LTE技術(shù)通過更有效的傳輸以提高數(shù)據(jù)速率，提供功能強(qiáng)大的新設(shè)備來提升移動(dòng)用戶的體驗(yàn)。對(duì)于基站廠商及其供應(yīng)商而言，LTE變革的同時(shí)也提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。有效支持4G系統(tǒng)需要DSP設(shè)計(jì)的多項(xiàng)創(chuàng)新，這些創(chuàng)新促使業(yè)界采用SoC架構(gòu)，以支持這類系統(tǒng)。本文將探討德州儀器(TI)的全新SoC架構(gòu)如何達(dá)到4G系統(tǒng)的關(guān)鍵功能。

LTE概述

    蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)使用正迅速成長(zhǎng)，基礎(chǔ)設(shè)備廠商亦期待4G標(biāo)準(zhǔn)，以便為移動(dòng)用戶提供更大的容量及更好的使用體驗(yàn)。3GPP所開發(fā)的LTE已被許多運(yùn)營(yíng)商選擇為無線基站及手機(jī)的新一代解決方案。LTE是3GPP標(biāo)準(zhǔn)第8版UMTS的提升。LTE一般稱為4G標(biāo)準(zhǔn)，是目前無線傳輸數(shù)據(jù)的重大變革。

    LTE采用OFDMA(正交頻分多址)技術(shù)，而3G技術(shù)則采用CDMA(碼分多址)技術(shù)，此一變革可透過多天線信號(hào)處理達(dá)到較高的頻譜效率，并為較寬譜頻帶寬提供更多支持。

    在OFDMA中，快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)將可用頻寬分割成許多正交的較小頻寬?？焖俑盗⑷~逆轉(zhuǎn)換(IFFT)可重建頻帶。FFT及IFFT是經(jīng)過詳加定義的算法，當(dāng)其采樣數(shù)為2的乘冪時(shí)即可有效執(zhí)行。OFDM系統(tǒng)常見的FFT采樣數(shù)為512、1024及2048，較小的采樣則為128及256。支援的頻寬為5、10、15及20MHz。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是能簡(jiǎn)易地適用于不同的頻寬。

    LTE也能夠使用先進(jìn)的多天線信號(hào)處理技術(shù)。其中兩項(xiàng)常用的技術(shù)為多入多出(MIMO)處理及波束成形。在MIMO中，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)從其中一個(gè)傳輸天線接收到的信號(hào)會(huì)與第二個(gè)天線接收到的信息有極大的差異，這在室內(nèi)或人口密集的大城市相當(dāng)常見，因?yàn)槭瞻l(fā)器及接收器之間有相當(dāng)多反射與多重路徑。在這樣的情況下，各個(gè)天線在相同頻率下會(huì)傳輸不同的信號(hào)，在經(jīng)由接收器信號(hào)處理即可復(fù)原。

LTE對(duì)于SoC架構(gòu)的影響

    這些新的LTE特性顯現(xiàn)出基站必須以較短的延遲及較多的彈性支持較高的吞吐量。這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的許多層面形成極大的壓力。為了滿足這些需求，TI開發(fā)出全新的SoC架構(gòu)，其中許多內(nèi)建的組件可滿足LTE蜂窩基站的需求(見圖1)。

圖1：德州儀器的多核SoC架構(gòu)。

     TI全新的架構(gòu)采用先進(jìn)的DSP核技術(shù)，頻率高達(dá)1.2GHz，而且總處理能力達(dá)到256GMAC，遠(yuǎn)高于當(dāng)前市面的DSP(見圖2)。該內(nèi)核支持定點(diǎn)及浮點(diǎn)運(yùn)算，其中的指令集完全與TI的TMS320C64x+ DSP指令集向下兼容。定點(diǎn)及浮點(diǎn)運(yùn)作的處理速度均超過1GHz，顯示DSP領(lǐng)域出現(xiàn)真正的變化。開發(fā)人員將不再需要在定點(diǎn)的原始速率及浮點(diǎn)的精度之間抉擇，如今已可兩者兼得，因?yàn)門I全新的架構(gòu)支持在定點(diǎn)及浮點(diǎn)指令之間切換。

 

圖2:德州儀器全新的架構(gòu)采用先進(jìn)的DSP內(nèi)核技術(shù)，頻率速度高達(dá)1.2GHz。

     MIMO處理涉及針對(duì)相同頻譜的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼。相較于此一程序的算法，由于典型N變量的N是未知數(shù)，需要矩陣求逆法才能解決。將矩陣求逆引入處理鏈，對(duì)于定點(diǎn)處理器的性能深具影響。這是因?yàn)榫仃嚽竽嫒菀资艿骄认拗频挠绊懀瑢?dǎo)致16位及32位定點(diǎn)運(yùn)作的性能不佳，甚至無法運(yùn)作。程序設(shè)計(jì)人員一般都必須使用虛擬浮點(diǎn)法來達(dá)到所需的精度，同時(shí)嘗試保留足夠的處理能力來執(zhí)行系統(tǒng)。

    TI全新的架構(gòu)針對(duì)業(yè)界最高速DSP引進(jìn)原生浮點(diǎn)支持，可謂是一大突破。浮點(diǎn)處理器的速度一般比定點(diǎn)處理器慢，因此不適用于蜂窩基站這樣的高性能場(chǎng)合。結(jié)合原生浮點(diǎn)支持及領(lǐng)先業(yè)界的C64x+定點(diǎn)架構(gòu)后，TI帶來定點(diǎn)及浮點(diǎn)兩者的最高處理效能，進(jìn)而對(duì)LTE系統(tǒng)發(fā)揮影響。程序設(shè)計(jì)人員可使用優(yōu)化的16位程序代碼，其中精度不是影響的因素，而且對(duì)于需要高精度的算法可達(dá)到IEEE浮點(diǎn)精度，例如MIMO均衡器。這使得LTE系統(tǒng)架構(gòu)的效率相當(dāng)高，使得基站可達(dá)到最低的功耗、最高的效能及最大的輸出量。

    浮點(diǎn)算法設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是能夠簡(jiǎn)易地開發(fā)和升級(jí)算法，并導(dǎo)入實(shí)際的系統(tǒng)中。通信系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)流程是先根據(jù)計(jì)算機(jī)模型開發(fā)算法，然后將其用于初始的系統(tǒng)部署。隨著部署的范圍及運(yùn)用不斷擴(kuò)大，工程人員需要收集實(shí)際數(shù)據(jù)提供給算法團(tuán)隊(duì)，以供提升系統(tǒng)性能。這些全新的算法通常是以本身是浮點(diǎn)運(yùn)作的MATLAB實(shí)現(xiàn)進(jìn)行開發(fā)。其中的難題在于將這些浮點(diǎn)MATLAB算法轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)DSP，同時(shí)維持算法及系統(tǒng)兩者的性能，因?yàn)椴混`活的算法會(huì)用盡系統(tǒng)資源，而降低整體的基站性能。

    如果涉及復(fù)雜的矩陣處理，將程序代碼從MATLAB導(dǎo)入實(shí)際系統(tǒng)通常需要幾周或幾星期的時(shí)間。透過TI全新架構(gòu)的原生浮點(diǎn)支持，便不需要進(jìn)行這整個(gè)程序。透過使用浮點(diǎn)C語言程序代碼以及直接編譯于TI的DSP，即可從MATLAB導(dǎo)入程序代碼。

    其重要性對(duì)于LTE系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員及程序設(shè)計(jì)人員來說，并非言過其實(shí)。隨著LTE演變?yōu)長(zhǎng)TE-A及未來的標(biāo)準(zhǔn)，浮點(diǎn)很可能在未來變得更加重要，因?yàn)槎嗵炀€信號(hào)處理的趨勢(shì)顯得日益復(fù)雜。

多核導(dǎo)航器

    現(xiàn)今基站OEM面臨的最大問題之一是開發(fā)出適用于基站的軟件。大系統(tǒng)的軟件開發(fā)會(huì)耗費(fèi)長(zhǎng)久的人力投入時(shí)間。TI全新的架構(gòu)運(yùn)用前幾代多核及基站系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，推出使用簡(jiǎn)便但功能強(qiáng)大的SoC。TI全新架構(gòu)的基礎(chǔ)組件是新的多核導(dǎo)航器(Multicore Navigator)。TI的多核導(dǎo)航器是能夠在SoC中無縫地移動(dòng)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)組件。

    一旦經(jīng)過配置，TI的多核導(dǎo)航器即可處理封包傳輸、內(nèi)存配置、加速器觸發(fā)及多重目的地，任何DSP核都不會(huì)消耗單一周期。這能夠釋放算法系統(tǒng)層級(jí)處理所需的DSP資源，完全不會(huì)使數(shù)據(jù)移動(dòng)停滯；以往數(shù)據(jù)移動(dòng)需要多次中斷及環(huán)境轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低。

    舉例來說，在LTE系統(tǒng)中，行動(dòng)數(shù)據(jù)封包會(huì)到達(dá)天線接口(支持OBSAI及CPRI標(biāo)準(zhǔn)的專屬高速接口)。這些封包會(huì)在經(jīng)過隊(duì)列后傳送到FFT協(xié)同處理器(LTE L1處理的第1個(gè)步驟)進(jìn)行處理，然后經(jīng)過隊(duì)列后傳送到適當(dāng)?shù)腄SP核進(jìn)行下一個(gè)處理步驟，以上完全不需要任何CPU介入。同樣地，數(shù)據(jù)可以從多個(gè)天線及多個(gè)區(qū)塊同時(shí)傳達(dá)，并且自動(dòng)且適當(dāng)?shù)貍魉汀?shù)據(jù)可以在系統(tǒng)組件之間移動(dòng)，完全不需要CPU介入，也不會(huì)造成不同核之間的競(jìng)用。

    隨著TI對(duì)于關(guān)鍵基站組件的了解加深，便從先前的系統(tǒng)設(shè)計(jì)組件改良推出多核導(dǎo)航器。多核導(dǎo)航器為封包化數(shù)據(jù)流提供極高的效率，相當(dāng)適用于LTE與WiMAX等高速3G系統(tǒng)(HSPA)與4G系統(tǒng)的封包處理，另外也能夠提供個(gè)別處理隊(duì)列及數(shù)據(jù)串流的硬件機(jī)制，這表示同時(shí)進(jìn)行的傳輸運(yùn)作不會(huì)相互干擾。換句話說，個(gè)別DSP核不需要等候其它內(nèi)核完成處理，而能夠共享資源。

TeraNet2

     數(shù)據(jù)經(jīng)過系統(tǒng)外送到天線或進(jìn)行傳輸時(shí)，SoC架構(gòu)必須支持極高的外部及內(nèi)部數(shù)據(jù)速率。支持這些速率需要許多不同層級(jí)的多種專用加速及可編程軟件組件。

    支持這些組件之間的數(shù)據(jù)移動(dòng)是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵層面之一。TI的TeraNet2屬于SoC層級(jí)片上網(wǎng)絡(luò)的一部分，能夠在內(nèi)核、外圍、內(nèi)存及加速器等組件之間提供每秒2TB的高速數(shù)據(jù)傳輸速率。就系統(tǒng)層級(jí)而言，這表示所有組件能夠同時(shí)獨(dú)立執(zhí)行，完全不需要等候其它組件完成處理或數(shù)據(jù)傳輸。在如同LTE基站的高度優(yōu)化且復(fù)雜的系統(tǒng)中，這對(duì)于性能有極大的影響，系統(tǒng)開發(fā)人員得以完全發(fā)揮SoC的性能。

L2處理

    使用MIMO不僅影響物理層處理，也影響L2調(diào)度，不過一般不需要極為復(fù)雜的算法。調(diào)度是基站決定各移動(dòng)用戶或設(shè)備在每幀中能獲得多少無線頻寬的過程。在LTE中，每隔1毫秒便會(huì)根據(jù)下列因素完成決定：

1.用戶活動(dòng)–語音、視頻、游戲等

2.服務(wù)計(jì)劃的類型

3.用戶位置–高或低信號(hào)區(qū)域

這些因素會(huì)影響調(diào)度器如何決定幀分配。

     MIMO使得其中的復(fù)雜度增加，因?yàn)榛拘枰淮螌⑼耆嗤念l帶分配給多位用戶。若要這么做，基站必須根據(jù)從各個(gè)用戶所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，因此決定多少用戶可同時(shí)進(jìn)行調(diào)度。這需要每毫秒針對(duì)各種可能的用戶組合進(jìn)行矩陣求逆，對(duì)于實(shí)時(shí)定點(diǎn)處理引擎而言，這是相當(dāng)繁復(fù)的作業(yè)。不良的調(diào)度效能會(huì)導(dǎo)致昂貴的頻譜使用欠佳，造成用戶無法順利處理作業(yè)。如同對(duì)于MIMO計(jì)算一般，TI全新架構(gòu)中不可或缺的浮點(diǎn)支持可大幅簡(jiǎn)化及加速必要的處理，因?yàn)樵↑c(diǎn)支持十分有助于矩陣求逆。

    另一項(xiàng)重要多核功能改進(jìn)之處是TI全新的多核共享內(nèi)存控制器。由于多核需要依序處理數(shù)據(jù)，從外部?jī)?nèi)存存取數(shù)據(jù)或在各內(nèi)核的本地內(nèi)存之間移動(dòng)數(shù)據(jù)，會(huì)使實(shí)際性能大幅降低。在TI全新的架構(gòu)中，多核共享內(nèi)存控制器能夠讓內(nèi)核有效存取共享內(nèi)存，就如同專用的本地內(nèi)存一般。如此便不需要進(jìn)行任何數(shù)據(jù)傳輸，而且能夠使各內(nèi)核立即有效處理共享內(nèi)存中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)。

    透過結(jié)合多核共享內(nèi)存控制器、多核導(dǎo)航器與TeraNet2，TI能提供高效率的系統(tǒng)層級(jí)設(shè)計(jì)，使客戶得以發(fā)揮絕佳的多核效用。

可擴(kuò)展性

    LTE使得無線數(shù)據(jù)速度及蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓樸展現(xiàn)嶄新的境界。目前蜂窩網(wǎng)絡(luò)主要采用宏蜂窩(macrocell)小區(qū)，極少采用微微蜂窩(picocell)及飛蜂窩(femtocell)小區(qū)。隨著數(shù)據(jù)使用持續(xù)大幅飆長(zhǎng)，經(jīng)過提升的LTE頻譜效率也無法再支持傳統(tǒng)的大型網(wǎng)絡(luò)拓樸。

    3GPP標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)隊(duì)注意到這一點(diǎn)，因此正開發(fā)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中加入微微蜂窩小區(qū)和飛蜂窩小區(qū)的簡(jiǎn)化方法，以便形成由不同大小的蜂窩小區(qū)組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，而不僅是由宏蜂窩小區(qū)組成的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(見圖3)。對(duì)于需要在各種基站架構(gòu)運(yùn)用研究及開發(fā)資源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，解決方案及架構(gòu)的可擴(kuò)展性是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中相當(dāng)重要的部份。

圖3：宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩及飛蜂窩小區(qū)交錯(cuò)并協(xié)同工作將形成未來的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

     透過多核導(dǎo)航器，TI全新的SoC架構(gòu)使得軟件重復(fù)使用及重新部署達(dá)到前所未有的層級(jí)。此一全新架構(gòu)也支持各設(shè)備中不同數(shù)量的處理組件，這些處理組件可能是L1、L2、L3及傳輸功能的核心或協(xié)處理加速器。由于設(shè)備制造商能夠通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的所有組件實(shí)現(xiàn)他們的系統(tǒng)，因此彈性軟硬件設(shè)計(jì)的結(jié)合有助于縮短不同開發(fā)的上市時(shí)間、優(yōu)化硬件成本，以及降低工程成本。

    其中的關(guān)鍵在于多核導(dǎo)航器采用多核的概念，使得各內(nèi)核能夠依據(jù)硬件獨(dú)立運(yùn)作。因此，使用多核導(dǎo)航器開發(fā)的內(nèi)核、協(xié)處理器及外圍軟件三者的概念僅需要最低程度的修改，因?yàn)橛布梢罁?jù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同類型基站的性能需求加以調(diào)整。

本文小結(jié)

    蜂窩網(wǎng)絡(luò)的變化相當(dāng)劇烈且深遠(yuǎn)；流經(jīng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量日益增加，營(yíng)運(yùn)商及基站制造商正不斷地努力趕上。器件級(jí)別的創(chuàng)新將有助于提供所需的工具來維持和提升基礎(chǔ)架構(gòu)，以支持新一代無線設(shè)備，全新的SoC架構(gòu)正是TI引領(lǐng)創(chuàng)新4G技術(shù)的其中一例。