用可編程DSP實(shí)現(xiàn)802.16 PHY信號(hào)處理

IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的各個(gè)版本都規(guī)定了PHY(物理層)的多種選項(xiàng),包括調(diào)制、信道編碼和天線分集技術(shù)。物理信道帶寬可以在1.25 MHz～20 MHz之間變化。上述所有選項(xiàng)都會(huì)影響基站的性能和信號(hào)處理復(fù)雜度。

　　許多客戶希望提供一種可以從802.16-2004升級(jí)到802.16e標(biāo)準(zhǔn)的方法。上述需求以及對(duì)支持互通性(成功部署新標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵)的需求,都要求基站的PHY采用可編程的信號(hào)處理器件。

　 　圖1為802.16基站基帶信號(hào)鏈路基本框圖。

　　因?yàn)?02.16-2004和802.16e標(biāo)準(zhǔn)都是在OFDM基礎(chǔ)上建立的,所以FFT和IFFT起了很大的作用。這兩種變換都用于頻域副載波(攜帶編碼的數(shù)據(jù)位)和時(shí)域采樣(在物理通道上傳送)之間的轉(zhuǎn)換。一次IFFT的輸出被稱為一個(gè)OFDM符號(hào)。按照這種方式進(jìn)行通信,OFDM系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)抗多徑干擾,各副載波之間幾乎或者完全無干擾,并且具有相當(dāng)?shù)偷膹?fù)雜度。

　　與FFT密切相關(guān)的是信道均衡,它包括大量的MAC運(yùn)算,還包括客戶專用的復(fù)雜算法,以便恰當(dāng)?shù)毓烙?jì)信道和表征結(jié)果,尤其是在具有移動(dòng)性的系統(tǒng)。

　　同步模塊在測(cè)距期間起作用,基站通過此模塊獲得新用戶的信號(hào),并且調(diào)整現(xiàn)有用戶的定時(shí)(通過反饋來調(diào)整)。同步通常是通過計(jì)算接收信號(hào)與已知前同步信號(hào)的相關(guān)性,或自動(dòng)計(jì)算接收信號(hào)與其自身延遲信號(hào)的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)的,利用該信號(hào)確定的周期性屬性,然后將得到的相關(guān)性結(jié)果通過一個(gè)檢測(cè)器,以便確定是否有信號(hào)送到,如果有,確定其精確定時(shí)。

　　同步操作既需要MAC運(yùn)算,也要求具有較高的靈活性。 例如,處理一個(gè)20 MHz的信道時(shí),在10s的窗口中計(jì)算一段有64個(gè)采樣數(shù)據(jù)的相關(guān)性則需要14,000次復(fù)數(shù)MAC運(yùn)算,大約比256點(diǎn)FFT運(yùn)算提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。但是,上述MAC的精度通?？梢院?jiǎn)化為用8 bit實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)乘以1 bit的實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)。這種簡(jiǎn)化的MAC可以在TigerSHARC處理器中實(shí)現(xiàn),也可以在FPGA中實(shí)現(xiàn)。另一方面,檢測(cè)器可能包含比較智能的用戶專用算法,也可能需要C語言程序。

　　802.16標(biāo)準(zhǔn)支持高數(shù)據(jù)速率(70 Mbps左右),有多種信道編碼選項(xiàng)。必備方案是卷積碼(在802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)中,還要結(jié)合里德-所羅門(RS)碼),卷積turbo碼、turbo乘積碼,以及802.16e標(biāo)準(zhǔn)中的低密度奇偶校驗(yàn)碼都是可選的。

　　信道解碼的高數(shù)據(jù)速率超出了傳統(tǒng)DSP體系結(jié)構(gòu)的能力?？赡艿膶?shí)現(xiàn)方法有專用指令、硬件加速器和可編程邏輯器件。除了本身計(jì)算的高復(fù)雜度,基站體系結(jié)構(gòu)必須具有相當(dāng)大的數(shù)據(jù)帶寬和存儲(chǔ)器,以便支持更先進(jìn)的解碼方案。

　　人們期望基于802.16e標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多天線處理,它增加了兩級(jí)的復(fù)雜度。首先,信號(hào)鏈中的幾個(gè)模塊,特別是FFT和IFFT,必須為每個(gè)天線流都復(fù)制一份。其次,系統(tǒng)必須為不同的天線流計(jì)算出并選取適當(dāng)?shù)臋?quán)重,以滿足諸如最大信號(hào)干擾比的要求。

　　在802.16e系統(tǒng)中,允許在同一個(gè)OFDM符號(hào)中復(fù)用多個(gè)子信道(因此稱為OFDMA),從而增加了對(duì)可編程性的需求。雖然802.16-2004系統(tǒng)通常不需要每次處理一個(gè)OFDM符號(hào),但是802.16e增加了子信道、副載波和OFDM符號(hào)之間的復(fù)雜映射,包含了幾種可能的排列。這就增加了更多的總控制碼和存儲(chǔ)器訪問,并且提高了調(diào)度處理任務(wù)的復(fù)雜度。另外,應(yīng)該有一種體系結(jié)構(gòu)支持升級(jí)以便增加功能,例如混合ARQ(自動(dòng)重傳請(qǐng)求)和MIMO(多輸入多輸出天線處理)。

　　為基站PHY提供的可編程技術(shù)包括DSP、FPGA以及可重復(fù)配置的邏輯器件。DSP的優(yōu)勢(shì)就是C程序和低功耗,但是傳統(tǒng)的DSP不具有上述一些算法所要求的計(jì)算密度。為了彌補(bǔ)此缺陷,現(xiàn)代的處理器增加了專用指令和協(xié)處理器等功能。某些最新的DSP設(shè)計(jì)還支持大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器和很高的I/O存儲(chǔ)帶寬,這在實(shí)現(xiàn)諸如802.16標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)PHY時(shí)是至關(guān)重要的。雖然FPGA可以達(dá)到上述算法所需要的計(jì)算密度,但是如果完全采用FPGA解決方案,其編程模式可能無法完全實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。可重復(fù)配置的邏輯器件試圖通過由常用的異構(gòu)處理元件組成的一種結(jié)構(gòu)來發(fā)揮DSP和FPGA的組合優(yōu)勢(shì),但是其技術(shù)的成熟度和編程的易用性還存在問題。

　　考慮到上述需求和當(dāng)前的處理器發(fā)展情況,適合802.16基站PHY的合理解決方案是采用雙重方法。對(duì)于基本的系統(tǒng),完全采用DSP解決方案可以提供必需的計(jì)算資源,同時(shí)提供方便的編程模式。對(duì)于具有更寬的信道帶寬或較多天線數(shù)量的高級(jí)系統(tǒng),應(yīng)當(dāng)采用DSP和FPGA的組合方案。采用這種方法,PHY可以保持類似的編程模式,同時(shí)將一小部分計(jì)算量大的功能分配給FPGA,例如信道編碼。這兩種體系結(jié)構(gòu)都具有增加功能、升級(jí)軟件以及移植到新版本標(biāo)準(zhǔn)的靈活性。