RF network on chips （RFNoC）片上网络浅析

摘要

软件无线电开发领域常用的GNU-Radio开源开发框架一般是用于GPP架构，由于信号处理都在PC上实现，波形模块的移植性和可复用性好，并且基于流图的开发模式很容易上手，易被学术界接受。但是二代的USRP前端FPGA能力较弱，一般只用于信号上下变频和采样，因此很难达到实际通信协议&产品（如802.11簇）的处理能力和时延要求。

因此，Ettus Research公司基于K-7和Zynq7000等系列的FPGA开发的第三代USRP，其FPGA资源丰富，但是直接进行FPGA开发比GPP门槛高，并且波形模块化和复用难度加大。因此，Ettus Research同时也于2015年开始推出了与之硬件配套的RFNoC（RF network on chips）开源开发框架，支持类似于GNURadio流图开发模式调用FPGA资源，降低了用户开发门槛，也通过支持RFNoC的社区增大相关波形组件的丰富，形成较好的生态，目前效果已初见端倪，成为软件无线电产品级开发的主流技术路线之一。

RFNoC简析

本节根据公开资料，摘录和简要分析了RFNoC框架的特点：
- 基本原理：在FPGA里面实现了分组化网络(packetized network)，可以构建基于FPGA的处理模块（block），或者叫Computation Engine（CE）。每个CE可以认为是独立的片上网络结点，与其它CE、GPP或者Radio Block进行通信。
- 波形重构能力：可以采用CE之间的重连线实现，其灵活性和模块化程度类似于GPP+Gnuradio的流图重构机制。Ettus发布的较新tutorial已经可以在GNURadio里面集成混合式的GPP和RFNoC流图。（Ettus Research Tutorial下面有多个展开链接，建议都过一下）
- 波形组件复用性：至少在Zynq系列上的RFNoC波形可以重用（基于Verilog开发），还要确认是否有更强的重新能力。
- 可用波形：目前较少，因为要涉及FPGA开发，所以学术界的相关波形组件开发和开源肯定比GPP的组件慢，但是在基于RFNoC的Zynq系列越来越普及的情况下，RFNoC-GR开源包也会逐步增多，这里将搜集更新可用的包和基本介绍。
- 可用软硬件开发平台：硬件包含Ettus SDR产品为USRP E310/E312和X300/X310（原理上基于Zynq系列核心模组的开发板都可以支持），软件目前新版本GNURadio支持RFNoC开发（要确认版本）
- 初步结论：
– RFNoC框架处理了FIFO，分组包封装\解封装以及crossbar总线传输，使得用户可以关注于FPGA的IP的开发。另一方面，有大量的IP可以复用。
– GPP+FPGA组成的RFNoC技术的重构能力和快速开发能力与GPP更为接近，远优于FPGA或者ASIC。
– RFNoC并不需要依赖GNURadio，也可采用纯C++或者其它框架

RFNoC开发流程

– 1. 设计实现、或者复用AXI-based的IP：可以用Verilog、VHDL、HLS、Xinlinx IP等，因此可能复用开源设计和Xinlinx的大量IP
– 2. 测试IP功能：如采用Xinlinx工具。
– 3. 定义跟RFNoC的接口：如数据接口、设置寄存器、回读寄存器
– 4. 基于模板将IP封装为RFNoC模块：
– 5. 调测试封装后的RFNoC模块：调测试方案多样，包括xsim、vsim、vivado+JTAG、wireshark等，也可以利用GR作为debug和evaluation工具：例如将待测RFNoC模块和同样功能参数的GR-GPP模块对比输入输出，测试各种激励，从GUI Scope等可视化结果，确认开发的RFNoC的功能正确性。
– 6. 实现host-side的控制代码：包括UHD和GNURadio的两个XML文件
– 7. 在GNURadio中使用RFNoC模块。
– 8. 部署时间因素： 因为Vivado的性能限制，X310部署image需要2小时，E31x需要45分钟。

参考资料

• GRCon2016：RFNoC™: RF Network on Chip
• Ettus Research Tutorial: RFNoC Overview