用于下一代无线通信研究的FPGA板卡

德国研究团队在实验无线通信基站中使用的实时处理

随着第五代无线通信标准5G的推出，科学家们不断研究提高无线通信网络带宽效率的方法。 随着自动驾驶汽车等联网设备 (IoT) 的激增，未来的通信网络必须能够与小区内越来越多的终端实时交换数据。

实现这一目标的有前途的技术之一是大规模 MIMO 基站（多输入、多输出）。大规模 MIMO 基站由数十或数百个天线阵列组成，这些天线与小区内的大量终端同时通信。从小区中的每个终端接收到的信号由于其与基站的相对位置而具有特定的特征。 SDMA（空分多址）是一种分析这些特性以相应优化下行链路传输的方法。这确保了阵列中所有天线的容量都被最大限度地利用，从而为小区中的所有终端提供最佳带宽。

大规模 MIMO 天线开发的关键挑战是实时处理所有这些信号。由于小区内的所有终端都连接到基站的所有天线，因此必须进行复杂的编码和解码以将每个上行链路和下行链路信号的拼图拼凑在一起。并且该处理必须尽可能快，因为移动终端在小区内永久改变位置。

突破无线通信的极限

由Caire教授领导的德国柏林工业大学 (TU) 电气工程与计算机科学系 (EECS) 的一个研究团队正在努力解决这些挑战。 Caire教授是世界公认的通信研究领域杰出的科学家。 该研究的目的是通过研究新概念并优化它们以确定它们的基本限制，从而提高无线设备和系统的容量、功能和可靠性。 该团队已经构建了实验性的大规模 MIMO 天线，以证明其概念的有效性。 该研究成果及其概念验证将被业界用于开发第五代和第六代移动通信系统。

使用虹科FPGA技术进行实时处理

为了寻找处理输入信号的解决方案，柏林工业大学的团队求助于虹科的合作伙伴。 实验性的大规模 MIMO基站能够同时与8个用户终端进行通信，其无线电资源少于传统基站仅与单个用户终端进行通信所需的无线电资源。

所有天线信号和通信流都在单个高性能FPGA板上进行处理，该板通过千兆位收发器和PCI express接口连接到无线电前端以及网络基础设施。 该解决方案确保了高吞吐量和极低的延迟，这是无线通信的关键点。 为此，使用了英特尔的Arria10 FPGA，因为它们具有高浮点处理能力和数据通信性能。

 Fig.1 通信示意

可拓展技术

具有SDMA的大规模MIMO基站使用波束成形来将无线电发射定位到每个终端。 这降低了传输所需的辐射功率，从而降低了干扰的风险。 在阵列中添加天线可以提高波束形成的精度，从而提高基站的效率。

柏林工业大学的实验装置，由Dr.-Ing 开发。 Andreas Benzin具有一组64根天线，仅用于一个FPGA 板用于信号处理。 在实际实施中，我们的板卡可以同时处理多达192个天线。 通过将FPGA板添加到系统中，可以轻松实现更大的基站。

使用一致的硬件和软件轻松升级

多年来，我们团队一直在该研究团队身边。  “当时，我们ProcStar II板提供了大量高速通用FPGA信号，而ProcWizzard编程工具使其易于编程”。 该团队可以从一开始就专注于在FPGA上实现他们的信号处理算法。 他们不需要浪费时间开发主机、驱动程序等的外围接口，因为这些都是由我们提供的。

多年来，该团队使用不断更新中的FPGA硬件构建了新的实验系统。迁移到最新的软件平台非常容易，因为硬件概念保持不变，并且从一个平台到另一个平台维护相同的 API 套件。

虹科 ProcWizard-FPGA开发工具包：

ProcWizard的主要功能包括：

1. 软硬件自动集成
2. 自动将Gidel的IP核集成到设计中
3. 生成HDL代码
4. 生成第三方分区
5. 生成C++应用程序驱动程序
6. 生成文档
7. 硬件调试