一種支持多協(xié)議的低延時OFDM 系統(tǒng)設(shè)計

陳之晟，張 鋒

（1.中國科學(xué)院微電子研究所重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 101408）

正交頻分復(fù)用技術(shù)[1]（OFDM）作為一種常用的多載波調(diào)制技術(shù)[2-6]，具有高度靈活性和較為簡單的結(jié)構(gòu)[7-8]。在認(rèn)知無線電系統(tǒng)[9]的構(gòu)建方面有著天然的優(yōu)勢[10]。

傳統(tǒng)的多標(biāo)準(zhǔn)OFDM 系統(tǒng)靜態(tài)硬件電路實(shí)現(xiàn)需要包含所有可能的電路設(shè)計，當(dāng)重新配置時使用多路復(fù)用器進(jìn)行選擇，因此系統(tǒng)延時很小，但這導(dǎo)致了電路在工作時有很大一部分處于閑置狀態(tài)，也使其具有較高的功耗。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于FPGA的全模塊可重構(gòu)OFDM 系統(tǒng)，減小了電路面積，提高了能效比，但需要較長的系統(tǒng)重配置時間。

為了在減小電路面積的同時提高系統(tǒng)的配置速度，文中研究了一種基于部分可重構(gòu)模塊的OFDM系統(tǒng)。文中還討論了利用可重構(gòu)模塊與參數(shù)化模塊的最佳劃分方案對重新配置延時以及資源利用進(jìn)行優(yōu)化。該系統(tǒng)不僅可以在文中例舉的協(xié)議間進(jìn)行動態(tài)快速切換，也能夠應(yīng)用于其他的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

1 OFDM標(biāo)準(zhǔn)

表1 例舉了兩種不同的OFDM 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.11和WiMAX 協(xié)議）來演示系統(tǒng)的功能。

表1 兩種OFDM協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

從表1 中可以看出，不同的OFDM 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)互不相同，不過其結(jié)構(gòu)基本相同[12-13]，如圖1 所示。

圖1 OFDM符號結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)上的相似性使得提出一種新穎的通用部分可重構(gòu)OFDM 系統(tǒng)成為可能，并且具有重要意義，在下一節(jié)將會討論具體的系統(tǒng)設(shè)計方案。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)概述

文中提出一種支持多協(xié)議的低延時OFDM 系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2 所示，該系統(tǒng)支持多標(biāo)準(zhǔn)OFDM 信號的調(diào)制以及解調(diào)。

圖2 支持多協(xié)議的低延時OFDM系統(tǒng)架構(gòu)

目前許多FPGA 支持動態(tài)部分重新配置（DPR）功能[14-17]，可以在運(yùn)行過程中對電路中的部分模塊進(jìn)行重新配置，顯著減少了系統(tǒng)所需要的電路面積。

系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)子模塊被劃分為動態(tài)可重構(gòu)模塊以及靜態(tài)參數(shù)化模塊。在OFDM 信號調(diào)制端，要發(fā)送的數(shù)據(jù)先從處理器傳入FIFO 中等待傳輸，在信號調(diào)制過程中需要調(diào)制的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)制、插入導(dǎo)頻以及串并轉(zhuǎn)換后，通過快速傅里葉逆變換（IFFT）、添加循環(huán)前綴（CP），在數(shù)據(jù)整形過后上變頻到射頻前端進(jìn)行發(fā)送。信號解調(diào)端步驟包括符號定時偏差以及載波頻率偏差估計、移除CP、FFT、信道均衡以及解調(diào)。通過調(diào)整系統(tǒng)中的操作參數(shù)可以使系統(tǒng)支持不同的標(biāo)準(zhǔn)。

與傳統(tǒng)的OFDM 系統(tǒng)不同，文中提出的系統(tǒng)中CR 引擎可以根據(jù)當(dāng)前信道的狀況自適應(yīng)切換到未被占用的頻譜下進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。CR 引擎需要確定當(dāng)前信號傳輸所需的最佳配置，并將參數(shù)傳入CR緩存中通過ICAP（內(nèi)部配置訪問端口）[18]加載到對應(yīng)的重配置區(qū)域中。因此在系統(tǒng)進(jìn)行傳輸標(biāo)準(zhǔn)切換時僅僅需要重新配置其中的一部分。

該系統(tǒng)可以工作于突發(fā)模式下，如果數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒但系統(tǒng)正在進(jìn)行重配置，則將其先存入緩存區(qū)中。在模塊逐一完成重新配置的過程中，緩存中存儲的數(shù)據(jù)會以流水線的形式傳入處理模塊進(jìn)行處理，從而使數(shù)據(jù)吞吐量最大化，并且可以有效減少緩沖區(qū)大小。

由于架構(gòu)需要支持不同的傳輸協(xié)議，參數(shù)化的模塊設(shè)計需要滿足所有的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。為了在重配置時間與面積之間進(jìn)行均衡，需要分別對每個模塊進(jìn)行參數(shù)化以及對部分重新配置的花銷作對比。如果參數(shù)化消耗的硬件資源大于重新配置的硬件開銷（如信道均衡模塊），則認(rèn)為該模塊需要使用可重構(gòu)配置；反之則認(rèn)為將其配置為參數(shù)化模塊可以使系統(tǒng)獲得更好的性能。

2.2 STO和CFO估計

由于循環(huán)前綴為OFDM 符號數(shù)據(jù)位的副本，所以可以通過分析接收到的CP 與對應(yīng)的數(shù)據(jù)部分來進(jìn)行STO 估計。

其中，n為接收到數(shù)據(jù)y的時間順序索引，N為OFDM 符號的周期長度，*表示復(fù)共軛。

載波頻率偏移效應(yīng)會使訓(xùn)練序列與符號的數(shù)據(jù)位之間產(chǎn)生相位差，CFO 估算方法可以定義為：

其中，L為平均采樣數(shù)，Im 表示對應(yīng)的虛部值。

由于STO 與CFO的估計完全取決于循環(huán)前綴的數(shù)據(jù)，不同標(biāo)準(zhǔn)之間完全不同，所以使用動態(tài)可重構(gòu)模塊進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)可以有效減少硬件資源的消耗。

2.3 移除CP

不同的通信標(biāo)準(zhǔn)所對應(yīng)的CP 長度不盡相同，移除CP 模塊會移除每個OFDM 符號位上的循環(huán)前綴，該模塊將會被參數(shù)化從而支持多種OFDM 傳輸協(xié)議。

2.4 FFT

該模塊直接使用了Xilinx的高性能FFT IP 核，可以在運(yùn)行時動態(tài)更改采樣點(diǎn)數(shù)來適應(yīng)新的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 信道均衡

在信號傳輸過程中，接收端接收到的信號會受到信道噪聲的影響而產(chǎn)生失真，所以必須對信道所造成的影響進(jìn)行估計，其計算公式如下：

其中，n=0,1,2,…,N，H(n)代表信道影響，M(n)代表信道中的噪聲，式（4）為信道的估計值。該模塊利用OFDM 符號中的導(dǎo)頻信號進(jìn)行信道均衡估計，因此該模塊同樣被配置為動態(tài)可重構(gòu)模塊。

2.6 數(shù)據(jù)解調(diào)

數(shù)據(jù)解調(diào)部分根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前支持協(xié)議的不同切換至不同的解調(diào)模式，由于整體結(jié)構(gòu)簡單且所有數(shù)據(jù)符號都需要進(jìn)行解調(diào)，故將其配置為參數(shù)化模塊以提高數(shù)據(jù)吞吐量。

3 結(jié)果及分析

下面將對不同系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行延時分析。

假設(shè)整個信號處理的流程由m+n個不同的子模塊組成，全模塊重新配置的OFDM 基帶延時分析如圖3 所示。在切換傳輸標(biāo)準(zhǔn)時需要對整個調(diào)制模塊或解調(diào)模塊進(jìn)行重新配置。

圖3 全模塊重新配置延時分析

TRE_all為系統(tǒng)重新配置延時，TOPT_all為完成重新配置后的數(shù)據(jù)處理延時。其系統(tǒng)總延時如式（5）所示：

在文中所展示的OFDM 系統(tǒng)中，將數(shù)據(jù)處理模塊劃分為m個動態(tài)可重構(gòu)模塊和n個參數(shù)化模塊。由于同時只能對一個模塊進(jìn)行重新配置，所有需要重新配置的子模塊將按照數(shù)據(jù)處理的順序進(jìn)行重新配置。可重構(gòu)部分的延遲分析如圖4 所示。

圖4 動態(tài)可重構(gòu)模塊延遲分析

圖中，TREn代表第n個子模塊的重新配置延時，TOPTn為該模塊的數(shù)據(jù)處理延時。若前一個模塊已經(jīng)完成數(shù)據(jù)處理，而當(dāng)前模塊還未完成重新配置，則需要等待TWTn后才能繼續(xù)數(shù)據(jù)處理流程，反之當(dāng)TOPT(n-1)>TREn時，數(shù)據(jù)處理完畢后可以直接送到下一模塊進(jìn)行處理。

由后文所展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理所花費(fèi)的時間明顯小于對模塊進(jìn)行重新配置的時間，所以可重構(gòu)模塊整體延時可以由式（6）表示。除了需要重新配置的模塊外，剩余的參數(shù)化模塊的整體延時如式（7）所示：

式（8）為系統(tǒng)的總延時：

其中，所有子模塊的處理總延時與第j個子模塊的數(shù)據(jù)處理延時的關(guān)系可以用式（9）表示：

式（10）表示部分可重構(gòu)系統(tǒng)與全模塊重新配置系統(tǒng)的延時差。

由于FPGA 架構(gòu)的原因，對每個子模塊進(jìn)行分別配置的總延時要略大于全模塊重新配置所需的時間。但是由于在部分可重構(gòu)系統(tǒng)中需要重配置的子模塊數(shù)遠(yuǎn)小于全模塊重新配置架構(gòu)中需要重新配置的模塊數(shù)，故綜合來看，提出的部分可重構(gòu)OFDM 系統(tǒng)架構(gòu)的系統(tǒng)總延時要小于全模塊重新配置架構(gòu)的系統(tǒng)延時。

為了驗(yàn)證不同架構(gòu)重新配置的系統(tǒng)延時，在FPGA 上實(shí)現(xiàn)了完整的系統(tǒng)使其能夠在IEEE 802.11以及WiMAX 協(xié)議之間進(jìn)行切換，系統(tǒng)均使用50 MHz的采樣時鐘作為系統(tǒng)時鐘。

各個模塊在IEEE 802.11 以及WiMAX 協(xié)議下的操作延時如圖5 所示，從圖中可以看出，IEEE 802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下模塊的數(shù)據(jù)的處理延時比其工作在WiMAX 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下的延時要小，這是由于WiMAX協(xié)議下OFDM 符號的長度較長。

圖5 兩種協(xié)議下數(shù)據(jù)處理延遲分析

圖6 顯示了當(dāng)基帶切換為IEEE 802.11 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)時各子模塊的模塊重新配置延時與數(shù)據(jù)處理延時的對比。從圖中可以看出，各模塊的數(shù)據(jù)處理時間都明顯小于模塊的重新配置所需的時間，數(shù)據(jù)處理所需要的時間可以重疊進(jìn)模塊重配置時間之中，從而減少系統(tǒng)的整體延時。

圖6 模塊延遲分析

圖7 展示了將系統(tǒng)分別切換到兩種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下所需要的系統(tǒng)時間。從圖中可以看出，不管在哪種重配置模式下，將系統(tǒng)配置為支持WiMAX 協(xié)議的架構(gòu)所花費(fèi)的時間要長于配置為IEEE 802.11 協(xié)議所花費(fèi)的時間，這是由于WiMAX 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的OFDM 符號相對較長，導(dǎo)致配置時間以及處理延時相對較長。

圖7 系統(tǒng)延時分析

與傳統(tǒng)的全模塊重新配置相比，提出的系統(tǒng)架構(gòu)在配置IEEE 802.11 協(xié)議以及WiMAX 協(xié)議時的系統(tǒng)延時分別降低了36.9%和38.8%。

4 結(jié)論

文中通過FPGA 分析并驗(yàn)證了不同OFDM 系統(tǒng)之間的延時差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的全模塊重新配置系統(tǒng)相比，文中所提出部分可重構(gòu)OFDM系統(tǒng)在配置802.11 以及WiMAX 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)時分別降低了36.9%和38.8%，在大幅減少電路面積的同時降低了系統(tǒng)的重配置延時，提升了系統(tǒng)的性能。