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SORA 微軟基于PC的軟件無(wú)線電平臺(tái)

2012-12-17 來(lái)源：微波射頻網(wǎng) 字號(hào)：大中小

SORA是微軟研究中心的軟件無(wú)線電（Software Radio ：簡(jiǎn)稱Sora）是一種新型的軟件無(wú)線電平臺(tái)，為世界上第一款100%基于PC的高性能可編程無(wú)線通信系統(tǒng)。它充分發(fā)揮了通用處理器（GPP）性能和靈活性，采用軟硬件聯(lián)合優(yōu)化技術(shù)，滿足高速信號(hào)處理的挑戰(zhàn)?？梢栽谕ㄓ玫腜C或者服務(wù)器上實(shí)時(shí)運(yùn)行無(wú)線通信協(xié)議，速率可達(dá)54Mbps以上，解決了PC架構(gòu)實(shí)現(xiàn)“高速 SDR”的這一難題。

在傳統(tǒng)的無(wú)線通訊系統(tǒng)，關(guān)鍵底層處理，如PHY層和介MAC層，通常ASIC芯片或者FPGA實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橛蟹浅８叩挠?jì)算要求。這種設(shè)計(jì)更改或升級(jí)比較困難，對(duì)設(shè)計(jì)人員硬件水平要求很高，不適合作為科學(xué)研究或者算法工程師的研究平臺(tái)。但是通用處理器（GPP）的軟件和硬件系統(tǒng)都不是為了無(wú)線通信的信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，因此很難達(dá)到高性能的實(shí)時(shí)通信。例如，非常流行的USRP系列，只能實(shí)現(xiàn)8MHz帶寬上，100多Kbps的實(shí)時(shí)通信。

高性能的無(wú)線通信對(duì)系統(tǒng)有非常嚴(yán)格的需求，主要是以下三個(gè)方面：

1.高速的系統(tǒng)吞吐量
包括遠(yuǎn)端射頻頭和PHY層協(xié)議之間以及PHY層協(xié)議內(nèi)部的模塊之間。例如，實(shí)現(xiàn)802.11系列協(xié)議，單天線需要大約1.2Gbps的吞吐量，如果支持4x4 MIMO應(yīng)用，那么至少5Gbps以上，這個(gè)指標(biāo)目前對(duì)大部分PC都是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2.高強(qiáng)度的計(jì)算

無(wú)線通信的算法需要大量的計(jì)算，而且為了保證實(shí)時(shí)性，很多計(jì)算又是突發(fā)性的，因此必須充分發(fā)揮GPP的性能才能保證。目前主流的GPP都采用多核架構(gòu)，所以如何將多核的計(jì)算能力匯聚起來(lái)，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議對(duì)軟件開(kāi)發(fā)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3.實(shí)時(shí)的響應(yīng)

無(wú)線通信協(xié)議中有很多響應(yīng)門(mén)限，為了保證正常通信，這些響應(yīng)門(mén)限必須滿足。因此，低延遲的控制方法也很重要。例如，802.11系列的MAC層協(xié)議要在幾個(gè)微秒內(nèi)就可以得到響應(yīng)。這對(duì)于PC和操作系統(tǒng)都是很難實(shí)現(xiàn)的。

Sora的解決之道：

SORA通過(guò)以下四種途徑解決了GPP開(kāi)發(fā)無(wú)線通信算法問(wèn)題，分別是：

1.采用高速的PCI Express總線接口標(biāo)準(zhǔn)。

PCIe總線不僅吞吐量大，而且響應(yīng)時(shí)間也優(yōu)于USB、GbE等接口，非常適合軟件無(wú)線電的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.充分優(yōu)化的PHY 層協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法

3.多核CPU之間的數(shù)量流水式操作。在不同內(nèi)核之間通過(guò)FIFO同步，充分發(fā)揮各個(gè)內(nèi)核的作用。

4.內(nèi)核限定技術(shù)。通過(guò)設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)某個(gè)內(nèi)核停止相應(yīng)外部中斷，專心計(jì)算，這樣可以提高系統(tǒng)技術(shù)能力。

下圖是Sora的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

Sora的硬件架構(gòu)

Radio Control Board：RCB

RCB是Sora系統(tǒng)的核心板卡，采用了PCI Express 8x架構(gòu)，最高吞吐率達(dá)到16Gbps。RCB上有8個(gè)通用的射頻接口，可以支持最高8x8MIMO。FPGA內(nèi)容邏輯框圖如下：

Radio Adapter Board：RAB

實(shí)現(xiàn)ADC和DAC功能，將模擬基帶轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶信號(hào)。采用USRP兼容的接口，可以支持Ettus公司大部分射頻模塊。雙通道ADC，12位64MSPS以及雙通道DAC，14位64MSPS。板上FPGA提供參考設(shè)計(jì)代碼

Radio Module：

實(shí)現(xiàn)天線接口和上下變頻，將射頻芯片轉(zhuǎn)換為模擬基帶，頻率范圍覆蓋WiFi、LTE和WiMax等主要通信頻段，帶寬最高可達(dá)80MHz。

Sora的軟件架構(gòu)

主要技術(shù)：

1. 采用查找表技術(shù)充分利用CPU的L2 Cache，大部分的PHY層算法可以通過(guò)查找表來(lái)加速1.5~22倍。

2. SIMD指令集優(yōu)化。充分利用CPU并行加速指令，特別適合FFT和IFFT這一類運(yùn)算。

3. 利用多核流水線技術(shù)

通過(guò)同步FIFO，將PHY層實(shí)現(xiàn)的子流水線模塊分配到不同的內(nèi)核執(zhí)行，充分利用多核

CPU的計(jì)算能力。

4. 獨(dú)占內(nèi)核技術(shù)

為了確保CPU可以實(shí)時(shí)響應(yīng)，Sora采用了獨(dú)占線程技術(shù)，可以讓某個(gè)或者某幾個(gè)內(nèi)核專用于SDR的任務(wù)，不被其他系統(tǒng)調(diào)用影響。實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)不需要修改操作系統(tǒng)的內(nèi)核。

Sora的性能測(cè)試

以WiFi 802.11a/b/g的實(shí)現(xiàn)為案例，測(cè)試Sora的性能。算法優(yōu)化前后對(duì)比