專利名稱：使用具有可重新配置結(jié)構(gòu)的可重新配置的芯片實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及通信系統(tǒng)，更具體而言，本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)。
無線通信系統(tǒng)典型地被使用集成電路來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于許多情況，特定用途集成芯片(ASIC)被用于實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)。對(duì)于能夠被用于服務(wù)大量用戶的無線通信基站來說，尤其是這樣。對(duì)于通信系統(tǒng)中的靈活性的要求導(dǎo)致了使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)來實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的一部分。不過，F(xiàn)PGA有相當(dāng)大的下側(cè)(down side)。用于實(shí)現(xiàn)在無線通信系統(tǒng)，尤其是基站中所用的復(fù)雜算法的FPGA的尺寸以及因而發(fā)生的費(fèi)用可能是重大的。因此，希望有一個(gè)靈活而便宜的解決方案用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括使用一個(gè)具有后臺(tái)和前臺(tái)配置平面的可重新配置的芯片來實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)。無線通信系統(tǒng)可以是例如無線通信基站的無線通信系統(tǒng)?？芍匦屡渲玫男酒试S通信系統(tǒng)算法的一部分被加載到后臺(tái)配置平面中，而通信系統(tǒng)算法的另一部分按照前臺(tái)配置平面所做的配置進(jìn)行操作。后臺(tái)平面中的配置可以被迅速切換到前臺(tái)平面。這利用FPGA是不可能的。FPGA需要大量時(shí)間(在1秒的范圍內(nèi))用于配置加載。雖然在許多情況下，這對(duì)于諸如用于無線通信基站的多步驟幀處理的通信算法是可接受的，但還是需要將配置切換得更快。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例包括實(shí)現(xiàn)一個(gè)通信系統(tǒng)的方法，包括步驟將通信設(shè)計(jì)的第一部分加載到可重新配置的芯片中；運(yùn)行可重新配置的芯片的第一部分，并且至少在運(yùn)行步驟的一部分期間；將配置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第二部分加載到可重新配置的芯片中，并且在可重新配置的芯片中運(yùn)行通信設(shè)計(jì)的第二部分。
同時(shí)進(jìn)行后臺(tái)平面配置的加載和前臺(tái)平面配置的操作會(huì)使得通信算法被快速而有效地實(shí)現(xiàn)?？梢园凑招枰覠o延遲地切換通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各部分。
可重新配置的芯片的使用允許將通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)分解成為更小的配置。這允許例如具有前臺(tái)和后臺(tái)平面的更小的可重新配置的芯片被用于其中在其它情況下需要更大的FPGA的情況中。這能夠大大降低通信系統(tǒng)單元的費(fèi)用。


圖1表示能夠與本發(fā)明的系統(tǒng)一起使用的具有前臺(tái)和后臺(tái)配置平面的可重新配置的芯片的例子。
圖2A表示在前臺(tái)和后臺(tái)平面之間切換的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)。
圖2B表示在前臺(tái)和后臺(tái)平面之間切換的次優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)。
圖3A和3B表示被實(shí)現(xiàn)使得在三個(gè)配置功能之間切換的一個(gè)單獨(dú)的可重新配置的芯片。
圖4A和4B表示兩個(gè)可重新配置的芯片，其中一個(gè)被實(shí)現(xiàn)以便在兩個(gè)通信系統(tǒng)配置之間切換。
圖5A和5B表示一個(gè)可重新配置的結(jié)構(gòu)在一個(gè)路徑搜索配置和一個(gè)瑞克接收機(jī)配置之間的切換。
圖6中的流程圖表示對(duì)于諸如圖3A和3B所示的系統(tǒng)的可重新配置的芯片在路徑搜索器、瑞克接收機(jī)和維特比配置之間的切換。
圖7表示對(duì)于本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，對(duì)于一個(gè)可重新配置的芯片的通信系統(tǒng)配置的切換以及在不同的配置期間的中央處理單元處理。
圖8A和8B表示使用多個(gè)可重新配置的芯片的系統(tǒng)，這些可重新配置的芯片中的一個(gè)在維特比和渦輪(Turbo)配置之間切換。
圖9表示CDMA通信系統(tǒng)的兩個(gè)可重新配置的芯片實(shí)現(xiàn)。
圖10表示在圖9的系統(tǒng)中的第一個(gè)可重新配置的芯片的操作。
圖11中的流程圖表示如圖10所示的系統(tǒng)的操作。
具體實(shí)施例方式
圖1表示能夠用于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的可重新配置的芯片20。該可重新配置的芯片包括前臺(tái)配置平面22和后臺(tái)配置平面24。前臺(tái)配置平面22配置可重新配置的結(jié)構(gòu)26的各單元，使得通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分能夠被實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，可重新配置的芯片20還包括一個(gè)處理器28，諸如精簡(jiǎn)指令集計(jì)算(RISC)中央處理單元(CPU)。在一個(gè)實(shí)施例中，CPU 28運(yùn)行難以在可重新配置的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的通信系統(tǒng)算法的各部分。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，可重新配置的結(jié)構(gòu)26包括多個(gè)可重新配置的數(shù)據(jù)路徑單元、存儲(chǔ)元件和互連單元。在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)據(jù)路徑單元包括比較器、算術(shù)邏輯單元(ALU)和可配置來實(shí)現(xiàn)算法的操作的寄存器。在一個(gè)實(shí)施例中，可重新配置的結(jié)構(gòu)26還包括諸如乘法器和存儲(chǔ)元件的專用單元。存儲(chǔ)元件能夠被用于存儲(chǔ)算法的數(shù)據(jù)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，利用一個(gè)將可重新配置的結(jié)構(gòu)中的可重新配置單元分配到算法的各部分的軟件編譯器對(duì)所述算法進(jìn)行編譯，從而實(shí)現(xiàn)用于通信系統(tǒng)的不同配置的配置比特。外部存儲(chǔ)器30被用來存儲(chǔ)用于通信系統(tǒng)算法的不同配置。這些配置可以被使用存儲(chǔ)器訪問單元32和總線34加載到后臺(tái)平面中。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，后臺(tái)和前臺(tái)平面被利用所述結(jié)構(gòu)中的可重新配置單元而交叉。后臺(tái)平面的加載最好被利用一個(gè)與用于可重新配置的結(jié)構(gòu)26的數(shù)據(jù)連接線分開的總線系統(tǒng)來執(zhí)行。
在頒發(fā)給Laurence H.Cooke等人的題為“用于可重新配置的計(jì)算機(jī)的集成處理器和可編程數(shù)據(jù)路徑芯片(An Integrated ProcessorAnd Programmable Data Path Chip for ReconfigurableComputer)”的美國(guó)專利No.5,970,254的公開內(nèi)容中可以看到可重新配置的芯片的另外的細(xì)節(jié)，該專利的內(nèi)容被包括在這里作為參考。
圖2A表示在前臺(tái)和后臺(tái)平面之間切換的優(yōu)選配置。后臺(tái)配置存儲(chǔ)元件40可以從外部存儲(chǔ)器加載，而前臺(tái)配置存儲(chǔ)元件42配置可重新配置的結(jié)構(gòu)中的可配置的單元44。當(dāng)后臺(tái)平面被激活時(shí)，后臺(tái)平面中的數(shù)據(jù)重寫前臺(tái)平面中的數(shù)據(jù)。如果舊的配置需要被再次運(yùn)行，則它被重新加載到后臺(tái)平面中。
圖2B表示其中后臺(tái)配置單元40’與前臺(tái)配置單元42’被使用多路復(fù)用器46連接到可配置的單元44’的替代的并且次優(yōu)選的實(shí)施例。由于這個(gè)實(shí)施例的額外開銷，它不如圖2A所示的例子優(yōu)選。
圖3A和3B表示實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的三個(gè)部分的可重新配置的芯片50。在這個(gè)例子中，可重新配置的芯片50是一個(gè)基站單元的一部分，該基站單元在一個(gè)幀52的操作時(shí)間中實(shí)現(xiàn)三個(gè)不同的配置路徑搜索配置52a、瑞克接收機(jī)配置52b和維特比配置52c。應(yīng)當(dāng)指出，在一個(gè)傳統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)中，所述配置中的每一個(gè)需要被同時(shí)加載到FPGA芯片中。這需要FPGA的尺寸比與本發(fā)明一起使用的可重新配置的芯片的尺寸大很多。應(yīng)當(dāng)指出，在所述配置的每一個(gè)的操作期間，另一個(gè)配置被加載到后臺(tái)平面中。因此，當(dāng)通信系統(tǒng)的各部分之一的操作被完成時(shí)，可重新配置的芯片能夠被迅速地切換到另一個(gè)配置。
圖4A表示其中使用可重新配置的芯片54和可重新配置的芯片56這樣兩個(gè)可重新配置的芯片的替代系統(tǒng)。如圖4B所示，在這個(gè)實(shí)施例中，在幀操作時(shí)間58中，路徑搜索配置58a和瑞克接收機(jī)配置58b操作?？芍匦屡渲玫男酒?6被利用一個(gè)維特比配置來實(shí)現(xiàn)。
圖5A和5B表示在路徑搜索器配置和瑞克接收機(jī)配置之間的切換。這種切換的一個(gè)例子被在圖3B的配置52a和52b和圖4B的配置58a和58b之間的轉(zhuǎn)換處執(zhí)行。
在圖5A中，前臺(tái)配置存儲(chǔ)器60含有路徑搜索器配置。它將可配置結(jié)構(gòu)62配置成為路徑搜索配置，并且可配置結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的路徑搜索部分。瑞克接收機(jī)配置被加載到后臺(tái)平面64中。
應(yīng)當(dāng)指出，可重新配置的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)存儲(chǔ)元件，它能夠允許數(shù)據(jù)被從一個(gè)配置由第二個(gè)配置訪問，而無需數(shù)據(jù)傳送。
參見圖5B，當(dāng)路徑搜索配置已經(jīng)完成操作時(shí)，來自后臺(tái)平面64的瑞克接收機(jī)配置能夠被加載到前臺(tái)平面60’。然后，這幾乎立即將可重新配置的結(jié)構(gòu)62’配置到可以完全不同于路徑搜索配置的瑞克接收機(jī)配置中。如圖5A和5B所示，切換可以被在一個(gè)單獨(dú)的時(shí)鐘周期中執(zhí)行，只要在先前配置的處理期間有足夠的時(shí)間用于將下一個(gè)配置加載到后臺(tái)平面中。
圖6是圖3A和3B的系統(tǒng)的流程圖。注意，雖然所述配置之一正在被加載，但是其它配置也可以被并發(fā)地執(zhí)行。
圖7表示一個(gè)可重新配置的芯片在多個(gè)配置中的使用。這表示可重新配置的結(jié)構(gòu)處理以及CPU處理。CPU允許難以實(shí)現(xiàn)在可重新配置的結(jié)構(gòu)中的通信算法的各部分的計(jì)算。它還提供用于計(jì)算與可重新配置的結(jié)構(gòu)分開的計(jì)算的資源。因此，在具有一個(gè)可重新配置的結(jié)構(gòu)的可重新配置的芯片上的CPU的使用提供了實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)算法的優(yōu)點(diǎn)。
圖8A表示具有多個(gè)可重新配置的芯片的實(shí)施例，這些可重新配置的芯片中的一些實(shí)現(xiàn)一個(gè)固定配置。符號(hào)速率處理器70在維特比配置72a和渦輪配置72b之間切換。
圖9-11表示遵循用于無線碼分多址(CDMA)的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
圖9表示其中一個(gè)可重新配置的芯片80實(shí)現(xiàn)偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生、解調(diào)、分支(finger)搜索和接入搜索，而可重新配置的芯片82實(shí)現(xiàn)維特比和其它處理的實(shí)施例。
圖10表示在圖9的可重新配置的芯片80中，不同配置之間的切換。
圖11中的流程圖表示圖9的可重新配置的芯片80的操作。
注意，用于本發(fā)明的可重新配置的芯片在無線通信系統(tǒng)的基站操作中尤其有用。在所述基站操作中，多個(gè)通信連接被操作處理。由所述基站服務(wù)的用戶數(shù)以及在每個(gè)配置中因而發(fā)生的處理負(fù)擔(dān)來部分地確定所述數(shù)量的配置到不同的可配置芯片的分配。大基站可以有許多用戶并且使用更多的可重新配置的芯片，其中的一些被專用于單獨(dú)配置。具有較少用戶工作的基站有在一個(gè)單獨(dú)的可重新配置的芯片上實(shí)現(xiàn)的更多的通信系統(tǒng)配置。所需要的處理速度還影響這個(gè)實(shí)現(xiàn)方案。
注意，在圖3-8的系統(tǒng)中，沒有示出偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。在一個(gè)實(shí)施例中，偽隨機(jī)發(fā)生器被實(shí)現(xiàn)為路徑搜索器或者瑞克接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的一部分，這可能需要額外的配置切換。另一方面，偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以被實(shí)現(xiàn)在一個(gè)備用時(shí)隙中。在一個(gè)實(shí)施例中，偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是一個(gè)金色碼發(fā)生器。
在附錄中給出了在一個(gè)可重新配置的芯片上實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)(無線基站)的一個(gè)實(shí)施例的另外細(xì)節(jié)。附錄1描述路徑搜索和瑞克接收機(jī)的概況。附錄2給出包括金色碼發(fā)生器的細(xì)節(jié)的瑞克接收機(jī)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。附錄3給出在一個(gè)可重新配置的芯片上實(shí)現(xiàn)維特比算法的細(xì)節(jié)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本發(fā)明精神和特征的條件下，可以用其它具體形式來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，所公開的實(shí)施例在任何方面都應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是說明性而非限制性的。本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求而不是上面的描述來限定，并且所有落在本發(fā)明等同物的意義和范圍中的變化都打算被包括在這里。
權(quán)利要求
1.一種通信單元，包括實(shí)現(xiàn)一個(gè)通信系統(tǒng)的至少一部分的至少一個(gè)可重新配置的芯片，該至少一個(gè)可重新配置的芯片包括后臺(tái)和前臺(tái)配置存儲(chǔ)器，該至少一個(gè)可配置芯片被利用通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各部分加載，其中所述后臺(tái)配置存儲(chǔ)器被適配成使得當(dāng)被利用前臺(tái)平面配置的所述至少一個(gè)可配置芯片操作時(shí)，該后臺(tái)配置存儲(chǔ)器能夠被利用一個(gè)配置加載，并且其中在后臺(tái)配置加載之后，加載到后臺(tái)配置存儲(chǔ)器中的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分能夠被激活，以便重新配置所述至少一個(gè)可重新配置的芯片。
2.如權(quán)利要求1所述的通信單元，其中所述可重新配置的芯片實(shí)現(xiàn)一個(gè)無線通信系統(tǒng)的至少一部分。
3.如權(quán)利要求1所述的通信單元，其中所述可重新配置的芯片包括一個(gè)可重新配置的結(jié)構(gòu)和一個(gè)中央處理單元。
4.如權(quán)利要求1所述的通信單元，其中所述可重新配置的芯片實(shí)現(xiàn)一個(gè)通信接收機(jī)。
5.如權(quán)利要求1所述的通信單元，其中所述可重新配置的芯片實(shí)現(xiàn)一個(gè)偽隨機(jī)碼發(fā)生器。
6.如權(quán)利要求5所述的通信單元，其中所述可重新配置的芯片實(shí)現(xiàn)一個(gè)金色碼發(fā)生器。
7.如權(quán)利要求1所述的通信單元，其中通信系統(tǒng)處理用于多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)。
8.如權(quán)利要求1所述的通信單元，其中被實(shí)現(xiàn)的通信系統(tǒng)包括基站。
9.如權(quán)利要求1所述的通信單元，其中所述可重新配置的芯片實(shí)現(xiàn)多個(gè)配置。
10.如權(quán)利要求9所述的通信單元，其中路徑搜索器/瑞克接收機(jī)多個(gè)配置包括路徑搜索器和瑞克接收機(jī)。
11.如權(quán)利要求9所述的通信單元，其中所述配置之一包括維特比解碼器配置。
12.如權(quán)利要求1所述的通信單元，其中多個(gè)可重新配置的芯片被用在通信系統(tǒng)中，所述可重新配置的芯片中的至少一個(gè)實(shí)現(xiàn)多個(gè)配置。
13.如權(quán)利要求1所述的通信單元，其中所述可重新配置的芯片中的存儲(chǔ)元件能夠存儲(chǔ)所述配置之間的數(shù)據(jù)。
14.一種實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的方法，包括將通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一部分加載到可重新配置的芯片中；在所述可重新配置的芯片上運(yùn)行通信系統(tǒng)的第一部分；至少在所述運(yùn)行步驟的一部分期間，將通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第二部分加載到所述可重新配置的芯片中；以及在所述可重新配置的芯片上運(yùn)行通信系統(tǒng)的第二部分。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述通信系統(tǒng)包括無線通信系統(tǒng)。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述多個(gè)用戶被所述通信系統(tǒng)服務(wù)。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述通信系統(tǒng)是基站的一部分。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一或第二部分包括路徑搜索器配置。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一或第二部分包括瑞克接收機(jī)配置。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一部分包括路徑搜索器配置，并且所述第二部分包括瑞克接收機(jī)配置。
21.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一或第二部分包括維特比配置。
22.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一部分包括維特比配置，并且所述第二部分包括渦輪配置。
23.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一或第二部分包括偽隨機(jī)碼發(fā)生器。
24.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一或第二部分包括金色碼發(fā)生器。
25.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一或第二部分是解調(diào)器配置。
26.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一或第二部分是分支搜索配置。
27.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一或第二部分是接入搜索配置。
全文摘要
一個(gè)無線通信系統(tǒng)可以被利用一個(gè)或多個(gè)可重新配置的芯片實(shí)現(xiàn)，所述可重新配置的芯片具有后臺(tái)和前臺(tái)配置平面。后臺(tái)平面能夠被利用一個(gè)通信算法加載，而通信算法的另一部分被配置到前臺(tái)平面中并且在可重新配置的結(jié)構(gòu)中操作。在前臺(tái)和后臺(tái)配置之間的切換被幾乎立即執(zhí)行。本發(fā)明的系統(tǒng)允許諸如用于無線通信系統(tǒng)的基站接收機(jī)這樣的一個(gè)復(fù)雜的通信系統(tǒng)被實(shí)現(xiàn)在一個(gè)效的可重新配置的芯片上而不是一個(gè)大得多的FPGA上。
文檔編號(hào)H04B1/707GK1484887SQ01821587
公開日2004年3月24日 申請(qǐng)日期2001年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月27日
發(fā)明者D·J·皮尤, D J 皮尤 申請(qǐng)人:變色龍系統(tǒng)公司