i c o a r r a y 具有优异的性能。 因此，随着多核处理技术的成熟，并行软件无线电平台的研究工作正是目前 处于快速发展的阶段，数字采样端逐渐向天线阵列靠近，使得后端处理能够获得 更高的精度与可编程性。 1 3 片上网络的发展概况 随着半导体工艺的不断进步，门电路线宽值，入，已由最初的1 9 7 4 年1 0 “m ， 1 9 8 3 年1 5 “m ，发展到今天的6 5 礼m 、4 5 竹m 。而一块晶片上集成的元件从1 9 6 0 的不到十个，倍数成长到1 9 9 0 年约一千万个。这样的发展与美国科学家莫尔 ( g o r d o nm o o r e ) 在1 9 6 4 年提出来的莫尔定律( m o o r e sl a w ) 基本一致，即计算机芯 片的集成度每1 8 个月翻一番。当工艺达到9 0 忍m ，6 57 2 7 7 , 时，随着工艺实现能力 的提高，将有越来越多的应用可以集成到单一芯片上，片上系统开始进入设计者 的视线。根据莫尔定律所定义的发展趋势，到2 0 1 1 年，微处理芯片所带的晶体管 数目可达到1 0 亿个，而模块间的互连延迟将成为制约系统芯片发展的主要因素。 虽然事实上近年来芯片内部晶体管数目与处理器的速度越来越接近物理极限，但 对处理器的性能需求却依然按照摩尔定律进行增长。未来处理器或平台性能的增 长将得益于处理架构的进步，但是随着片上系统的结构越来越复杂，同时面向市 场的时间限制也越来越短，设计者开发能力的要求也越来越高。传统的基于总线 结构的系统芯片不具有良好的系统可扩展性，使设计者的开发受到限制。在此背 景下，基于网络概念的片上网络研究与开发成为系统结构研究的热点。 1 4 本论文的课题背景及论文的主要研究工作 本课题来源于国家8 6 3 科研项目“具有开放式无线架构的多处理器阵列软件 无线电技术”，项目主要任务是完成软件无线电微处理器阵列技术研究，提出s d r 微处理器阵列的体系结构、网络结构、分层结构。在核心技术方面提出任务流图 向资源流图映射的多目标优化算法；提出基于函数调用的任务调度算法。研制微 处理器阵列验证平台，在验证平台上完成s d r 核心算法的性能验证。 电子科技大学硕士学1 ：；7 ：论文 本课题设计的软件无线电并行处理平台是以研究可以在集成电路芯片上实现 的平台为研究目标的。为了实现此目标，传统的片上系统结构已无法满足在软件 无线电的采样越来越接近天线阵列时所需要处理的巨量数据需求，尤其是在不同 的处理单元之间的数据通信更加成为瓶颈。因此，在项目的研究中，广泛采用了 片上网络的设计思想，来满足并行软件无线电平台所需要的通用可扩展性的需求， 以及解决不同的处理单元之间的通信问题。 本论文在该项目的支持下，主要开展了以下研究工作： 对并行软件无线电平台的可行性研究以及对各种平台之间的比较提出对 比方案研究和分析； 对片上网络网络层的特性作重点研究，并对比片上网络网络层与传统 i n t e m e t 网络层之间的异同进行了分析； 使用s y s t e m c 语言自主开发了一套基于消息传递接口的自顶向下片上网 络仿真器：m s n s ： 利用m s n s 片上网络仿真器对片上网络系统的性能、功耗等进行分析； 采用排队论算法对片上网络性能进行分析，并且利用m s n s 片上网络仿真 器进行仿真对比测试。 1 5 本论文的内容安排 本论文接下来的章节结构安排如下：第二章介绍软件无线电处理平台与将其 进行并行化的设计方法，并给出了一些典型的软件无线电并行处理平台。第三章 介绍片上网络系统，并着重分析了其网络层的设计与研究方法。在第四章中，将 介绍s y s t e m c 设计语言与使用s y s t e m c 语言设计的消息传递式片上网络仿真器 m s n s ，并采用了仿真实例来验证该仿真器的有效性。第五章分析了在m s n s 中 采用的对片上网络系统中进行功能功耗估计的方法。第六章将采用排队论的方法 对片上网络的性能进行分析与在m s n s 中仿真。第七章是全文的总结。 4 第二章并行处理软件无线电平台结构 第二章并行处理软件无线电平台结构 本章简要的介绍了软件无线电架构的发展趋势和技术方向，并对各种架构的 软件无线电运算处理平台进行了优缺点对比，并着重分析了并行运算平台的设计 方法和性能特点，对几种已投入应用的典型的构架和u m l 语言的应用进行了分析 研究。 2 1 软件无线电简述 由于传统的无线电构架结构中使用了较多的固定特性硬件( 如p c b 版、a s i c 芯片等) ，在其发展过程中与各种通信标准或体制之间出现了日益严重的兼容性问 题。例如当前3 g 通信标准就有c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a ，t d s c d m a 等多个标准， 由于通信全球化的要求越来越受到重视，在不同标准之间进行漫游切换的需求会 急剧增加。同时无线通信系统和终端日趋复杂，缩短产品的开发周期，延长设备 和系统的技术寿命，合理地使用有限的无线频谱资源，是当前无线通信系统面临 又一新课题： 国内外广泛认为软件无线电技术可以较好的解决上述矛盾，并将成为第4 代 无线通信技术的重要组成部分。随着近年来软件无线电技术逐渐由理论研究向实 际应用发展，对其进行的关注和研究也越来越广泛。因其具有很强的可重配置性 与可升级性，而被认为是未来移动通信设备和终端的发展趋势所在。 软件无线电结构是指对射频信号的数字化处理是在射频天线或者非常接近于 天线的位置完成，并且其后的处理是完全由高速数字信号处理器件中的软件来完 成的一种无线电结构形式f l 】。软件定义无线电是指接收数字化器件位于接收天线下 游的某个位置( 通常位于宽带滤波、放大器和对射频信号数字下变频到一个较低的 频率之后) 的一种无线电结构形式；其无线电数字信号是通过各种可重配置器件进 行处理的。随着技术的进步，软件定义无线电正在向着理想的软件无线电发展l z j 。 软件无线电的核心思想就是要将数字采样用的a d c 摆放位置尽量接近天线， 要达成此目标，就要尽量做到天线捕捉到的射频信号直接进行数字采样，以使后 续的处理全部采用数字处理的方法来进行。这样一方面可以改善信号的处理精度； 另一方面由于将后续的大量处理都使用软件进行处理，因此具有良好的重配置性。 电子科技人学硕士学位论文 本章首先对比研究了目前软件无线电平台的几种设计思想，并介绍了硬件构 架方法，然后对比了其优缺点，并对即将广泛应用的并行处理平台进行了重点研 究。 2 2 软件无线电的定义与重配置特性 可编程数字无线电是指采用硬件与软件技术结合的方式来对无线系统的空中 接口进行选择，达到接入多个射频频带信号的无线电结构。这种结构与软件无线 电结构既有联系，更有所区别。虽然可编程数字无线电也可以通过使用基带d s p 来实现对系统的编程，但是与软件无线电的主要不同点是，由于对于射频端频率 以及空中接口的特性都是通过专用a s i c 芯片、或特定参数的滤波器等硬件或硬件 与软件的组合方式定义的，因此一旦射频频带和空中接口的特性要改变的话，必 须要通过变更硬件模块的方式才能完成。 在可编程无线电结构中，如果任何关键部件( o h 产生载波) 使用硬件( 如v c o 方 式) 而不是软件( 如d d s 方式) 来实现，该系统都不能被认为是软件无线电架构，而 是可编程无线电架构【3 j 。 而在标准软件无线电中，所有的关键器件都使用软件方式定义。所有的接口 特性都可以通过软件程序上进行更改，而不需要进行硬件的变更( g l j 使是f p g a 中 s l i c e 或者l e 等逻辑单元的替换、或内部布局布线的变更，也被认为是硬件结构 上的变更) 。对于这一问题还存在一些误区，认为“f p g a d s p + 自适应信号处理 就是软件无线电构架，这是片面和粗浅的。软件无线电的结构是即插即用的结构， 这种结构应具有以下两个特点： ( 1 ) 兼容性：所有即插即用模块结构必须与软件无线电的总体结构完全兼容。 ( 2 ) 可预知性：系统需要预留异常处理资源，当超过资源控制极限的时候，系 统不能进入无法预知的状态，即造成系统由某些模块无限制消耗资源而无法恢复。 因此必须建立异常处理机制，系统必须在指定的约束或设计规则下，合理的调度 与安置组件，以实现所需要的函数功能【4 】【5 】f 6 1 。 2 3 软件无线电平台设计的几种思路 由于当前技术的限制，当前软件无线电技术的实现除少数载波频率较低的应 用外，一般无法采用射频直接采样的方法，而是折中为中频、基带或者是射频带 6 第二章并行处理软1 ；， ：无线电平台结构 通采样等实现方法【7 】1 8 j 。随着技术的进步，最终能够实现对射频信号的直接数字化 采样，即理想的软件无线电。当前的制约因素除了a d c 的转换速度之外，更为关 键之处在于后续数字处理平台的运算速度。随着采样速率的不断提高和信号处理 算法的同益复杂，后续需要的运算量呈几何级数增加。因此在数字处理平台的发 展过程中出现了许多不同结构，且现在还不断有新的结构被提出【9 j 。根据处理结构 的不同，本节将对软件无线电的数字处理平台进行分析。 2 3 1 采用单一类型处理单元为主进行处理运算 ( 1 ) 采用通用d s p 芯片：采用通用d s p 处理芯片是最传统的处理方法，同时由 于大量源代码的积累，和软件丌发语言的易于使用，因此d s p 成为了开发周期最 短的器件之一。但由于其结构的限制，d s p 大多数指令只能串行进行处理；因此 对于需要较大处理量的运算，在单核的d s p 芯片上，只有通过提高时钟频率的方 法来进行，但这也就带来了更多的功率消耗。 ( 2 ) 采用可重配置的f p g a 芯片：目前f p g a 芯片的设计成熟度还不如d s p 芯 片，采用f p g a 芯片进行设计的优点在于f p g a 能够快速完成需要进行并行处理 的运算，符合现代信号处理的发展趋势；并且由于f p g a 芯片具有可重配置的特 性，因此开发的成本与工作量相比a s i c 会小很多。由于为了达到通用可重配置性， 在完成同样的逻辑功能时，f p g a 比a s i c 需要更多的晶体管；因此这就对f p g a 内部的布局布线带来了压力。也正因为如此，在同样的运算速度下完成同样的功 能时，f p g a 的功率消耗比a s i c 要大得多。 ( 3 ) 采用通用的运算芯片：采用通用c p u 也是对大量数据进行处理的一种方法。 由于市场因素的推动，当今c p u 技术已经比较成熟，而且具有较快的运算速度， 并且由于计算机( p c 或工作站) 的操作系统相对成熟，软件编制与调试比较容易， 因此使用通用的工作站或p c 来对数据进行处理也是可行的办法。由麻省理工学院 进行的v i r t u a lr a d i o 系统研究j 下是基于这种结构进行的。 ( 4 ) 采用参数可定制的a s i c 芯片：要实现某一对速度要求比较高的特定功能 时，为了达到要求的运算速度，且消耗较少的功率，我们可以选择使用a s i c 来处 理。例如，要实现某个对运算速度要求较高的f i r 滤波器时，由于选用了参数可 定制的a s i c ，滤波器的阶数和滤波器系数都可以通过软件编程来输入。这样对于 不同的应用场合，只需要进行软件程序上的更新就可以满足新的需求。 7 电子科技入学硕+ 学位论文 2 3 2 采用处理器阵列结构进行并行运算处理 现在虽然出现了一些d s p 芯片集成了多个运算单元以支持并行运算，但其成 本较高，且并行度低。完成需要大量并行处理的运算时，仍然需采用传统的提高 时钟频率、分时复用处理单元等方法来实现，这还将进一步恶化功耗问题。 为了完成更快速度的运算，传统的采用单处理器或少量多处理器并行( 多核) 进行计算的方法已经无法满足需要。因此，出现了基于处理器阵列结构的实现方 法。在这种结构中，许多个处理器能够完成数据的并行运算，这样就能够大大地 降低时钟频率。处理器阵列结构的实现既可以通过在片内集成多个处理器单元实 现，也可以在片外p c b 版上放置多个处理器。 以前普遍认为，虽然集成n 个处理器单元的处理器阵列结构理论上能够将系 统需要的时钟频率降到原来需要的1 n ，但是所需要的面积也会增加到原来的n 倍，因此会对布线带来很大的压力。近年来对于片上系统和片上网络技术的发展， 可以在处理器阵列的设计上得以应用。对于需要较大数据量交换的系统，数据的 转发传输处理可以按照类似片上网络的设计方法来实现。片上网络是集成电路业 界新提出来的一个系统芯片设计模型，将会取代今天在复杂系统芯片上连接功能 模块所使用的互连总线方法，解决日趋复杂的s o c 设计的主要问题。 在处理器阵列结构的选择中，既可以选用多个相同的处理器单元来组成处理 器阵列，也可用多个不同的处理器单元，文献 1 0 】认为采用不同种类的处理器单元 会比采用同种处理器单元有更高的电源效率。因为不同的处理单元适合于不同的 处理任务，如果为这些处理单元分配合适的处理任务，就能够提高系统的工作效 率。另外，如果设计中使用不同种类的处理单元，其中的部分处理单元可以通过 定制的方法专门进行设计，例如针对无线通信的处理器阵列中可以专f - j a n 入v i t e r b i 译码、f f t 或t u r b o 编解码的模块。这些专用模块对于特定的运算可以利用较小的 面积和功耗达到较快的处理速度，并且使用起来也很简单，没有必要重新