GPP开发无线通信算法问题四种解决方法及主要技术

SORA是微软研究中心的软件无线电（Software Radio ：简称Sora）是一种新型的软件无线电平台，为世界上第一款100%基于PC的高性能可编程无线通信系统。它充分发挥了通用处理器（GPP）性能和灵活性，采用软硬件联合优化技术，满足高速信号处理的挑战。可以在通用的PC或者服务器上实时运行无线通信协议，速率可达54Mbps以上，解决了PC架构实现“高速 SDR”的这一难题。

在传统的无线通讯系统，关键底层处理，如PHY层和介MAC层，通常ASIC芯片或者FPGA实现，因为有非常高的计算要求。这种设计更改或升级比较困难，对设计人员硬件水平要求很高，不适合作为科学研究或者算法工程师的研究平台。但是通用处理器（GPP）的软件和硬件系统都不是为了无线通信的信号处理而设计的，因此很难达到高性能的实时通信。例如，非常流行的USRP系列，只能实现8MHz带宽上，100多Kbps的实时通信。

高性能的无线通信对系统有非常严格的需求，主要是以下三个方面：

 

1.高速的系统吞吐量

包括远端射频头和PHY层协议之间以及PHY层协议内部的模块之间。例如，实现802.11系列协议，单天线需要大约1.2Gbps的吞吐量，如果支持4x4 MIMO应用，那么至少5Gbps以上，这个指标目前对大部分PC都是严峻的挑战。

2.高强度的计算

无线通信的算法需要大量的计算，而且为了保证实时性，很多计算又是突发性的，因此必须充分发挥GPP的性能才能保证。目前主流的GPP都采用多核架构，所以如何将多核的计算能力汇聚起来，实现通信协议对软件开发也是一个挑战。

3.实时的响应

无线通信协议中有很多响应门限，为了保证正常通信，这些响应门限必须满足。因此，低延迟的控制方法也很重要。例如，802.11系列的MAC层协议要在几个微秒内就可以得到响应。这对于PC和操作系统都是很难实现的。

Sora的解决之道：

SORA通过以下四种途径解决了GPP开发无线通信算法问题，分别是：

1.采用高速的PCI Express总线接口标准。 

PCIe总线不仅吞吐量大，而且响应时间也优于USB、GbE等接口，非常适合软件无线电的应用场合。

2.充分优化的PHY 层协议实现方法

3.多核CPU之间的数量流水式操作。在不同内核之间通过FIFO同步，充分发挥各个内核的作用。

4.内核限定技术。通过设置，可以实现某个内核停止相应外部中断，专心计算，这样可以提高系统技术能力。
 

下图是Sora的系统结构：

Sora的硬件架构

Radio Control Board：RCB

RCB是Sora系统的核心板卡，采用了PCI Express 8x架构，最高吞吐率达到16Gbps。RCB上有8个通用的射频接口，可以支持最高8x8MIMO。FPGA内容逻辑框图如下：

Radio Adapter Board：RAB

实现ADC和DAC功能，将模拟基带转换为数字基带信号。采用USRP兼容的接口，可以支持Ettus公司大部分射频模块。双通道ADC，12位64MSPS以及双通道DAC，14位64MSPS。板上FPGA提供参考设计代码

Radio Module：

实现天线接口和上下变频，将射频芯片转换为模拟基带，频率范围覆盖WiFi、LTE和WiMax等主要通信频段，带宽最高可达80MHz。

Sora的软件架构

主要技术：

1. 采用查找表技术充分利用CPU的L2 Cache， 大部分的PHY层算法可以通过查找表来加速1.5~22倍。

2. SIMD指令集优化。充分利用CPU并行加速指令，特别适合FFT和IFFT这一类运算。

3. 利用多核流水线技术

通过同步FIFO，将PHY层实现的子流水线模块分配到不同的内核执行，充分利用多核

CPU的计算能力。

4. 独占内核技术