串行RapidIO在WiMAX基站系统中的应用 - 通信/网络 - 电子工程

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<strong>　　引言</strong>

　　随着以TD-SCDMA、WCDMA为代表的3G移动通信全面进入商用部署，LTE标准基本完成，华为、爱立信成功实现LTE标准的现场演示，以IEEE802.16(WiMAX) 为标准的下一代移动通信技术、标准与系统的研发也已经开始。

　　WiMAX(微波存取全球互通技术)和传统的TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000几个3G标准相比，WiMAX的最大传输半径达到了50公里上下，接近前者的两倍。而在传输速度上，WiMAX也让其他3G标准望尘莫及。在10公里范围内，WiMAX网络的速率可以达到 75Mbit/s。另外，WiMAX等无线通信系统要支持大量的宽带用户和极高的空中接口速率，使用MIMO、OFDM等复杂的通信信号处理算法，具有动态可重配置、计算资源动态调度能功能，对基站的计算处理和互连提出了极高的要求。这种高性能的无线通信系统在实现上有很大困难和挑战。典型的无线基站系统由CPU、DSP和FPGA构成。随着CPU、DSP和FPGA等处理器的性能得到较大提升，提高连接这些高性能器件的总线性能成为提升系统性能的关键。本文提出的基于串行RapidIO的无线基站系统解决了这一问题，该系统能够实现10Gbit/s的传输速度，适用WiMAX等新型的无线基站系统。

<strong>　　处理器选择</strong>

　　系统的实时处理能力主要取决于单个处理器的计算能力、存储结构配置和互连拓扑结构。现在应用到嵌入式系统的主流处理器是GPP/RISC、 DSP 和FPGA。为了选择最佳处理器，需要从计算能力、易编程性、功耗、有效带宽和完整定义的接口等因素综合考虑。因此笔者选用以MPC8548、 TMS320C6455为主处理器和Xilinx FPGA V5LX110为从处理器的系统架构。


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　　MPC8548处理器使用e500v2内核，最高速率1.5GHz，集成L1/L2两级缓存，并集成了串行RapidIO和PCI Express高速互连接口，支持4x串行RapidIO。适用于传输千兆以上赫兹的通讯处理性能和高度集成和高速连接的高级功能。

　　TMS320C6455 是TI公司的一款具有高计算速度、低功耗的芯片。C6455的处理速度为9600MIPS。考虑到接口的实用性和带宽，C6455集成了一个4通道串行RapidIO(SRIO)，此接口具有25Gbit/s的吞吐量。TMS320CC6455 的外围总线还包括:两个多路缓冲串口总线(McBSPs), 一个10/100/1000M以太网媒体访问控制器(EMAC),一个无缝外部存储器接口(64bit EMIFA),一个32 位DDR2 SDRAM接口等。丰富的外围总线使得基于C6455的设计灵活，支持强大的存储容量和高速的数据传送，适用于3G、WiMAX等基站系统设计。

<strong>　　串行RapidIO特性</strong>

　　基于TMS320C645x的RapidIO接口叫做SRIO(串行RapidIO)。SRIO有以下特点：引脚少;功耗低;SRIO协议栈简单，软件开销很小;数据宽度和速度可调具备DMA和消息传递功能;支持复杂可调整的拓扑结构;支持多点传送;可靠性高，可提供服务质量保证。

　　SRIO以上特点在实时信号处理系统中具有很大的应用前景。SRIO支持1x和4x模式。1x模式支持一个通道，运行速率有 1.125Gbaud、2.5Gbaud、3.125Gbaud。4x模式支持4通道SRIO链路可以提供 10Gbit/s 的流量，且保证数据完整性。因为SRIO包处理是通过硬件实现的，这就意味着可大幅削减 I/O 处理方面的额外开销，降低延迟并增加系统带宽。但与多数总线接口不同，SRIO接口的引脚数较少，带宽在链路为3.125baud的基础上可继续扩展。

　　串行RapidIO 协议是一个点对点的包交换协议,由包和控制符号组成。SRIO有物理层、运输层和逻辑层3层结构。逻辑层定义总体的协议和分组格式;运输层为 RapidIO 数据包提供了路由和寻址的功能;物理层负责描述器件的接口规范。结构的层次划分保证了任意层增加新的事务类型无需改变其他层规范,有助于设计的灵活性和更好的前后兼容性。图1说明了SRIO协议的分层机构。

　　SRIO工作模式分为：I/O逻辑操作和消息操作。

　　I/O模式下，所有的包包含具体的地址，地址表明数据应该存储到目的设备的位置。Direct I/O要求RapidIO源设备必须有目的设备的内存地址表格。当CPU需要从本地内存发送数据到外部处理单元，CPU必须向SRIO接口提供有关传送的信息，比如：DSP内存地址、目标deviceID、目的地址、包的优先级等。

　　消息传送模式，消息的源端无需了解目标设备的内部结构或存储器映射。相反，RapidIO数据包中用mailbox来标示。Mailbox由本地设备控制和映射到内存地址。对于两处理器间的通信，发送处理器向本地的消息mailbox写入， mailbox读取待发送的本地存储器的信息，并将信息发送到接收处理器的本地mailbox。接收mailbox将信息保存在本地存储器，并通知接收处理器消息已经到达。接收处理器然后访问它的本地存储器读取消息。

<strong>　　无线基站系统设计</strong>

　　无线基站是典型的高性能嵌入式通信系统，它们对互连的带宽、时延、复杂度、灵活性、可靠性都有非常高的要求。而串行RapidIO正是满足这些要求的最佳选择。

<strong>　　无线基站系统</strong>

　　在传统的基站系统中，DSP与PowerPC或FPGA之间的互连一般用外部存储器接口EMIF;DSP之间或DSP与主机之间一般用 HPI(Host Port Interface)或PCI互连。它们的主要缺点是：带宽小、信号线多、主从模式接口，不支持对等传输。另外，DSP不能直接进行背板传输。如果利用串行 RapidIO 进行DSP互连则可以大大提高效率，一来它可将用于实现 DSP 之间高速互连的信号引脚数减到最少，二来可简化处理器之间的通信，从而有效地降低系统成本。

　　图2所示系统是基于CPU的高性能DSP系统。PowerPC主要针对无需大量乘法运算的一般应用，如MAC层处理。DSP主要完成滤波、矢量乘法和查找以及图像或视频分析等信号处理操作。FPGA实现FFT或者PAPR算法等。


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　　图2所示的无线基站基带系统具有极高的灵活性和可扩展性，在这种架构中，各个处理器的任务分工具有很大的灵活性。由于架构已经不再与运算密切相关，流量和处理能力可在运行时间内从一个器件转移到另外一个器件。该架构也具有可扩展性，有助于满足具体应用在性能和成本方面所需的端点数量增减。例如，可以轻易改变 DSP型号和 DSP 数量，以实现相同的设计可以匹配到从微蜂窝到大型基站的设计要求。要在降低成本同时满足更高性能和带宽，关键在于采用模块化和基于标准的架构。构建下一代基带卡和基于连接了多个DSP、FPGA 和 ASIC 的串行RapidIO 接口的结构型架构具有许多优势。

<strong>　　系统在WiMAX BBU中的应用</strong>

　　·WiMAX BBU系统架构

　　图3是基于图2的WiMAX BBU系统，该系统硬件上包括一片PPC处理器MPC8548，两片DSP处理器(TI的C6455)和三片Xilinx FPGA V5LX110。FPGA与DSP之间使用SRIO口通信，DSP与PPC之间使用PCI接口和SRIO进行通信，FPGA之间使用仿PCI接口进行通信。DSP1与DSP2之间使用SRIO接口进行通信。


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　　本系统中还保留PowerPC与DSPC6455的 PCI32互连，这样有利于boot模式下程序的下载。FPGA1主要实现IFFT和PAPR算法;FPGA2主要实现RANGING和FFT算法;DSP1主要实现信道编码、调制、空时编码和子载波映射，DSP2主要实现信道解码、解调、信道估计和子载波解映射。FPGA3主要实现TURBO的解码。另外MIMO的上行算法会在DSP2、FPGA2和DSP1上协同处理。

　　·测试结果

　　在4x模式下，测试DSP1与DSP2之间的通信速率和出错率。

　　测试方案：DSP1为主机，DSP2为从机。主机向从机发送数据，I/O模式下，数据发送完毕主机发送doorbell告知从机，并读回 DSP2所接收的数据比较数据是否出错;message模式下，数据链发送完毕硬件会产生中断，进入中断服务程序，接收端接收完数据链也是自动产生中断，只需记录中断次数就能判断数据是否传送正常。

　　选择3.125G波特率进行1x模式通信。测试结果如表1。结果表明SRIO的高传送性能能满足WiMAX 基带处理要求并验证了本文提出的WiMAX BBU系统架构的可行性和可靠性。

<strong>　　结语</strong>

　　本文提出的无线基站基带系统架构具有高计算速率，高带宽，可行性和可扩展性等特点。此系统架构已实际应用到WiMAX BBU系统，还可用于多种无线信号处理模块，如雷达干扰系统等。在不同的嵌入式系统中各个处理器的任务分工会有所不同，SRIO技术的实现也具有很大的灵活性，比如：可以用Direct I/O逻辑模式或者message模式实现通信等。

<strong>　　参考文献：</strong>

　　[1] 汪安民, 张胜波.C645x的串行RapidIO总线通信系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2008(11)

　　[2]杨涛. RapidIO互联技术在下一代无线基站中的应用[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2008

　　[3] 王勇. 基于Virtex-5 FPGA设计Gbps无线通信基站[J].电子产品世界，2008(11)

　　[4] Tim B, Fred S. High-PerformanceScalable Computing for Real-time Applications, Computer Communications and Networks, Proceedings of 6th International Conference[C], 1997:332-335

　　[5] TI. TMS320C645x Serial Rapid IO (SRIO)User’s Guide, 2006

作者：朱朝平 樊利民 华南理工大学电力学院 陈军 华南理工大学电子与信息学院 时间：2009-12-10