基于pc集群的开放式软件无线电构架new

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1、http://www.paper.edu.cn基于PC集群的开放式软件无线电构架李刚，张磊，汪玲，王文博北京邮电大学，北京(100876)E-mail：ligangcool@gmail.com摘要：本文设计了一种基于计算机集群的开放式软件无线电构架。这种构架不同于目前大多数使用FPGA和DSP来搭建软件无线电系统，它采用基于通用计算机组成的集群作为其运算平台使得通信系统更开放，廉价和灵活，也使得这种架构在传统意思上来讲“更软”。通过采用可编程的射频前端USRP电路板，并行计算工具MPI和高效的分布式调度算法，这种开放式软件无线

2、电集群平台具有强大的信号处理能力，良好的可扩展性和灵活性。关键词：软件无线电，PC集群，分布式调度算法，并行计算中图分类号：TN929.51．引言软件无线电技术是一项十分有发展前景的新技术。它将模块化，标准化的硬件单元以总线的方式连接起来，形成一个基本的平台，并通过软件加载的方式来实现各种无线通信标准[1]和技术。如图1所示，软件无线电的最终目标是实现在射频端由模数转换器直接采集相应的频谱并转换为数字信号（射频信号数字化），其余部分全部由软件进行处理并最终得到有用数据。由于目前的接收机在A/D转换器和系统I/O上都不能满足射频

3、信号数字化的要求，现在大多数的软件无线电平台都是在射频前端先进行信号混频，然后再在中频进行模数转换(中频数字化)。而在相应的软件数字信号处理部分，采用专用的DSP和FPGA等硬件作为数字信号的特定处理单元，最后用中间件把各个硬件模块抽象并统一成一个通用的平台来实现对各种不同通信技术的支持。然而，这种复杂的构架，高昂的硬件以及多种不同语言代码的开发，在一定程度上制约了软件无线电技术的研究和发展。图1软件无线电的理想模型当前，随着计算机生产工艺的发展，通用计算机的性能已经得到了显著的飞跃。由通用计算机组成的开放式集群平台更是以它卓

4、越的性能和低廉的成本比引起了广泛的关注。以通用的计算机平台来替代专用的DSP，FPGA等硬件来进行软件数字信号处理也成为业界[2][3][4]热门的研究。本文详细介绍了一种能够适应软件无线电技术高速发展的开放式计算机集群操作平台。首先，本文对所使用的系统模型进行了简要的介绍，然后对系统中关键的并行数字信号处理平台作了详细的描述。最后，本文给出了目前该软件无线电平台对TD-SCDMA物理层实现-1-http://www.paper.edu.cn的实例。1.系统模型图2开放式软件无线电架构从图2可以看出，系统由可重配置射频前端US

5、RP和基于集群的数字信号处理平台构成。可配置射频前端USRP可通过母板和相应的子板的配合接收和发送相应频段的信号。在接收端，子板把特定频段的射频信号通过混频到中频信号。然后，混频后的中频信号通过总线被传送到母板，并由位于母板的A/D模块将对此信号进行中频数字化。一般来说，中频数字信号包括一段很宽的频段，不同标准的通信系统运营在不同的频段范围内，这样对于某种特定的信号只要对中频信号抽取出特定频段并进行数字下变频，就获得该信号的基带数字形式。最后这些数据将由USB接口输出。而对于发射端，从基带数字信号到射频无线信号的转换是接收端对

6、应的逆处理。在USRP上信号处理的这些过程都是由GNURadio软件部分进行配置和控制的。这样通过设置不同的参数，便达到射频前端的可重配置性。获取的基带数字信号将由PC集群平台进行并行的信号处理。集群的各个计算节点由高速以太网连接，从而减小了数据传输的延时。高效的分布式调度算法使集群中各个节点能很好的协同工作，对于不同的标准技术和业务都能保证信号处理的实时性。2.数字信号处理平台基于PC集群的并行计算体系结构是数字信号处理平台的核心部分。在软件体系结构设计中的关键在于使其能够在基于通用计算机集群平台上提供快速有效的信号处理来保

7、证实时的通信业务。2.1master/slave集群构架图3master/slave集群架构对于通信双方，相应的基带数字信号都将在通用计算机平台上进行软件化处理。由于单台处理机运算能力有限，有时很难处理高速率的信号，特别是对于通信的接收端，信号处理更为复杂。所以在接收端我们采用了一种可扩展式的master/slaves集群架构来进行数字信-2-http://www.paper.edu.cn号的高速并行处理。如图3所示，唯一的master进程不仅要接收来自底层硬件USRP传送来的大量的连续的高速数据，还要从中提取出相应的数据并且

8、把它们分配给集群中相应的slave进程进行进一步的处理。由slaves进程处理的各个部分的结果将被integrator进程整合为最终的业务数据。master/slaves架构可通过静态调度把各种进程分配在集群相应的节点上，这些进程既可以工作在同一个节点上也可以分配在多个节点中