در این فایل word، پیاده سازی نوع جدیدی از BTS های مبتنی بر تکنولوژی رادیونرم افزاری، مورد بحث قرار خواهد گرفت. در این روش جهت پیاده سازی الگوریتمهای پردازشی، بجای استفاده ازFPGA و یا DSP Processor های متداول، از پردازنده های کارت های گرافیکی پرسرعت (که قادر به محاسبه هزار میلیارد محاسبه نقطه شناور در ثانیه هستند) استفاده می شود. در ادامه مقایسه ای بین روش سنتی و روش ارائه شده انجام می گردد و در پایان، طرح نهایی ارائه خواهد گردید و روی پیکر بندی آن بحث خواهد شد.
امروزه سیستمهای مخابراتی سیار نقش چشمگیری در زندگی انسان‌ها دارند. تقریبا می‌توان ادعا کرد شبکه مخابرات سلولی در تمام نقاط جهان نفوذ نموده است. مسلما نقش BTS های مخابراتی در کیفیت سرویس یک شبکه مخابرات سیار، بارز و بی بدیل می باشد. شکی نیست که پیاده سازی الگوریتمهای پیچیده پردازش سیگنال نظیر فیلتر های وفقی، مدولاتور و دمودولاتور، رهگیری و همزمانی، کدینگ و سایر بخشهای پردازشی در یک BTS، تنها در بستر رادیو نرم افزار(SDR[1]) امکانپذیر است. در حقیقت، گیرنده و فرستنده این سیستم بایستی بر مبنای تکنولوژی رادیو نرم افزاری ساخته شود. بنابراین لازم است تا در ابتدای این مقاله، راجع به اهمیت تکنولوژی رادیو نرم افزار، توضیحات مبسوطی ارائه گردد و پس از آن، بحث بسمت ایده اصلی مقاله سوق یابد.
تقریبا تمامی وسایل مخابراتی اطراف ما، امروزه هر یک بنحوی از تکنولوژی رادیو نرم افزاری استفاده می نمایند. قابلیت تغییر نرمافزار و انعطافپذیری این سیستمها به اندازهای زیاد میباشد که وابستگی سیستمهای مخابراتی به سختافزار تا حد زیادی از بین رفته و همچنین انعطاف بیشتری را به سیستم برای سازگاری با خدمات چندرسانه ای روی یک گیرنده داده است.[1] پیکربندی و برنامهریزی دوباره ساختاری، به سهولت و بدون هیچ تغییر سختافزاری انجام میشود. کاربرد SDR محدود به مصارف عمومی نمی گردد. امروزه تقریبا می توان چنین ادعا نمود که این تکنولوژی در تمام زیر شاخه های آماتوری و حرفه ای صنعت مخابرات رسوخ نموده است. بعنوان مثال، سیستم هایی مانند: ((BTS و BSC های موبایل، ناوبری و کنترل هوایی، ماهواره های مخابراتی، شبکه های wimax، تصویر برداری دیجیتال، سیستمهای کنترل و ابزار دقیق، ایستگاه های tracking زمینی، جهت یاب های دیجیتال، شبکه های ad-hoc ، شبکه های vanet، نسل های پیشرفته رادارهای اکتیو و پسیو، سمعک های دیجیتال، سیستم های مراقبت طیفی، نسل های جدید بیسیم های wideband، رادیو های دیجیتال مایکروویو کم ظرفیت و پر ظرفیت، سونار و ...)) تنها بخشی از کاربرد های این تکنولوژی بشمار می روند.
درچنین سیستمی، پردازشگر دیجیتال عهدهدار کارکردهایی است که پیش از این بهصورت آنالوگ انجام میپذیرفت. هدف از طراحی یک سیستم SDR-Based، کاهش اجزاء لازم در بخش RF از آنتن تا بخش پردازشگر دیجیتال میباشد تا بدان وسیله بیشتر پردازشهای مخابراتی توسط پردازشگر دیجیتال انجام پذیرد. معمولا از ابزاری نظیر DSP Processor [2] و [3] FPGA بعنوان پردازشگر دیجیتال استفاده می شود. این امر در مورد BTS های مخابراتی نیز صادق می باشد. متاسفانه DSP Processor و FPGA دارای عیوب راهبردی و عمده ای هستند. در این مقاله سعی بر این است تا با معرفی تکنولوژی جایگزین که [4] GPU نامدارد، بتوان یک سیستم رادیونرم افزاری پرقدرت طراحی نمود که در آن عیوب روشهای قبل، پوشش داده شده باشد. مطمئنا چنین سیستمی، بستر مناسبی را برای طراحی یک BTS مخابراتی، مهیا خواهد نمود. در ادامه مقایسه ای روی FPGA)) و DSP)) با GPU انجام خواهد شد. سپس پیاده سازی یک BTS با تکنولوژی GPU مورد بحث قرار خواهد گرفت و در پایان نیز، نتیجه گیری ارائه می گردد.
1- مقایسه FPGA)) و ((DSP با GPU
DSP Processor ها این مزیت را دارند که با زبان سطح بالای C پروگرام شوند و براحتی می توان بوسیله آنها، الگوریتمهای پردازشی را پیاده سازی کرد. اما در عوض، دارای سرعت پردازشی پایینی می باشند و عملا نمی توانند در پردازش سیگنالهای با پهنای باند زیاد به کار آیند. در مقابل، FPGA ها آنقدر سریع هستند که بتوانند سیگنالهای باند عریض را (حتی تا نسل چهارم موبایل) پوشش دهند، اما انعطاف پذیری آنها بسیار پایین است و فرآیند اصلاح برنامه و دیباگ کد ها در آن، بسیار وقت گیر می باشد. بنابراین در سیستمهای رادیو نرم افزاری، طراحان معمولا مجبورند تا با استفاده توامان از DSP Processor و FPGA، بنحوی از مزایای ذاتی هر یک استفاده نمایند. البته این امر معمولا به پیچیده تر شدن سیستم، طولانی شدن زمان اجرا، افزایش هزینه و حجم سیستم منتهی می گردد.[2]
خوشبختانه تکنولوژی جدیدی بنام GPU پا به عرصه نهاده است که می تواند مزایای دو روش قبلی را بصورت توامان بهمراه داشته باشد. بنای این روش بر استفاده از پردازش گر های داخلی کارت های گرافیکی می باشد[3]. کارت های گرافیکی که معمولا دارای 200 الی 1000 پردازنده داخلی قدرتمند هستند، در ابتدا برای بازی های کامپیوتری طراحی شده بودند، اما خیلی سریع وارد عرصه پردازش سیگنال شدند و توانستند جای خود را در عرصه محاسبات سرعت بالا باز کنند. از اینجا به بعد، مبحث جدیدی تحت عنوان ((محاسبات همه منظوره بکمک پردازنده های گرافیکی)) که اصطلاحا [5] GPGPU نامیده می شود، مطرح گردید. این مبحث، امروزه در بیش از پنجاه دانشگاه و مراکز تحقیقاتی دنیا (از جمله دانشگاه استنفورد) بصورت جدی دنبال می گردد. لازم بذکر است که این مبحث در تمامی علوم مهندسی کاربرد دارد. صنعت مخابرات نیز توانسته است از سال 2009 به بعد، از این تکنولوژی برای ساخت نسل های جدید رادیونرم افزاری، استفاده نماید [2-4].
[1] Software Defined Radio
[2] Digital Signal Processor
[3] Field Programmable Gate Arrays
[4] Graphics Processing Unit
[5] General-purpose computing on graphics processing units
1- نتیجه‌گیری
در این مقاله، نشان داده شد که برای ساخت یک BTS موبایل، یک سیستم رادیو نرم افزاری مبتنی بر GPU مزایای بسیار زیادی نسبت به سیستم مبتنی بر FPGA یا DSP Processor دارد. این امر از دید مقالات عملی، مورد بررسی قرار گرفت( علی الخصوص مرجع [2] که ساخت یک BTS سیستمWIMAX را بکمک GPU بصورت عملی تشریح نموده بود). تجربه اندک نگارنده نیز پس از 7 سال کار با سیستم های رادیو نرم افزاری سنتی، این مطلب را تایید می نماید. در پایان تاکید می گردد که در سیستم هایی که محدودیت توان مصرفی، ابعاد و قیمت رقابتی را ندارند، اولویت طراحی های بعد از سال 2011 بر روی GPU استوار می باشد.
مراجع
- Mitola, “the Software Radio Architecture”, IEEE Communications magazine, Vol. 33, no. 5, May 1995.
- J. Kim, S. Hyeon, and S. Choi, “Implementation of an SDR System Using Graphics Processing Unit” IEEE Communications Magazine, Vol. 55, No. 1, pp. 156-162, 2010.
- Plishker, G. Zaki, S.Bhattacharyya, “ Applying Graphics
- Processor Acceleration in a Software Defined Radio Prototyping
- Environment” IEEE conference, pp. 67-73, 2011.
- Wu, S. Gupta, Y. Sun, and J. R. Cavallaro, “A GPU implementation of a real-time MIMO detector”,IEEE Workshop on Signal Processing Systems, p. 6, 2009.
- NVIDIA, NVIDIA CUDA C Programming Guide, May 2010.
- NVIDIA, NVIDIA CUDA reference Manual, 3rd ed., June 2010.
- AccelerEyes, The Jacket Platform, Productivity in GPU Computing, 2010.
این فایل بصورت word تهیه شده و دارای 7 صفحه است
پیاده سازی یک گیرنده مخابراتی بشکل PC-Based با تکنولوژی GPU