使用Virtex-5 FPGA實現LTE仿真器

功能強大的可編程邏輯平臺使得Prisma Engineering公司能夠針對所有蜂窩網絡提供可重配置無線測試設備。長期演進(LTE)是移動寬帶的最3GPP標準，它打破了現有蜂窩網絡的固有模式。LTE與前代UMTS和GSM標準相比，除采用高頻譜效率的射頻技術外，其架構還得到了大幅簡化。LTE系統(tǒng)的無線接入部分Node-B，是連接無線電和整個互聯(lián)網協(xié)議核心網絡之間的邊緣設備。這種架構無法監(jiān)測和測試等效于UMTS中間鏈路上的元件。必須通過無線電接口，才能有效地測試LTE網絡元件。

這正是Prisma Engineering公司線路服務器單元(LSU)UeSIM LTE項目的設計組要解決的問題。該仿真器是針對所有LTE測試需求的全面解決方案，可幫助網絡設備設計人員對空中接口和核心網絡進行測試和監(jiān)控。單個這種硬件平臺即可在每個扇區(qū)模擬出多達1 024個用戶設備。無線電接口的載荷-應力測試和功能測試覆蓋了完整LTE協(xié)議棧及其應用。射頻前端采用本地多輸入多輸出(MIMO)設計，可支持5MHz、10MHz、15MHz和20MHz多種不同帶寬。

這個仿真器中心采用三個賽靈思Virtex®-5 FPGA(XC5VSX50T)，可支持高級軟件無線電重配置?？偛吭O位于意大利米蘭的Prisma Engineering公司的設計組很快認識到，我們需要功能強大、可重編程的架構，以便能夠用同一開發(fā)板靈活應對多種無線接入標準?，F有兩種用戶測試工具：LTE Test Manager（主要針對LTE設備廠商提供）和Quick GUI（主要針對LTE網絡營運商提供）。Quick GUI提供通過/未通過測試方案，而Test Manager則可進行更為復雜的分析。

LSU UeSIM LTE架構

LSU UeSIM LTE仿真器采用由協(xié)議處理單元(PPU)模板、軟件無線電(SDR)模板和支持MIMO操作的兩個無線電模塊共同構成的CompactPCI標準架構。

采用Intel技術的PPU模板是一種主處理器卡，能夠對多個SDR模板進行管理，改善載荷-應力性能。軟件無線電模板專為擴展我們先前的LSU系統(tǒng)在無線電接口的運行性能而設計。CompactPCI無線電夾層卡負責提供各個不同標準射頻帶寬的射頻發(fā)送/接收功能：GSM（850 MHz和900MHz；1.8和1.9GHz）、LTE（700MHz，2.1 GHz、2.3 GHz、2.5 GHz和2.6GHz）和WiMAX（2.4GHz、3.5GHz和5GHz）。

SDR卡架構

SDR卡是一種集成在LSU軟/硬件環(huán)境中的高性能平臺，用于提高系統(tǒng)與基帶(CPRI/OBSAI)、無線電接口或者兩者之間的連接功能。該卡使用工作在特定頻帶內的不同外部無線電模塊，可支持各種無線標準，比如GSM/EDGE、UMTS、HSPA、WiMAX和LTE等。圖1為在LTE測試場景中，仿真器或取代無線電扇區(qū)，或為核心網絡提供測試接口。


圖1 LTE測試場景

我們采用三個德州儀器的1GHz DSP（我們選用了TMS320C6455）和Analog Devices公司的模數轉換器(AD9640)與數模轉換器(AD9779)，完成了基于賽靈思FPGA的SDR卡設計。時鐘網絡采用Analog Devices公司的AD9549，能夠為轉換和數字信號處理器件(FPGA、DSP)提供極高的靈活時基。

LTE加工數據通路

Prisma把LTE加工數據通路分為兩大部分，一是在FPGA內實現的射頻前端。二是在DSP內實現的物理資源分配以及數據通道與控制通道端接。

在上行鏈路方向，由一個DSP負責處理MAC層到物理層的交換以及物理層某些功能的操作。它負責為編碼、交織、加擾、符號映射和子載波分配提供參考信號（導頻）、源數據和控制通道。離散傅立葉轉換(DFT)函數負責根據SC-FDMA標準完成來自不同終端的數據轉換。該系統(tǒng)通過EMIF接口把每個OFDM符號都發(fā)送到上行鏈路FPGA。圖2為LSU軟件無線電卡上的賽靈思Virtex-5 FPGA和TI DSP。


圖2 LSU軟件無線電卡

該FPGA將數據速率從125MHz（DSP EMIF接口時鐘）提升到245.76MHz（FPGA加工速率）。然后FPGA將執(zhí)行一系列其他操作：2048點反向快速傅立葉轉換、循環(huán)前綴插入、PRACH數據通道插入、7.5kHz頻率下轉換OFDM符號頻譜的半移位函數、信道整形與內插濾波以及24MHz頻率下的中頻(IF)轉換。隨后該器件以122.88MHz的時鐘頻率把中頻數據發(fā)送到DAC。同時射頻卡將模擬信號轉換為射頻信號，發(fā)送至發(fā)射器放大器。下行鏈路方向上，在LNA放大、可編程增益和轉換階段完成后，射頻卡將把接收到的中頻數據發(fā)送到SDR卡(140MHz)。ADC將以122.88MHz的頻率對模擬數據進行二次采樣，而FPGA則負責處理最終到基帶的17.12MHz頻率轉換。該數據可以與兩個單輸入、單輸出通道關聯(lián)，也可以與一個MIMO通道關聯(lián)。