基于NoC架构软件无线电验证平台设计.docVIP

基于NoC架构软件无线电验证平台设计 　　摘要:软件无线电技术可以满足新一代无线通信系统对可扩展性、可重配置性以及可升级性的要求,并且能够解决各种通信体制之间的兼容性等问题,因而被认为是未来移动通信的关键技术之一。本文设计了一个基于NoC架构的软件无线电验证平台。该平台的硬件部分是一个16节点的4×4 2-D mesh NoC多核结构,NoC底层采用虫洞交换、确定路由、输出缓存队列(Virtual Output Queue,VOQ)机制,以及全新设计的网络接口(Network Interface,NI)完成硬件底层和处理器核之间的数据交互。通过改变运行在处理器核上的软件代码可以实现各种无线电收发系统的功能。根据正交频分复用(OFDM)基带收发系统在该验证平台上的验证与实现,证明本设计是一个高效、可靠、灵活的软件无线电验证平台。 　　关键词:软件无线电;片上网络;OFDM;验证平台;网络接口 　　 　　1引言 　　 　　软件定义的无线电(Software-Defined-Radio, SDR,简称软件无线电)自从1992年由Jeo Mitola提出以来,在最近几年取得了引人注目的进展,引起了包括军事通信、个人移动通信、微电子以及计算机等电子领域的巨大关注和广泛兴趣。软件无线电的基本思想是以一个开放的、模块化的、标准化的通用硬件平台为依托,通过加载软件来实现各种无线通信功能[1]。软件无线电突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性,强调以开放性的最简硬件为通用平台,尽可能地用可升级、可重配置的(reconfigurable)应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路。用户在同一硬件平台上可以通过配置不同的应用软件来满足不同时期、不同使用环境的不同的功能需求[2]。 　　随着集成电路集成度的不断提高,片上各模块的通信问题逐渐成为系统性能的瓶颈。传统的片上系统(SoC)总线结构在同一时刻只允许一对通信,这一模式严重制约了系统的平均通信效率和可扩展性。 NoC可以定义为在单一芯片上实现的基于网络通信的多处理器系统。NoC有效改善了片上多核系统的通信瓶颈问题,将成熟的网络技术借鉴到芯片设计领域,极大扩展了集成电路设计空间。 　　参考文献[1][2]介绍了软件无线电技术的发展概况和关键技术研究。文献[3][4][6]都涉及到???从SoC到NoC技术的发展和现状。文献[8][9][10]展示了NoC设计方法学和各种基于FPGA的NoC设计原型。文献[7]中将4G无线通信系统映射到一个2D mesh NoC架构的仿真平台上,但是并没有硬件原型验证和软件无线电思想的引入。本文创新性地将软件无线电思想引入到基于NoC构架的硬件集成电路中,设计并通过FPGA原型验证了一个基于NoC架构的通用软件无线电验证平台。这个平台具有很好的可扩展性和可配置性。文章的第二部分概述了NoC硬件底层的组成结构以及设计要素。第三部分介绍该软件无线电验证平台的软硬件协同设计方案。第四部分以OFDM基带收发系统为验证实例,讲述了在该平台上验证软件无线电系统的流程,并且给出了实际性能测试结果。第五部分对全文进行了总结。 　　 　　2NOC硬件平台概述 　　 　　 2.1片上网络组成要素 　　从硬件组成上来看,NoC包括资源节点和通信两类节点。资源节点完成广义的计算任务。网络中资源核可以是DSP芯片,可以是设计者自主设计的ASIC,可以是一个SoC,可以是一个高速缓存块,也可以是一个通用处理器。这种因应用而异的设计被称为ASNoC(Application Specific NoC)。然而不论是所有资源核同构的NoC,还是ASNoC,通常情况下它们的交换节点和网络接口都是同构的。通信节点(又称交换开关)负责计算节点之间的数据通信,用路由和分组交换技术替代传统的总线技术完成通信任务[3]。 　　 　　 2.2片上网络设计要素 　　基于NoC架构的多核片上系统(MPSoC)有如下几个设计要素:拓扑结构,路由算法,交换策略和控制机制。 　　网络拓扑结构是网络的物理互连结构,可以由规则的路由和通道组成,也可由非规则的路由及通道构成。常用的NoC拓扑结构都为规则结构,如2D Mesh结构、3D Mesh结构、环面(Torus)结构、八角形以及立方环拓扑结构等。 　　路由算法决定了消息在网络结构中传输的方向,把可能的传输路径集合限制为合理的路径子集。如果消息的路由完全由它的源和目的地址决定,与网络中其它流量无关,这种路由算法称为确定性路由。例如,维序路由采用了确定性路由的方法,数据包不管其路径上的链路是否阻塞都要沿该路径走下去。二维拓扑结构下的维序路由也称为X-Y路由。自适应路由算法允许路径上的其它流量影响数据包的路由策略。例如