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摘要 在分析了移动通信网络中无线基站内部互连标准的基础上，针对目前无线基 站系统内部互连的问题，本论文提出以串行r a p i d l o 互连标准替代现有基站互连 标准的无线基站架构方案，形成全r a p i d l o 架构无线基站设计模型。系统方案分 三个层次给出，逐层深入。 为了对全r a p i d l o 架构基站系统方案进行验证，本文以中兴公司现有基站设 计中的各单元模块为基础，设计并制作了下一代网络交换系统。下一代网络交换 系统主要提供验证方案所需的r a p i d l o 交换网络。其网络构建采用全相连网状拓 扑结构。试验仿真以实际的小区无线终端用户数据源为试验源。系统管理采用冗 余备份方案。系统拥塞控制采用主动探测链路流量和简单的上报门限水位方法。 仿真结果表明，以r a p i d l o 实现基站板间互连技术，可以使基站系统设计简 洁规整，缩短设计周期，减少上层软件对整个网络的管理，从而使基站系统具有 更好的可扩展性和高可靠性。 关键词：基站r a p i d l 0 技术高速互连标准下一代交换网络 a bs t r a c t a st l l er a d i oa c c e s sl a y e r , p r e s e n tw i r e l e s sb a s es t a t i o nh a ss o m e d r a 、v b a c k s a sa 8 0 l u t i o n ，h e r e i nt h ep a p e rg a v ean e wb a s es t a t i o nd e s i g na r c h i t e c t u r ei nt h r e es t e p s w h i c hu s e st h es e r i a lr a p i d l oa st h es t a n d a r di n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o i o g y o u rp r o p o s e dm o d e w a sv e r i f i e dt h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d y t h ev e r i f i c a t i o nw a s b a s e do nt h en g f s ( n e x tg e n e r a t i o nf a b r i cs w i t c hs y s t e m ) ，w h i c hd e s i 盟c da i l dm a d e u n d e rt h ez t e c o sb a s es t a t i o nd e s i g n t h en g f ss u p p l i e dt h e r a p i d l om e s hn e t w o r k ，w h i c hw a saf u l l c o n n e c t i o n t o p o l o g y t h et e s td a t aw a sg e n e r a t e di nt w ow a y s ，o n ew a st h er e a lw o r i de n d u s e r d a t a , a n do n ew a sm a d eb yt h ef p g ai n s i d et h eb o a r d t h es y s t e mm a l l a g 锄e n th o s t s w e r er e d u n d a n c y t h ef l o wc o n g e s t i o nm a n a g e m e n t m e t h o dw a st h ei i l i t i a t i v ed e t e c t i o n a n dr e p o r to ft h et h r e s h o l dw a t e rl e v e l t h er e s u l te x p e r i m e n t a ld a t as h o w e dt h a t ，t h ea l l r a p i d l o 舶me w o r k 、) l ，i r e l e s s b a s es t a t i o nm e a n sf o rb e t t e rp e r f o r m a n c e , s c a l a b i l i t y , f a u l tt o 1 黝c ea 皿df l e x i b i l i t t h ep r o p o s e dm o d e lc a ns h o r t e nt h es y s t e md e s i g np e r i o d s ；r e l e 玉et h 已6 0 丘w a l e a 1 1 d c p u m a n a g e m e n tr e s o u r c e s k e y w o r d ：w i r e l e s sb a s es t a t i o nr a p i d l o t e c h n o l o g y h i g hs p e e di n t e r c o n n e c t i o ns t a n d a r d n e x tg e n e r a t i o ni n t e r c o n n e c tf r a m e w o r k 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：日期j 川邓纽堕1 丑 一-一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景分析 移动通信业务从1 9 8 7 年中国首个t a c s 制式模拟移动电话系统在广东建成并 投入商用，到目前已经整整2 0 年的时间了。到2 0 0 7 年6 月底全国移动电话用户 数已经达到了5 亿户。在此期间，移动通信网络经历了巨大的变化，网络由模拟 成功转向数字网络。2 0 0 7 年随着中国t d s c d m a 十个城市的商用试验网的规模 建设，又拉开了中国移动网络向第三代网络演进的步伐。在业务方面也继语音之 后是短信的广泛使用，随后彩信、网页浏览、股票交易、手机银行、定位导航系 统也接踵而来，业务已经开始向数据和视频应用方向快速发展，3 g 的开通将是移 动通信由语音到数据和多媒体业务发展的一个转折点。随着信息技术的飞速发展， i t 、互联网和无线电信的融合，移动通讯领域越来越面临带宽、可伸缩性、功能 需求多样性、安全性、可靠性等等的巨大压力。在下一代无线通信中，对系统带 宽，系统架构的可伸缩性，可配置性，通信的可靠性，可管理性等无疑提出了越 来越高的要求。系统方案设计者希望得到满足以上所有要求的从底层协议到上层 设计的标准的工业解决方案。 面对这种趋势，传统基站架构以及基站内部的总线互连技术越来越表现出其 不足之处。由图1 1 过去2 0 年来处理器性能指数的增长来看，同时期处理器总线 频率增长速度相对较慢，由时钟频率表征的c p u 内核性能和由总线频率表征的 c p u 可用带宽之间的差距在不断扩大。虽然高速缓冲和更先进的微处理器架构在 一定程度上可以帮助减少c p u 性能与可用总线带宽之间不断扩大的差距，却无助 于改进处理器和外设芯片间互连的矛盾，以及多处理器系统中多个处理器间的互 连的矛盾。以上种种，传统的总线互连技术无论在带宽和系统架构的设计上，已 经不能满足系统互连的要求。 针对于以上无线通信系统中的需求和传统基站内互连架构的不足，本文提出 了以串行r a p i d i o 技术实现全r a p i d i o 架构的基站系统设计方案，并进行了验证。 如无特别说明，本文以后提到的r a p i d i o 技术都是指串行r a p i d i o ( s r i o ，s e r i a l r a p i d i o ) 技术。 目前基站系统中面临的主要问题和为什么选用r a p i d l o 作为下一代基站互连 架构的关键互连技术，本文将在以下章节具体给出。 基于r a p i d l o 架构基站系统的设计仿真分析 三 薹毫 錾 星 1 0 0 o o o l o ，o o o 1 。o o o 1 1 0 l 19 9 09 39 69 92 0 0 20 50 810 图1 1 过去2 0 年处理器指数增长 1 1 1 基站系统内部模块和数据流分析 s l a w m o n t h s 基站系统作为无线通信系统的无线接入层节点，在无线通信中占有重要的地 位。通用移动通信系统( u m t s 系统) 由c n ( c o r en e t w o r k ，核心网) 、u t r a n ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ，陆地无线接入网) 和u e ( u s e re q u i p m e n t ， 用户终端) 三部分组成。c n 负责将进入系统的数据或语音呼叫或者经由移动交换 中心( m s c ) 送往公共交换电话网( p s t n ) ，或者经由通用无线分组系统( g p r s ) 支持节点( g s n ) 送往口网络。一旦送往无线基础设施中的数据被格式化，它就 会进入到网络中无线接入层的无线网络控制器( r n c ) 或基站控制器( b s c ) 。r n c 或 b s c 控制着对基站的访问，并负责建立和拆除用户与网络间的连接。r n c 同时负 责管理在网络s u d , 区间移动用户的移动性。 r n c 分成无线网络控制和基站。如图1 2 所示，基站系统通过u u 接口或u n l 接口和无线用户终端( u e ，u s e re q u i p m e n t ) 相连，通过i u b 接口或a b i s 接口与 无线网络控制器相连( i 埘c ) 。每一个u t r a n 包含一个无线网络控制器和一个或 多个基站系统( n o d e b ) 。基站负责维持与用户的物理层链路。每个基站都与位于 该小区中的用户保持联系。基站中要进行大量的信号处理。像m s c 和g s n 节点 一样，基站内通常安放若干机架的d s p 负载和a s i c 负载数字基带板。r f 处理和 功率放大也在基站中进行。所有的r f 与基带板之间都是相互连接的，并且通过高 速背板链路与多种控制和接口板相连。在这些板上，芯片到芯片的数据速率非常 高，并且像3 g 等高速数据速率技术那样正在逐步升高。 第一章绪论 图1 2u t m s 无线接入系统结构框图 由u t r a n 结构图来看，r n s 为无线网络子系统集，通过i u 接口与核心网相 连。无线网络子系统r n s 包括无线网络控制器r n c 和一个或多个基站系统。r n s 提供用户数据的传输、系统接入控制( 接入控制、拥塞控制、系统信息广播) 、无 线信道的加扰解扰、移动性管理( 切换、s r n s 重定位、寻呼、位置定位) 和无线 资源的管理及控制等功能。基站与r n c 或b s c 同属于接入层节点，可以提供多 个扇区的覆盖，并经由i u b 接口与r n c 相连。其功能目的就是为非接入层提供信 令承载和用户业务数据承载。 基站主要由控制子系统( c c b ，c o n t r o la n dc l o c kb l o c k ) 、传输子系统( t b ， t r a n s p o r tb l o c k ) 、射频子系统( r f b ) 、中频基带子系统( b b ，b a s e b a n db l o c k ) 、 天馈子系统等部分组成。o b s a i ( o p e nb a s es t a t i o na r c h i t e c t u r ei n i t i a t i v e ) 给出的 基站的体系结构功能图1 3 所示： - - p a r 图1 3n o d eb 或b t s 的功能模块及模块间通信 a i r l n 协r t 8 0 e 基于r a p i d l o 架构基站系统的设计仿真分析 以上参考架构中的每个单元模块( b l o c k ) 代表一个单独协议处理逻辑功能。 每个模块或许会包含一个或多个功能子模块。 c c b 控制时钟子系统是基站的大脑，最主要的控制单元。其负责控制基站系 统的数据源，监督系统的所有的活动和状态，向上报告系统性能状态参数，并同 时提供整个基站的同步时钟。 t b 是基站和外部网络( r n c ) 的接口，实现传输网络层的相关功能，完成基 站和外部网络之间的信息交互。 b b 主要完成数据的处理，包括信道的编解码，交叉和解交叉，比特流探测， 调频，加密解密，d l 的差异性传输，u l 的差异性接收，i r c 和s a 的接收，协议 帧的处理等功能。 射频子系统负责同步多个空中接口数据，其一般由发信机、双工模块、功放 等模块组成，主要功能为上行完成接收滤波、低噪声放大、进步的射频小信号 放大滤波和下变频，然后完成模数转换、数字中频处理和r r c 滤波等；下行完成 r r c 滤波、数字中频处理和数模转换，经过射频滤波、放大、上变频处理，经线 性功率放大器放大后经过发送滤波至天馈。 天馈子系统由天线、馈线、天馈避雷器、塔顶放大器( 可选) 等组成。天馈 子系统完成基站系统空中接口信号的输入和输出。w c d m a 系统的核心频段为： 上行1 9 2 0 1 9 8 0 m h z ，下行2 1 1 0 2 1 7 0 m h z 。塔放的主要作用是将来自天线的接收 信号进行放大，补偿由于馈线引入的损耗，提高系统的上行覆盖范围，同时可有 效降低手机的发射功率，减小系统内的干扰噪声，提高通话质量。 图1 4 一般基站架构模块配置结构图 通常一个基站系统如图1 4 所示，可以配置1 2 个传输模块，1 1 2 个基带 处理模块，l 一9 个射频单元。基带处理模块b b 和射频单元r f 间需采用完全哈希 或集中的全交换接口。即所有的b b 卡可以和所有的r f 卡通信。未来的基站系统 第一章绪论 5 或许会承担更多的载频。传输子系统t m 和b b 间一般是基于包的交换。c c b 和 其它模块是点到点的l v d s 连接。通常c c b 和r f 会有冗余备份。 为了提高系统性能，当代无线网络通信系统往往采用多个处理器集成在一块 单板上的多重处理技术。一块基带处理板( b b ) 往往集成了6 块甚至更多的d s p 处理数据。而多重处理器间的互连就成了提高系统总带宽的主要限制因素。目前 网络处理的瓶颈主要集中在i o 吞吐方面。 基站内部的网络包含以下方面，第一是以太网交换和通讯，指的是管理、维 护、信令、f p 数据等消息的网络；第二是i q 交换网络，主要承载业务数据。随着 终端用户数量的增加，功能需求的扩展，这两路的数据带宽的需求日益增加。3 g 、 4 g 及以上的下一代无线基础设施需要1 0 g b p s 的基站数据处理速度。为使传送到 独立终端的传输数目最多。一块基带处理板上可以有十几个d s p 。这样比较帧样 本所消耗的带宽和有限的本地d s p 存储能力就成了下一代网络提供更高性能的瓶 颈。 以下本文将具体给出基站系统目前面临的问题。 1 1 2 基站系统目前面临的主要问题 国际电信联盟i t u 对第三代陆地移动通信系统的基本要求是业务数据速率在 室内达到2 m b p s ，手持机达到3 8 4 k b p s 。业务质量要求数据业务的误码率不超过1 0 弓 或1 0 击( 根据具体业务要求) ，并可提供高速数据、低速图象、电视图象等数据传 输业务。并且具有全球范围设计的高度兼容性，i m t 2 0 0 0 业务应与固定网络业务， 无线接口具有高度的兼容性。 从以上需求来看，使用传统总线互连的基站系统面临的主要问题有： a ) 用户业务需求增加，带宽需求不满足 随着用户需求的增加，用户已经不满足于简单的语音业务。高速数据处理， 多媒体影像的传输等功能要求下一代无线基站设施具更高的带宽。从网络到基带 板的数据速率约为几十m b p s 。从基带到模拟接1 2 1 的数据率约为g b p s 。模拟板上的 数据率可在几g b p s 。从a s i c 到d s p 的数据流也能达到g b p s ，对于工作在1 0 0 m h z 左右的传统并行总线来说，无论在带宽的可配置性或峰值带宽上都已经不能满足 要求。 b ) 传统总线的问题 传统总线一般由地址、数据、和控制总线引脚构成，其引脚数目高达1 5 0 个， 由于半导体构造的原因，还需要增加大量的电源和地引脚与相关总线配合。如此 多的总线数目，a s i c 和d s p 的引脚需求就成为非常严重的问题。不仪如此，传统 总线还给单板p c b 布线，总线负载，信号偏移，系统成本等等方面带来了难以解 基于r a p i d l o 架构基站系统的设计仿真分析 决的问题。 c ) 基站内部互连接1 ：3 复杂，接口间的转换耗费大量资源 在基站中，需要将很多电路板连接起来。在多数基站系统中，这些电路板都 在同一机架里。在较大的基站中，可能有多个机架。在单独的机架上可能有几个 基带调试解调器板和几个模拟射频板。有时基带调制解调被分成发送和接收板， 由于闭环工控的需求，接收板和发送板间也有相互通信的要求。两种接口都包含 控制和数据信号。 互连的复杂性还体现在，基站中几个“码片速率 d s p 连接到电路板上a s i c ， 所有的码片速率d s p 和符号速率d s p 相连。来自模拟电路板的控制和状态信息流 通常通过独立的链路和符号速率d s p 相连等等方面。 d s p 和a s i c 间一般使用存储器接口连接，d s p 之间有时使用串行端口连接， 有时使用主机和存储器接口连接。整个基站系统包括外部接口和内部接口共有5 个接口，每个接口都由不同的互连格式，这样数据在基站内流通就需要消耗系统 大量的资源进行格式的处理和转换。如此，既增加了系统的成本也增加了数据的 延迟和软件开发的工作量。电路板的设计变得困难和昂贵。 d ) 可扩展性差，鲁棒性和效率性差 基站有多种不同的规格，从负责一座建筑的微基站到覆盖乡村数百平方公里 的宏小区。单个基站所能支持的语音用户数量从几十到几千不等。人们开发出不 同的基站机架以满足这些多样性的需求，但是他们共享了很多的元件，所以需要 一种灵活的，可扩展的互连。 e ) 市场问题 不同于个人计算机市场的通用平台架构。许多供应商在他们的器件上提供专 用的总线互连技术，这就增加了系统设计的复杂性。市场希望使用标准互连简化 开发工作，降低成本并减少上市时间。 针对于以上问题，传统的基站架构已经不能满足未来发展的需要，系统方案 设计者急需满足未来发展所有需求的从底层协议到上层设计的标准的工业解决方 案。在这种情况下，本文提出了以r a p i d l o 技术作为未来基站互连系统架构的设 计方案。希望满足业界的需求。至于为什么选择r a p i d l o 技术作为设计的首选互 连标准，本文将在下节给出具体介绍。 1 1 3 为什么选用r a p i d l o 技术作为基站系统互连的关键技术 讨论基站系统互连技术的时候，p c ie x p r e s s 和千兆e t h e m e t 往往也作为一个 重要的备选方案。然而p c ie x p r e s s 和e t h e r n e t 在以下技术上的限制性使得r a p i d l o 技术成为一个更好的选择方案。 第一章绪论 p c ie x p r e s s 是p c i 技术的继承和发展。把它视为p c i 总线的点到点版本更为 恰当。尽管从软件的观点来看，他们可以维持桌面系统非常重要的与p c i 架构的 互连兼容性，但他们不能提供开发者所需要的可扩展件、鲁棒件和效率。p c i 为系 统引入了几个额外的性能约束： a ) 不支持分段处理。即总线上正在处理的事务会在整个时间段内占用总线，阻塞 了其它事务对总线的使用。 b ) 总线上事务的处理时间是无法预知的，因此很难确定缓存大小并常常导致总线 连接中断。 c )目标为主存储器的事务处理通常需要探测周期以确保处理器高速缓存的一致 性。 d ) 总线性能被减少到附加外设的最一般标准。 基于以上原因，本文排除了p c ie x p r e s s 作为基站互连的方案。 在某些应用中，以太网已经具有系统内互连的可能性。低成本交换器件的繁 荣和相对较低的引脚数也使得以太网在需要低成本的互连和适中速率( t l l n d r a 一 a l t e r a 一 i d t 大环回的 验证。 7 ) 板间穿越背板4 x 1 2 5 g b p s 、4 x 2 5 g b p s 、4 x 3 1 2 5 g b p s 验证。验证先以x i l i n x 和t u n d r a 的芯片回路验证，x i l i n x 和i d t 的芯片回路验证，a l t e r a 和t u n d r a 的芯片回 路验证，a l t e r a 和i d t 的回路验证，最后是x i l i l l ) 【一 t u n d r a 一 a l t e r a 一 i d t 大环回的 验证。 8 ) r a p i d l o 网络m a i n t e n a n c e 包配置的验证。包括m a i n t e n a n c e 读写测试。测 试先以跳数为o 的维护包开始验证，然后跳数为1 ，2 ，3 的验证。 9 ) 网络自枚举算法的验证。包括枚举冲突时，网络配置的策略。 1 0 ) 光纤拉远r a p i d l o 信号的验证。光纤拉远先作自环回验证，再作两块n g f s 间的环回验证。最后作光纤拉远到r f 的验证。 1 1 ) g s m 业务演示模式验证。 g s m 业务演示数据流通路测试，试验采用1 6 载波数据进行测试。由3 g 无线 通信协议t d s c d m a 标准来算。其演示公式如下： 单载波业务数据速率= 突发脉冲序列载荷突发脉冲序列的持续时间。 突发脉冲序列的持续时间为1 5 2 6 m s 。 对于g m s k ( g a u s s i a nf i l t e r e d m i n i m u ms h i f t k e y i n g ，高斯最小移频键控) 调试， 其突发脉冲序列的载荷= 15 6 2 5 b i t 。 对于8 p s k ( 8 移相键控) 调制，其突发脉冲序列载荷= 4 6 8 7 5 b i t 。 由以上公式可以算出，对于g m s k 高斯最小移频键控调制，单载波数据速率 为2 7 0 8 3 k b p s 。对于8 p s k 八进制最小移相键控调制，其单载波速率为8 1 2 5 k b p s 。 试验采取g m s k 调制，1 6 路载波数据的速率为4 3 3 m b p s 。再加上控制数据，其 1 6 路载波的数据速率大概为8 m b p s 。具体测试过程本文在此不一一详述。 第四章具体验证方案和验证过程 4 5 本章小结 4 l 本章是在第三章设计的试验验证系统的基础上，针对于第二章给出的系统设 计方案提出了具体的验证方法和仿真过程。系统测试方案是在2 块n g f s 单板构 成的最小试验系统下给出的。其验证结果将在第五章具体给出。 第五章试验仿真结果分析 第五章试验仿真结果分析 根据本文第四章给出的验证方案，在系统仿真验证系统的基础上，针对于第 二章提出的全r a p i d l o 架构基站设计方案，本章给出了试验仿真的研究结果。研 究结果显示，以r a p i d l o 技术替代现有的背板互连技术在下一代基站中应用，可 以取得更高的可靠性。并且由于其速率的可配置性，网络拓扑的灵活性，可以使 得设计更为简单和灵活。采用r a p i d l o 架构可以节省c p u 资源和管脚资源。 5 1 系统提出方案的验证结果分析 通过具体试验验证表明，以r a p i d i o 技术实现基站系统全架构的互连是完全 可行的方案。 试验验证结果表明，对于术文提出的全r a p i d l o 架构基站系统设计方案，可 通过软件配置系统互连的带宽以适应不同的需求。可选择配置带宽参数为： 1 2 5 g b p s ，25 g b p s ，31 2 5 g b p s 5 g p b s 1 0 g b p s ，1 25 0 b p s 。 全r a p i d l o 架构基站系统因为网络支持端点器件的热插拔。所以基站系统可 以在统一的架构设计下，灵活配置基站系统各子系统模块( 基站控制器，基带板， 射频板) 的比例。咀适应不同范围的从微基站到宏基站的配置。节约开笈成本。 图5 】r a p i d i o 的2 5 0 b p s 信号穿越? t 扳的信 基于r a p i d l o 架构基站系统的设计仿真分析 对于实现板间r a p i d l o 系统架构设计方案，r a p i d l o 物理层信号穿越背板后， 信号完好。经4 8 小时测试，其误码率在1 0 e 一1 2 以下。图5 1 给出了2 5 g 信号穿 越背板后信号的眼图。系统试验证实了对于r a p i d l o 跨越背板的传输方案没有技 术上的障碍。 以r a p i d l o 接口标准替代c p r i 在光纤中传输时，对于1 g 的带宽，如果物理 层采用r a p i d l o 标准传输，其最高传输距离可达3 0 m 左右。如果物理层采用x g m i i 传送，对于传输距离没有限制，可以适应射频拉远基站方案。 相比于传统总线，使用全r a p i d l o 技术基站架构可以节约8 0 的管脚资源( 传 统总线的管脚资源大概有2 0 0 个左右，而串行r a p i d l o 的管脚总线每根l a n e 最少 只有1 6 根管脚) 。使用r a p i d l o 可以节省6 0 的f p g a 的b o m 资源和4 0 的c p u 的h e m 资源。 报文在系统中传输通过单个器件的延迟在l o o n s 的级别。 在g s m 业务演示模式下，数据分为控制层数据，管理层数据和用户层数据。 系统为各种数据配置了不同的优先级。以管理层数据最高，控制层数据次之，用 户层数据最低。此模式主要验证其具体业务模式的可应用性。数据在f p g a 中实 现打包发送。打包时间在1 4 0 个时钟周期左右。系统验证其完全可满足基站数据 的速率，可靠性和时延的要求。 全r a p i d l o 架构的基站系统结构简单，易于维护和管理。系统可提供更好的 容错管理。更好的流量控制策略。其测试的具体参数本章将在以下内容中具体介 绍。 5 2 试验仿真的具体性能参数 以下本文将分别对软件复杂性，误码率，链路利用率，带宽有效性，延迟， 信号质量等几个方面进行了比较。系统的功耗与芯片工作速率，工作模式和多少 个端口使能都有很大的关系。不同制造商的芯片功耗有所不同。系统的带宽本文 只统计了有效包，控制包和重传包不计算在内。系统的吞吐量和包格式，包大小， 是否需要应答都有很大关系。延迟是从入口收到包的第一个比特开始到最后一个 比特离开设备的时间。由统计结果看，交换芯片使能组播功能和预处理功能后， 延迟会有所增加。 以下各测试参数均以测试模式，由f p g a 产生测试数据数据。测试数据配置 为穿越背板的传送模式，测试数据以6 4 b y t e ss w r i t e 类型包格式给出。 第五章试验仿真结果分析 5 2 1 软件开销 为使结果更具直观性，软件开销将和e t h e r n e t 对比给出研究结果。相比于 e t h e r n e t ，r a p i d l o 有更低的软件开销。由图示5 2 可以看出，r a p i d l o 大部分的工 作已经由硬件完成。软件只需要很少的操作。 i c p a pu d p l a y e r2 r a p i d l o ：s w r 吒。m s g , s t r e a m i n g c l i e m 鳓f s t a c k s w | w 匝固园圈 融必邈霜函凰 e m p s w s t a c k s w l 坩 匿晒司 群囊l o g 霉i c a 嘘1 踟n ；鋈 豳 t i n p 丫秀 l 基i 。；。；x ；瀚 图5 2e t h e m e t 与r a p i d l o 软件开销的比较 如图示5 2 ，e t h e m e t 的数据不仅需要穿越硬件，还需要穿越软件堆栈，这不 仅会增加包处理的延迟，也会因处理器的带宽而影响数据的带宽，并且会占用c p u 的大量资源。需要占用资源最多的就是对t c p i p 软件栈数据的处理。对于大于 3 0 0 m 的数据速率，e t h e r n e t 的应用就会受到很大的限制。 r a p i d l o 只有纳秒级别的交换延迟，端到端的延迟因不需要软件堆栈而大大减 小。上层软件不需要重新计算c r c 校验，协议的设计更会简化软件处理的逻辑。 对r a p i d l o 网络的管理，系统可以使用s k i o 通信和内存映射的方法。两者的优缺 点列举如下： 通信单元的优点是：高可扩张性，很少的内存占用率：更加简单的软件需求： 对较小的数据包有更高的速率；缺点是：比s w r i t e 的速率低，2 的幂次方可能导致 在改变包的大小方面的不均衡性，和较高的c p u 使用率。 内存映射( s w r i t e ) 的优点是：对较大的数据包有更高的速率；对c p u 的 需求较低；使用门铃模式作为流的控制。缺点是：因为每个主机和彼此之间的内 存映射区域，没有很好的可扩张性，缓冲区指针和r i o 的缓冲区读写操作，需要 软件指针控制；在t x 完成时必须有l r q 或者快速测试( 为r x 通知更新它的缓冲 器和门铃) 。 5 2 2 系统功耗 r a p i d l o 交换器件的功耗和具体芯片的制造商有很大的关系。除此之外，芯片 的功耗由工作模式，带宽和工作端口速率决定。一般来说，芯片可以通过配置某 基于r a p i d l o 架构基站系统的设计仿真分析 不用端口为禁用或掉电模式以节省功耗。本节以t u n d r a 公司的一款交换芯片为例， 给出具体参数。交换芯片的型号在此不具体给出。 表5 1r a p i d l o 网络s w t i c h 的功耗 1 x 模式，1 6 端口工作 l a n e 速率 1 2 5 g b a u d2 5 g b a u d3 1 2 5 g b a u d注 v d dc o i 之e1 0 71 7 42 1 0 2 ，9 s p v d d 0 7 3o 7 5o 9 13 s p na v d d1 4 21 5 91 8 34 v d di o 0 0 1 o 0 1 o 0 1 5 总功耗( 3 2 34 0 94 8 4 1 , 6 ，7 ，8 奇数端口不用节省的功耗( w ) o 0 60 1 0o 1 3l o 偶数端口不用节省的功耗( w ) o 3 20 3 70 4 31l 4 x 模式，8 端口工作 l a n e 速率 1 2 5 g b a u d2 5 g b a u d3 1 2 5 g b a u d 注 v d d c o r e 1 0 31 6 51 9 2 2 ，9 s p v d d 0 7 9 0 8 51 0 63 s p n 掣d d 1 4 9 1 0 8 42 1 34 v d di oo 0 1o 0 10 0 15 总功耗( w ) 3 3 24 3 45 1 1 1 , 6 ，7 ，8 端口不用节省的功耗( w ) o 3 7o 5o 6lo 注： 1 数据根据电压，温度等参数计算出来。 2v d dc o r e 给i s f 和其它内部数字逻辑供电 3s pv d d 给s r i os e r d e s 的数字部分供电 4s p na v d d 给s r i os e r d e s 的模拟部分供电 5v d di o 给所有的非s r i os e r d e s 部分供电 6 总功耗跟s r i o 驱动距离有关，这个驱动距离和电压设置的驱动模式相关 7 根据不同的应用，功耗会上下浮动 8 表中给出参数是s r i ol a n e 的最高驱动能力下的功耗 9内核的功耗可以根据设置减小1 0 。 1 0 如果使用奇数端口，偶数端口是上电模式，如果全用，就都是上电模式。 1 1 如果使用偶数端口，奇数端口是掉电模式。 5 2 。3 系统延迟 系统验证结果显示，r a p i d l o 链路中的延迟完全满足基站系统对时延的要求。 不同交换器件或不同的f p g a 器件会造成r a p i d l o 报文不同的延迟，除此之外， 延迟还由设备时钟、链路带宽和波特率决定。包的大小也会影响延迟时间。组播 和单播的报文通过交换器件的延迟稍有区别。表5 2 给出了4 x 和1 x 模式下，没 第五章试验仿真结果分析 4 7 有阻塞的端到端的延迟，延迟由入口和出口的带宽和波特率决定。最小的延迟是 包从入1 ：3 到出口的时间。不同厂商制造的芯片的延迟稍有不同。表5 2 给出了 t u n d r a 的款交换芯片在c u t - - t h r o u g h 模式下的统计数据。延迟时间由设 备的时钟决定，单播系统会有3 2 n s 的浮动。组播时浮动的范围是6 4 n s 。系统以 6 4 b y t e s s w r i t e 包进行测试。 r c - 口烨勰 蛳卜一- 卜| t r a i t t i n k 勖障髓 l i 目i | l l ；盖= = ：= = lll illl i ljl 一 “嘲戥即燃 匕拗呵。t 椭 图5 3r a p i d l o 系统中报文通过交换器件的端到端的延迟计算 表5 2r a p i d l o 网络s w i t c h 的延迟 t ；断蝴城t o 鼬韵臆越翰喧麟 不带组播功能 参考时钟端口模式比特率( g b a u d )延迟( n s ) 3 1 2 511 2 4 x 2 51 2 8 8 1 2 52 1 2 8 15 6 2 5 m h z 3 1 2 5 1 3 7 6 l x 2 51 6 0 8 1 2 52 7 6 8 带组播功能 参考时钟 端口模式比特率( g b a u d )延迟( n s ) 3 1 2 51 6 3 2 4 x 2 5 1 7 8 4 1 2 52 5 4 4 15 6 2 5 m h z 3 1 2 51 8 8 8 1 x 2 52 1 0 4 1 2 53 18 4 由表5 2 可以得出，组播功能会增大系统通过节点的延迟，端口比特率越高， 其延迟越小。4 x 模式下的延迟明显小于1 x 模式下的延迟。总体来说，r a p i d l o 网 络的延迟完全可以满足基站系统对延迟的要求。 5 2 4 c p u 利用率和吞吐量 由于r a p i d l o 技术设计的初衷就是完全软件透明的操作，由协议物理层可以 完成大部分的功能。所以相比于其它技术，采用r a p i d l o 技术作为基站的板内互 4 8 基于r a p i d l o 架构基站系统的设计仿真分析 连，只占用很少的c p u 资源，可以很大程度上解放c p u 的压力。本文以下以t u n d r a 的一款交换芯片的c p u 占用率和吞吐量同e t h e r n e t 比较。测试报文格式为 s w r i t e ，系统测试为端到端测试。测试结果如图5 4 和图5 5 所示。 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 图5 4 和e t h e m e t 的c p u 占用率的比较 。一c 一”一 - 一一，7 巴7 尸。 厂 o 5 2 5 系统带宽 1 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 0 p a c k e ts i z t b y t e s 图5 5 和e t h e r n e t 的吞吐量的比较 系统的有效带宽跟r a p i d l o 报文长度和数据报文格式有密切关系，数据报文 越长，其有效带宽越大。本文只给报文用户数据分别为3 2 b y t e s ，6 4 b y t e s ，1 2 8 b y t e s ， 2 5 6 b y t e s 的链路有效带宽。数据报文格式为s w r i t e 类型r a p i d l o 包。具体数据 可由以下表格给出。 表5 3r a p i d l o 链路有效带宽 链路模式 速率设置g b p sp d u ：b y t e s预计带宽g b p s有效带宽g b p s 1 x1 2 53 2l0 5 2 1 x1 2 56 410 6 9 l x1 2 51 2 8l0 8 1 l x1 2 52 5 61o 8 9 1 x2 53 221 1 l 1 x2 56 421 3 9 1 x2 51 2 82 1 6 5 1 x2 5 2 5 6 2 1 8 0 量e ，l u 第五章试验仿真结果分析 链路模式 速率设置g b p sp d u ：b y t e s预计带宽g b p s有效带宽g b p s 1 x3 1 2 53 2 2 51 3 0 1 x 3 1 2 56 4 2 51 7 2 1 x3 1 2 51 2 8 2 52 0 3 1 x3 1 2 52 5 62 5 2 3 2 4 x1 2 53 242 0 9 4 x1 2 56 442 7 5 4 x1 2 51 2 843 2 0 4 x 1 2 52 5 6 43 6 5 4 x2 53 2 84 1 8 4 x2 56 4 85 4 5 4 x2 51 2 8 8 6 4 8 4 x2 52 5 68 7 3 1 4 x3 1 2 53 21 05 0 4 x3 1 2 56 41 06 7 4 x3 1 2 51 2 81 08 8 0 4 x 3 1 2 5 2 5 61 09 2 7 5 2 6 协议效率 4 9 链路的协议效率和报文格式及报文内容密切相关，用户数据报文长度越长， 协议效率越高，否则，效率越低。r a p i d l o 的最高协议效率为o 9 1 左右。具体数 据也由下表给出。表中数据的报文的设备i d 设为8 b i t 。 表5 4r a p i d l o 协议效率 p d u 长度( b y t e s ) 数据包模式协议效率 8短地址模式 0 2 6 3 2短地址模式 0 5 4 6 4 短地址模式 0 8 l 1 2 8 短地址模式 0 8 4 2 5 6 短地址模式 0 9 1 8 长地址模式 0 2 2 3 2 长地址模式 o 5 2 6 4 长地址模式 o 6 9 1 2 8长地址模式 o 8 2 5 0 基于r a p i d l o 架构基站系统的设计仿真分析 p d u 长度( b y t e s ) 数据包模式协议效率 2 5 6 长地址模式 0 9 0 5 3 本章小结 在第三童系统仿真验证环境和第四章给出的验证方案下，本章给出了对第二 章提出系统方案的验证结果。并对其结果进行了具体研究和分析。针对r a p i d l o 网络，本章给出了的具体测试参数。包括软件开销，芯片功耗，系统延时，系统 可靠性，系统有效带宽等。通过和其它互连技术的比较，本文认为r a p i d l o 作为 下一代基站系统互连设计方案，具有其最大的优势。 研究表明，以r a p i d l o 技术在未来基站中实现系统互连，可以提高整个系统 的有效带宽，解放上层软件管理的压力。r a p i p l o 物理上的可靠性保证机制，可很 大程度上提高系统的可靠性和容错能力。并使得系统架构清晰，设计简单，节省 资源，向后扩展和升级方便。 第六章工作总结与展望 第六章工作总结与展望 5 1 本章作为本文的最后一章，首先总结了本文的工作范畴，然后提出了系统的 展望和需要改进的环节。 6 1 本文的工作 本文主要提出了在未来的基站系统中，全r a p i d l o 互连架构的设计与验证。 结合目前移动通信的需求，现在的基站系统内部互连越来越表现出其不足之处， 针对于现有基站系统所面临的主要问题，系统设计者急需一种标准的互连解决方 案。在分析了现有基站系统互连标准的基础上，本文选择了r a p i d l o 技术作为下 一代基站系统互连架构。 本文给出了在基站中应用r a p i d l o 标准的互连设计方案。作为业界首次提出 此方案的本文，系统方案分三个层次给出，分别是基带调制解调板内采用r a p i d l o 技术互连方案，基带池和控制板间采用r a