基于FPGA的基站体系结构

        可以认为基站的全部数字信号处理都是物理层处理，可分为基带处理、中频处理和射频处理3大类，且这3类都可以在单片FPGA内部完成，从而形成完美的单芯片解决方案。由于在3G的增强版本以及 WiMAX和LTE 系统中，都采用高级多路天线技术，使得系统的吞吐量将有可能超过 100Mbit/s，因此其基带处理又分为比特级处理和符号级处理两类。

(1)基带处理         ①比特级处理。比特级模块包括发送侧的随机处理、前向纠错(FEC)、频谱交错、正交相移键控(QPSK)和正交振幅调制(QAM)功能映射等。相应的接收处理比特级模块是符号去映射、频谱去交错、解码和去随机。发送比特级功能相对简单，计算量不大。例如，随机处理涉及数据比特和简单伪随机二进制序列发生器输出的模2加运算。在比特级处理上虽然基于 FPGA 的逻辑处理很灵活，但是更容易在软核/硬核 CPU 上实现这些计算量不大的函数。 随着吞吐量需求的增加，可以把 Turbo编码功能卸载到FPGA中，以提高系统的性能在接收侧，FEC解码，包括 Viterbi解码、Turbo卷积解码和 LDPC解码等，FPGA的并行高带宽特征可满足上述需求。FPGA 可被广泛用于卸载这些功能，并在单芯片中实现去随机、去速率匹配和混合等其他比特级功能减少了芯片之间的数据交互，降低了延时和系统总功耗。除此之外，MAC 层接口、加密解密以及认证等部分MAC 功能也可以在FPGA中实现。         ②符号级处理。目前的2G和3G基站设备的符号处理主要包括同步和信道化处理,FPGA器件能给出完美的解决方案。相比比较麻烦的是面向未来的MIMO和OFDMA系统。OFDMA系统中的符号级功能包括副通道和去副通道、FFT/IFFT、信道估算/均衡、测距/随机访问通道(RACH)探测等功能。其他功能包括DFT/DFT(LTE)，以及通道卡可能采用的CFR等通道估值和均衡可以离线执行,涉及更适合在内嵌CPU中实现的控制算法。相反,FFT和IFFT函数是普通的数据通路函数，需要以非常快的速度进行复数乘法，更适合在 FPGA 上实现。RACH探测和CFR等功能也需要高性能的低延时FFT/IFFT运算。

        在基站中采用高级多路天线技术时，例如空时编码(STC)聚束和MIMO方案等，FPGA和其他处理器的信号处理能力差异便显得更加突出。在目前以及今后的和无线系统中，普遍认为OFDM-MIMO的结合是实现更高数据速率的关键。多路天线方案的优势更明显，包括更高的数据速率、阵列增益、分集增益和邻近信道干扰抑制能力等。聚束和空分复用MIMO技术对计算量的要求较大，涉及矩阵分解和相乘等运算。特别是在这些系统中解线性方程组时，需要采用Cholesky 分解、OR分解和奇异值分解函数。这些函数会很快耗尽DSP 资源，但在采用了脉动阵列结构的FPGA中实现却非常适合，这种结构通过并行 FPGA来提供最具成本效益的解决方案。

        (2)中频处理数字中频(IF)处理包括数字上变频(DUC)、数字下变频(DDC)、消峰(CFR)和数字预失真技术(DPD)。数字F 将数字信号处理的范围从基带扩展到了天线RF 领域，在降低生产成本的同时提高了系统灵活性。而且，数字变频要比传统的模拟技术更灵活，性能更好(在衰减和选择性方面)。此外可以通过CFR和DPD技术来提高基站功率放大器的效率从而大大节省设备运营成本。CFR和DPD都需要进行采样率超过100Mbit/s的复数乘法运算与DUC相似，在接收侧需要采用数字下变频将F下频率变回到基带。高级FPGA能够提供数百个乘法器，运行速率高达 500MHZ。这不但为多信道并行处理提供了平台，而且还是最具成本效益的集成单芯片解决方案。

        (3)射频处理目前，数字器件是无法直接进行射频处理的，因此该部分需要通过模拟器件来实现。基站的另一发展趋势是分布式BTS。射频单元相对于BTS的其他部分位于远端，而不是在一个地方。这些射频单元也称为远端射频前端(RRH)，通过光链路和主要的BTS单元进行通信CPRI和OBSAL是实现RRH的两个标准。CPRI和OBSA接口一般在FPGA上实现，再加高端FPGA都内嵌了数十个前兆串行接口，最高速率可达6.75Gbit/s，利用BTS体系结构的多通道特性可以实现成本效益非常好的解决方案。

BTS(基站收发台): 分布式基站架构将BTS分为RRU和BBU(基带处理单元(BBU)和射频拉远单元(RRU))。其中RRU主要负责跟射频相关的模块，包括4大模块：中频模块、收发信机模块、功放和滤波模块。BBU主要负责基带处理和协议栈处理等。RRU位于铁塔上，而BBU位于室内机房，每个BBU可以连接多个（3-4个）RRU。BBU和RRU之间采用光纤连接。

CPRI和OBSA:为了有效处理分布式基站BBU与RRU间的光纤连接，无线通信行业形成两个联盟，分别制定了两种接口标准：2002年诺基亚、LG、三星等宣布成立OBSAI（开放式基站结构同盟）；2003年爱立信、华为、NEC、北电和西门子等联合成立CPRI（通用公共无线接口组织）.

通用公共射频数字接口（CPRI）是一种标准化协议，定义了无线基础设施基站的射频设备控制（REC）和射频设备（RE）之间的数字接口。这实现了不同供应商设备的互操作性，保护了无线服务提供商的软件投入。CPRI还在不断发展，线路速率也在不断提高，目前最新标准V7.0最高工作速率已经高达24.3Gbps,应对的是25Gbps SFP28光模块可以满足其工作速率需求。