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PC工作站在DWCS軟基站中的應用
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摘要: 分布式無線通信系統(Distributed Wireless Communication System,DWCS)是近幾年提出的一種新型無線通信體系結構,系統采用網絡無線電技術,信號處理和控制模塊均在PC工作站中完成。本文結合軟件無線電相關技術,研究PC工作站在DWCS基站中的應用。本文將詳細分析軟基站設計及實現的關鍵問題,并給出軟基站系統的實測性能。
Abstract:
Key words :

分布式無線通信系統(Distributed Wireless Communication System,縮寫為DWCS)采用分布式天線、分布式處理控制、聯合信號處理等技術,提高了系統頻譜效率和功率效率,增強了系統靈活性和擴展性。

DWCS中采用了網絡無線電(network radio)的設計思想。網絡無線電是通用處理器單元通過光纖互連,構成高性能的計算集群,完成系統信號處理及控制功能,與軟件無線電類似,其結構靈活,具有很強的系統擴展性,并具有更快的計算速率、可支持更高的網絡吞吐量。

軟件無線電系統中的通用處理器通常是DSP/FPGA等專用器件,本文所設計的軟基站系統中則采用了PC工作站作為信號處理單元。表1詳細比較DSP/FPGA和PC工作站的優缺點。

表1 DSP與PC工作站性能比較

本文結構如下:首先將介紹軟基站的系統結構,以及所需要的軟硬件;其次重點探討軟基站設計及實現中所面臨的難點問題,包括:網絡吞吐量、子模塊運行速率以及系統運行速率;最后給出實際解決方案和系統實測性能分析。

1.軟基站系統設計

1.1系統框圖

系統整體框架如圖1,為單發六收結構。移動臺由視頻終端和發射機構成,基站端由六臺接收機以及PC工作站集群構成。攝像頭實時采集圖像,經發射機處理后,送至無線信道;基站六路接收機收到信號后,把信號傳至工作站處理,最后在終端輸出顯示。實際上,該系統對業務是透明的,不但可以傳輸視頻,也可以傳輸其他業務數據。

圖1 系統結構圖

1.2計算集群配置

計算集群由兩臺PC機工作站組成,配置基本相同:cup AMD sempron2500+(64位);內存512MB,DDR400;網絡接口適配器100Mbps;網絡交換機100Mbps。

軟件平臺是Redhat 9.0,內核版本2.4.20-8。為了提高信號處理速度,有些信號處理模塊采用intel的SSE和SSE2指令集優化,須用高版本編譯器,本系統使用的gcc3.3.1。

2 關鍵問題分析及性能測試

2.1 A/D吞吐量瓶頸

射頻信號經過A/D采樣之后的數據量非常龐大,例如采用8bit,50MHz A/D,采樣之后輸出數據率達400Mbps;如果同時處理六路接收信號,則最高速率將達到400Mbps×6=2.4Gbps,現有網絡中很難支持如此高的數據傳輸。

本系統設計中在A/D采樣數據發送給PC之前,首先把數據率降下來。因此,為每一路接收天線配備接收機,用于對A/D采樣之后的信號預處理,把射頻信號轉化成基帶信號,以降低數據率。接收機基于FPGA實現,其功能包括:數字下變頻、幀同步、AGC、AFC等。

接收機的引入,把接收信號分兩級處理,解決了A/D吞吐量瓶頸。8bit,50MHzA/D采樣數據速率是400Mbps,通過接收機,轉變成基帶信號速率降至3.25MB/s. 六路信號總速率最高到19.50MB/s,能夠在現有的網絡條件中傳輸。

圖2是信號處理模塊的邏輯圖,接收機首先對信號預處理,做A/D采樣、下變頻、幀同步;而信號處理的其他模塊在計算集群PC工作站中完成。

2.2子模塊吞吐能力優化

在上述軟基站結構中,PC工作站承擔的信號處理模塊包括:信道質量估計、單載波頻域均衡、解擾、解交織以及TPC譯碼等。因為PC機的計算能力相對較弱,有可能使某子模塊運算速率過低,影響系統性能,所以設計時必須優化各子模塊的計算吞吐速率。

表2是主要模塊在當前系統中能達到的最高速率。為準確測出峰值,測試時只運行單個模塊。從表中可以得出:以太網接收、信道質量估計以及單載波頻域均衡計算速度比較高,能達到12MB/s;TPC譯碼比較慢,只能到3.5MB/s左右。可以預測,當各模塊連在一起時,TPC譯碼會成為系統的瓶頸。

表2 各子模塊最高速率(MB/s)

 

 

雖然TPC譯碼速率比別的模塊慢,但仍比chip速率1.625MB/s高。每個模塊的速率均比chip速率要高,能滿足設計需要。

對于速率過低的模塊,有兩種解決方法:

1. 通過改進程序來提高模塊效率,例如,對于數據流處理,用奔騰指令集SSE和SSE2進行優化。

2. 通過拆分模塊來降低模塊運行時間。將特別耗時的模塊拆分成多個模塊,然后分配到多臺PC機上運算。合理拆分模塊能夠提升模塊運行速度。

2.3系統工作速率

系統的工作速率雖然受限于各子模塊的最高速率,但通常比子模塊速率低。這是因為,各模塊在運行時會搶占CPU、內存等有限物理資源;同時,各模塊之間數據傳遞以及同步也會降低模塊運行效率。

表3是各模塊一起工作時,測得的系統吞吐量。系統主要包括四個模塊:信道質量估計、單載波頻域均衡、TPC譯碼。測試時,將四個模塊按不同組合分別分配到兩臺PC機。其中,PC1、PC2是這兩臺PC機編號。

表3 工作站吞吐量測試

模塊的最佳分配策略:TPC譯碼單獨在一臺PC機上運行,其余模塊都分配到另一臺PC上。這種分配方法能使系統速率達到3.01MB/s。TPC譯碼在所有模塊中計算量最大,占用硬件資源最多,給它單獨分配一臺PC機能盡可能的滿足計算需要,因而能提高系統運行速度。

為了使系統達到最佳速率,調度模塊時,應該為計算比較復雜的模塊提供盡可能多的資源;相鄰模塊應盡量安置在同一PC機內,減少系統在網絡上傳遞數據帶來的開銷。

總結與展望 本文詳細討論了DWCS軟基站設計中所面臨的問題,提出了解決方法,并且對設計系統進行測試,分析系統整體性能,最終得出該系統具有比較高的信號處理速率,能達到3.0MB/s,滿足系統設計的需要。

本文作者創新點:研究新型無線通信系統DWCS的特性,并首次實現將PC工作站應用在DWCS基站中;研究并探討軟基站設計及實現的關鍵問題.設計并實現了一套完整DWCS通信系統,并對軟基站系統進行實際性能測試,對DWCS系統的發展具有比較重要的意義。

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