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實驗室，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)的多標準OFDM 系統(tǒng)靜態(tài)硬件電路實現(xiàn)需要包含所有可能的電路設(shè)計，當重新配置時使用多路復(fù)用器進行選擇，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[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行優(yōu)化。該系統(tǒng)不僅可以在文中例舉的協(xié)議間進行動態(tài)快速切換，也能夠應(yīng)用于其他的數(shù)據(jù)傳輸標準。

1 OFDM標準

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

表1 兩種OFDM協(xié)議標準

從表1 中可以看出，不同的OFDM 協(xié)議標準的參數(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)支持多標準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]，可以在運行過程中對電路中的部分模塊進行重新配置，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)支持不同的標準。

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)當前信道的狀況自適應(yīng)切換到未被占用的頻譜下進行數(shù)據(jù)的傳輸。CR 引擎需要確定當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)進行傳輸標準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)準備就緒但系統(tǒng)正在進行重配置，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)議標準。為了在重配置時間與面積之間進行均衡，需要分別對每個模塊進行參數(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），則認為該模塊需要使用可重構(gòu)配置；反之則認為將其配置為參數(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)，不同標準之間完全不同，所以使用動態(tài)可重構(gòu)模塊進行硬件實現(xiàn)可以有效減少硬件資源的消耗。

2.3 移除CP

不同的通信標準所對應(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，可以在運行時動態(tài)更改采樣點數(shù)來適應(yīng)新的協(xié)議標準。

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。在切換傳輸標準時需要對整個調(diào)制模塊或解調(diào)模塊進行重新配置。

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行處理。

由后文所展示的實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理所花費的時間明顯小于對模塊進行重新配置的時間，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。

為了驗證不同架構(gòu)重新配置的系統(tǒng)延時，在FPGA 上實現(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)議標準下模塊的數(shù)據(jù)的處理延時比其工作在WiMAX 協(xié)議標準下的延時要小，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 顯示了當基帶切換為IEEE 802.11 協(xié)議標準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)議標準下所需要的系統(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)所花費的時間要長于配置為IEEE 802.11 協(xié)議所花費的時間，這是由于WiMAX 協(xié)議標準的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 分析并驗證了不同OFDM 系統(tǒng)之間的延時差異。實驗結(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)議標準時分別降低了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。