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SORA 微軟基于PC的軟件無線電平臺

2012-12-17 來源:微波射頻網 字號:

 

    SORA是微軟研究中心的軟件無線電(Software Radio :簡稱Sora)是一種新型的軟件無線電平臺,為世界上第一款100%基于PC的高性能可編程無線通信系統(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,滿足高速信號處理的挑戰(zhàn)。可以在通用的PC或者服務器上實時運行無線通信協(xié)議,速率可達54Mbps以上,解決了PC架構實現(xiàn)“高速 SDR”的這一難題。
 
     在傳統(tǒng)的無線通訊系統(tǒng),關鍵底層處理,如PHY層和介MAC層,通常ASIC芯片或者FPGA實現(xiàn),因為有非常高的計算要求。這種設計更改或升級比較困難,對設計人員硬件水平要求很高,不適合作為科學研究或者算法工程師的研究平臺。但是通用處理器(GPP)的軟件和硬件系統(tǒng)都不是為了無線通信的信號處理而設計的,因此很難達到高性能的實時通信。例如,非常流行的USRP系列,只能實現(xiàn)8MHz帶寬上,100多Kbps的實時通信。

高性能的無線通信對系統(tǒng)有非常嚴格的需求,主要是以下三個方面:

1.高速的系統(tǒng)吞吐量
包括遠端射頻頭和PHY層協(xié)議之間以及PHY層協(xié)議內部的模塊之間。例如,實現(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應用,那么至少5Gbps以上,這個指標目前對大部分PC都是嚴峻的挑戰(zhàn)。

 


2.高強度的計算
無線通信的算法需要大量的計算,而且為了保證實時性,很多計算又是突發(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,所以如何將多核的計算能力匯聚起來,實現(xiàn)通信協(xié)議對軟件開發(fā)也是一個挑戰(zhàn)。
 
3.實時的響應
無線通信協(xié)議中有很多響應門限,為了保證正常通信,這些響應門限必須滿足。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)議要在幾個微秒內就可以得到響應。這對于PC和操作系統(tǒng)都是很難實現(xiàn)的。
 
Sora的解決之道:
SORA通過以下四種途徑解決了GPP開發(fā)無線通信算法問題,分別是:
 
1.采用高速的PCI Express總線接口標準。 
  PCIe總線不僅吞吐量大,而且響應時間也優(yōu)于USB、GbE等接口,非常適合軟件無線電的應用場合。
2.充分優(yōu)化的PHY 層協(xié)議實現(xiàn)方法
3.多核CPU之間的數量流水式操作。在不同內核之間通過FIFO同步,充分發(fā)揮各個內核的作用。
4.內核限定技術。通過設置,可以實現(xiàn)某個內核停止相應外部中斷,專心計算,這樣可以提高系統(tǒng)技術能力。
 
下圖是Sora的系統(tǒng)結構:

Sora的硬件架構

Radio Control Board:RCB

RCBSora系統(tǒng)的核心板卡,采用了PCI Express 8x架構,最高吞吐率達到16GbpsRCB上有8個通用的射頻接口,可以支持最高8x8MIMOFPGA內容邏輯框圖如下:

 

Radio Adapter Board:RAB

實現(xiàn)ADCDAC功能,將模擬基帶轉換為數字基帶信號。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ADC1264MSPS以及雙通道DAC1464MSPS。板上FPGA提供參考設計代碼

 

Radio Module:

實現(xiàn)天線接口和上下變頻,將射頻芯片轉換為模擬基帶,頻率范圍覆蓋WiFiLTEWiMax等主要通信頻段,帶寬最高可達80MHz

 

Sora的軟件架構

主要技術:

1. 采用查找表技術充分利用CPUL2 Cache, 大部分的PHY層算法可以通過查找表來加速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FFTIFFT這一類運算。

3. 利用多核流水線技術

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

    CPU的計算能力。

4. 獨占內核技術

為了確保CPU可以實時響應,Sora采用了獨占線程技術,可以讓某個或者某幾個內核專用于SDR的任務,不被其他系統(tǒng)調用影響。 實現(xiàn)這種技術不需要修改操作系統(tǒng)的內核。

 

Sora的性能測試

WiFi 802.11a/b/g的實現(xiàn)為案例,測試Sora的性能。算法優(yōu)化前后對比

Sora與商業(yè)網卡吞吐量對比

 

SoraSDK開發(fā)包

Sora學術套件提供了SDK開發(fā)包,提供了開源實現(xiàn)的802.11a/b/gPHYMAC實現(xiàn)。自從2010年發(fā)布以來,多次更新,目前的版本為SDK1.6,下載鏈接如下:

SDK不僅提供了PHYMAC的實現(xiàn)代碼,還提供了調試用的一些工具,如示波器

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