介紹
隨著消費(fèi)者對智能電話需求的日益增長以及無線平板電腦的廣泛普及，當(dāng)今的移動因特網(wǎng)需要連接越來越多的用戶，從而要求移動網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)顯著的容量增長。長期演進(jìn)(4G LTE) 能夠以更低的成本提供更高的頻譜效率與更大的容量。不斷演進(jìn)的 LTE-Advanced (LTE-A) 能夠可實(shí)現(xiàn)具有更高帶寬、更強(qiáng)吞吐能力與更高級天線技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。同時，WCDMA 標(biāo)準(zhǔn)也在不斷演進(jìn)發(fā)展，具有更高的帶寬以及更強(qiáng)大的吞吐能力。毋庸置疑，市場需要推出多標(biāo)準(zhǔn)基站。其結(jié)果是，部署在基站中的片上系統(tǒng)(SoC) 器件不僅需要支持 LTE，還需要同時支持WCDMA 及其它原有標(biāo)準(zhǔn)。作為當(dāng)今無線基站部署所采用無線基站 SoC 的領(lǐng)先供應(yīng)商，德州儀器(TI) 在該市場領(lǐng)域擁有長期成功的歷史。在本白皮書中，我們將與大家分享我們 10 余年積累的“學(xué)習(xí)周期”體驗(yàn)和我們最新開發(fā)的無線基站 SoC —— TMS320CTCI6616和TMS320CTCI6618。
自無線網(wǎng)絡(luò)誕生以來，其數(shù)據(jù)吞吐能力已實(shí)現(xiàn)快速增長。對營運(yùn)商來說，最終的衡量標(biāo)準(zhǔn)是頻譜每赫茲承載的比特數(shù)，以及實(shí)現(xiàn)特定吞吐能力所需的相關(guān)成本及功耗。一直以來，在無線標(biāo)準(zhǔn)升級的每一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，TI 都無一不為基站設(shè)備帶來價值與創(chuàng)新。如今，TI 的基站 SoC 只需少量電路系統(tǒng)即可處理無線基帶第 1 層 (L1)、第 2 層 (L2) 與傳輸功能。TI 10 余年的豐富經(jīng)驗(yàn)建立在成功的部署周期之上，主要體現(xiàn)在在以下方面積累的豐富知識：
1. TI 在最新的半導(dǎo)體工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)上成功推出眾多器件，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的性能提升，同時還能大幅降低成本及功耗；
2. TI 在 DSP 技術(shù)領(lǐng)域擁有穩(wěn)固的領(lǐng)先地位。毋庸置疑，無線基站需要為全球無線標(biāo)準(zhǔn)的傳輸與接收提供充分的數(shù)字信號處理能力。TI 擁有強(qiáng)大的實(shí)力，能夠利用其行業(yè)領(lǐng)先的半導(dǎo)體工藝技術(shù)持續(xù)推出數(shù)字處理性能不斷飛速發(fā)展的未來產(chǎn)品。各種優(yōu)勢全面結(jié)合，即能為市場推出高性價比的解決方案；
3. TI 始終致力于改進(jìn)其高性能多內(nèi)核 SoC。雖然無線基站的大多數(shù)功能都能夠由 DSP 執(zhí)行，但 DSP 最為擅長的則是與目標(biāo)加速器相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)各種優(yōu)化目標(biāo)，其中包括實(shí)現(xiàn)極高的單位頻率吞吐能力、單位功率吞吐能力以及低系統(tǒng)成本等。在將硬件加速與業(yè)界領(lǐng)先 DSP 相結(jié)合以減輕無線標(biāo)準(zhǔn)的處理方面，TI 極為成功，能夠以極低的成本與低功耗實(shí)現(xiàn)前所未有的吞吐能力。
TI 基站創(chuàng)新的第三個主要部分是本文的重點(diǎn)所在，即 TI 為基站 SoC 創(chuàng)建可配置硬件加速器的成功戰(zhàn)略。在決定將無線信號處理鏈上的哪些部分轉(zhuǎn)移到可配置硬件加速模塊中時，有若干關(guān)鍵問題需要考慮，其中包括：
1. 無線信號鏈的哪些部分發(fā)生重大變化的可能性最小，而且哪些應(yīng)基于成熟的標(biāo)準(zhǔn)之上？
2. 在候選功能中，設(shè)備制造商能否添加其自己的知識產(chǎn)權(quán) (IP)，以提供高級功能與差異化？
3. 無線信號鏈上的哪個部分具有最高的處理強(qiáng)度（如果在 DSP 的軟件中實(shí)施時，需要最高的 DSP MIPS）？
4. 分配在硬件中的哪些功能可以簡化并加快開發(fā)與測試？
5. 為確保全面的多內(nèi)核能力與峰值加速器性能，需要何種類型的 SoC 基礎(chǔ)局端？
要解決上述的第一個問題，需要確保無線處理標(biāo)準(zhǔn)的這些部分（無論仍處于開發(fā)中還是處于實(shí)驗(yàn)階段）都將由 DSP 負(fù)責(zé)處理，這樣營運(yùn)商或 OEM 廠商才能實(shí)現(xiàn)解決方案的差異化。在對各種信號鏈功能及使用模型的 MIPS 要求進(jìn)行分析后，就可以確定哪些功能應(yīng)被移入硬件加速器，從而在降低成本和加快投產(chǎn)進(jìn)度方面獲得顯著優(yōu)勢。
除了各種基于硬件的加速器外，TI 還創(chuàng)建了一種可確保實(shí)現(xiàn)高效率零復(fù)制數(shù)據(jù)流的創(chuàng)新型 KeyStone 架構(gòu)，從而能夠在內(nèi)核、加速器以及外設(shè)之間實(shí)現(xiàn)非阻塞的系統(tǒng)互連。此外，該架構(gòu)還能確保協(xié)處理器得到充分利用。它還可以減少中斷及軟件上下文環(huán)境的切換次數(shù)，以最大限度地實(shí)現(xiàn)所有內(nèi)核的最佳利用，從而使所有系統(tǒng)組件都能得到全面利用。
確定系統(tǒng)優(yōu)化的機(jī)會
確定新基站 SoC 設(shè)計(jì)方法的第一步，是考慮新一代基站的預(yù)期性能要求并理解其對SoC 設(shè)計(jì)的影響。
TCI6618 具備一系列針對新一代基站的用例目標(biāo)參數(shù)。由于 TI TCI6488 是目前應(yīng)用于基站的領(lǐng)先 SoC，因而其是一種非常適用于基線分析的器件。
下列各參數(shù)基于 LTE 系統(tǒng)中 TCI6488 器件的性能：
天線：2x2 發(fā)送與接收
帶寬：20MHz
數(shù)據(jù)率：150 Mbps 下行，75 Mbps 上行
LTE 物理層概覽
LTE 物理層需要對每個物理層通道進(jìn)行高強(qiáng)度的信號處理。主要的物理層通道如下：
下行通道：
PDSCH：物理下行共享通道
PDCCH：物理下行控制通道
上行通道：
PUSCH：物理上行共享通道
PUCCH：物理上行控制通道
PRACH：物理隨機(jī)訪問通道
對于每個數(shù)據(jù)和控制通道而言，可將物理層處理分為兩個主要的功能模塊：比特率與 IQ 采樣處理。
圖 1 顯示的 PDSCH 信號鏈由如下方面構(gòu)成：
IQ 采樣處理 — 處理 LTE 物理資源，將其映射到天線的不同層并轉(zhuǎn)換為 OFDM 符號以用于空中傳輸。
比特率處理 — 處理來自 L2 的傳輸模塊，通過計(jì)算循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 并將其附加給傳輸模塊來啟動處理進(jìn)程。如果傳輸模塊大于 6,144 位的最大允許代碼模塊尺寸，則執(zhí)行代碼模塊分段。在進(jìn)行通道編碼前，要進(jìn)行新的 CRC 計(jì)算并將其附著于每個代碼模塊上。
圖1 介紹了 LTE 下行鏈路中的主要功能模塊。
圖 1 － FDSCH 信號處理鏈
PUSCH 是 PDSCH 的反向過程，同樣含有下列 IQ 樣本與比特率處理：
IQ 樣本處理 —— 處理接收到的 OFDM 符號物理資源。這涉及通道估算與最大比率合并 (MRC) /多輸入、多輸出 (MIMO) 均衡，以從各個天線分離用戶數(shù)據(jù)。
比特率處理 —— 為在 L2 內(nèi)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步處理而進(jìn)行的通道解調(diào)、解多路復(fù)用、錯誤校正與解碼。
圖 2 所示為 PUSCH 的信號處理鏈：
圖2 － PUSCH 信號處理鏈
分析 TMS320TCI6488 中的 LTE 物理層處理
TCI6487/8 是 TI 最新系列的多內(nèi)核 SoC，由三個 C64x+TM CPU 內(nèi)核構(gòu)成。采用這種 SoC 的運(yùn)營商已有數(shù)百家，年出貨量數(shù)百萬片。通過分析 TCI6488 的 LTE 性能，可以深入了解如何構(gòu)建新一代的高性能 SoC。圖 3 所示為在 TCI6488 上采用 2x2 MIMO、150Mbps 下行吞吐速率及 75Mbps 上行吞吐速率時，20 MHz LTE 的周期占用數(shù)及分布。
圖 3 － TCI6488 上的 LTE 物理層處理
從圖上可以明顯看出，F(xiàn)FT/IFFT、PDSCH 比特率處理、PUSCH 比特率處理與 PUCCH 占用了總 DSP 周期中的大部分。
為進(jìn)一步改進(jìn)總體系統(tǒng)性能，滿足新一代 LTE 系統(tǒng)的要求，必須設(shè)計(jì)出具備良好均衡性且可擴(kuò)展的架構(gòu)，以便最大限度地發(fā)揮 SoC 的多內(nèi)核計(jì)算性能。這就要求最大限度地提高系統(tǒng)的互連吞吐量，并將存儲器存取與數(shù)據(jù)傳輸時延降到最小。
通過對 LTE 要求的總處理周期進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)通過增強(qiáng) DSP 內(nèi)核的信號處理能力，不僅能夠減少處理周期的總數(shù)量，而且還能增大系統(tǒng)容量、提升性能。最新推出的 C66x DSP 內(nèi)核通過將 C64x+ 的乘/累加 (MAC) 能力銳升四倍可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。此外，新內(nèi)核還同時集成了定點(diǎn)與浮點(diǎn)功能，并可為矢量處理與矩陣處理提供新的指令。
如快速傅里葉變換 (FFT) 與快速傅里葉逆變換 (IFFT) 等特定函數(shù)需要在 LTE 信號鏈上的許多地方執(zhí)行，并且用于在時域與頻域之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。FFT 與離散傅立葉變換 (DFT) 已屬成熟算法，因此它們有可能作為硬件加速的候選以用于釋放 CPU 周期，這樣 DSP 內(nèi)核就可用于執(zhí)行客戶差異化功能。
LTE 的上行與下行比特率處理及其他無線技術(shù)包含眾多標(biāo)準(zhǔn)算法，適用于調(diào)制、解調(diào)、交錯、解交錯、速率匹配、解速率匹配、加擾與去擾等運(yùn)算。TI 新型比特率協(xié)處理器 (BCP) 是一種可為多種標(biāo)準(zhǔn)釋放所有比特率處理功能的加速器，它可大幅度提升系統(tǒng)容量，從而簡化軟件編程、減少系統(tǒng)時延。
這些就是可以在 TCI6616 及 TCI6618 基站 SoC 中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新與性能飛躍提升的系統(tǒng)優(yōu)化機(jī)會的示例。
TI KeyStone 架構(gòu)
KeyStone 多內(nèi)核 SoC 架構(gòu)是業(yè)界同類架構(gòu)中率先可提供基礎(chǔ)局端以確保所有內(nèi)核都能得到充分利用的架構(gòu)。KeyStone 可實(shí)現(xiàn)對所有處理內(nèi)核、外設(shè)、協(xié)處理器及 I/O 的非阻塞訪問?？蓪?shí)現(xiàn)這類多內(nèi)核能力的部分 KeyStone 創(chuàng)新技術(shù)包括：多內(nèi)核導(dǎo)航器、TeraNet、多內(nèi)核共享存儲控制器 (MSMC) 及超鏈接。
TI 多內(nèi)核導(dǎo)航器是一種基于分組的創(chuàng)新型管理器，能夠在提取不同子系統(tǒng)間連接的同時，控制 8,192 個隊(duì)列。它可為實(shí)現(xiàn)通信、數(shù)據(jù)傳輸及工作管理提供統(tǒng)一接口。通過采用“一次性完成，零復(fù)制”的設(shè)計(jì)理念，多內(nèi)核導(dǎo)航器能夠以更少的中斷及更低的軟件復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能。
舉例來說，多內(nèi)核導(dǎo)航器能夠進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，且在無需外部管理的情況下即能指示下一個空閑 DSP 內(nèi)核讀取并處理任務(wù)。這樣通過提供下列功能，即可簡化 SoC 軟件架構(gòu)，進(jìn)而提升基站的性能：
動態(tài)資源/負(fù)載共享
減輕與子系統(tǒng)間通信相關(guān)的 CPU 開銷/延遲
基于硬件的任務(wù)優(yōu)先級排序
動態(tài)負(fù)載平衡
針對所有 IP 模塊（軟件、I/O 及加速器）的通用通信方法
多內(nèi)核導(dǎo)航器能夠在無 CPU 干預(yù)的情況下控制數(shù)據(jù)流，可從移動數(shù)據(jù)中釋放 CPU 周期并將片上通信速率提升至每秒 2,000 萬條消息。此外，其還能夠使用更為簡單的軟件架構(gòu)以縮短開發(fā)周期并提高資源利用率。
TeraNet 能夠提供層級交換結(jié)構(gòu)，可在 SoC 內(nèi)為數(shù)據(jù)傳輸提供超過 2 Tbit 的總帶寬。這樣幾乎可確保不會出現(xiàn)內(nèi)核與協(xié)處理器沒有數(shù)據(jù)可處理的情況，從而使他們在任何需要的位置和時間都可以發(fā)揮其最大的處理功效。由于交換結(jié)構(gòu)采用了層級架構(gòu)而非扁平縱橫式結(jié)構(gòu)，因此總體功耗能在空閑狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)大幅度下降且能以最低時延實(shí)現(xiàn)高性能，從而充分滿足新一代基站的這種關(guān)鍵要求。
多內(nèi)核共享存儲控制器 (MSMC) 是一種可增強(qiáng)性能的獨(dú)特架構(gòu)。MSMC 可以讓內(nèi)核在不占用任何 TeraNet 帶寬的情況下直接訪問共享存儲器。MSMC 可以協(xié)調(diào)內(nèi)核及其他 IP 模塊對共享存儲器的訪問，以避免發(fā)生存儲器爭用的情況發(fā)生。DDR3 外部存儲器接口 (EMIF) 可直接連接至 MSMC，從而降低因發(fā)生外部存儲器存取而導(dǎo)致的時延，并為基站應(yīng)用提供所需的高速訪問與支持。
超鏈接具有 50Gbps 的總吞吐能力，是一種互連機(jī)制，能夠以極少的協(xié)議實(shí)現(xiàn)與其它 KeyStone、FPGA 及 ASIC 器件的高速通信與連接。其可為主器件上的配套器件提供透明的存儲器映射訪問，從而不僅可大幅簡化軟件編程，同時還能為 OEM 廠商提供實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展解決方案的無縫路徑。
全新 DSP 內(nèi)核
TCI66x SoC 解決方案包含性能顯著增強(qiáng)的全新處理內(nèi)核。其是業(yè)界首款同時集成了定點(diǎn)和浮點(diǎn)功能的基站 DSP 內(nèi)核。增強(qiáng)的性能可幫助 OEM 廠商構(gòu)建極富差異化功能的軟件，從而滿足高級操作人員的要求。
TMS320C66x 內(nèi)核
作為 TI 的新一代定點(diǎn)及浮點(diǎn) DSP，新型 C66x 內(nèi)核具備集成了 8 個功能單元和 64 個通用 32 位寄存器的高級 VLIW 架構(gòu)。全新系列器件基于 TI 前代 C64x+ 內(nèi)核架構(gòu)之上，擁有屢獲殊榮的指令集架構(gòu)和眾多功能強(qiáng)大的特性，如每個周期能夠執(zhí)行 8 個指令，從而可實(shí)現(xiàn)高度的并行性能。
全新的 C66x DSP 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)眾多特性改進(jìn)，其中包括：
原生浮點(diǎn)處理，可逐指令地與定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無縫協(xié)作。通過以業(yè)界領(lǐng)先的定點(diǎn) DSP 速度提供原生浮點(diǎn)支持，實(shí)現(xiàn)了浮點(diǎn)處理領(lǐng)域的重大進(jìn)步；
MAC 實(shí)現(xiàn)了 4 倍的性能提升，每周期可提供 32 個 16x16 位 MAC；
專為復(fù)雜算法、線性代數(shù)和矩陣運(yùn)算而精心優(yōu)化；
全流水線雙精度浮點(diǎn)乘法器；
減少雙精度乘法時延。
所有這些改進(jìn)都能大幅提升 L1 和 L2 的總體處理性能。4G 基站解決方案具備 MIMO 和波束成形等算法，可充分利用多天線信號處理實(shí)現(xiàn)性能提升。這些算法通常需要矩陣逆轉(zhuǎn)技術(shù)，從本質(zhì)上來說非常容易遭受與定點(diǎn)處理相關(guān)的量化及擴(kuò)展問題的影響。這些多天線技術(shù)仍在不斷演進(jìn)發(fā)展，具備可幫助客戶實(shí)現(xiàn)差異化功能的實(shí)施靈活性至關(guān)重要。將最新的 C66x 增強(qiáng)功能用于矩陣運(yùn)算和浮點(diǎn)支持，能夠同時顯著提高系統(tǒng)的速度和準(zhǔn)確度，從而為移動電話用戶帶來更精彩的體驗(yàn)。
采用 C66x 內(nèi)核增強(qiáng) MIMO 接收機(jī)
我們同時在 LTE 和 LTE-A 中采用了眾多高級接收機(jī)算法。例如，在 LTE-A 新技術(shù)中可實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的多用戶 MIMO (MU-MIMO) 預(yù)編碼方案。此外，單用戶 MIMO (SU-MIMO) 還可支持更高的數(shù)據(jù)速率。增強(qiáng)型 C66x 內(nèi)核不僅可幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在上述領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)差異化特性，而且最終還能幫助他們實(shí)現(xiàn)操作人員所需的高級特性。
MIMO 解碼在算法上非常復(fù)雜，往往需要使用客戶 IP 來提升效率和性能。復(fù)雜度隨天線數(shù)量的增加而相應(yīng)增加。雖然大多數(shù)專家都一致認(rèn)為第二種傳輸天線至少在最近幾年都不會獲得廣泛使用，但當(dāng)前的系統(tǒng)仍以 2xN（2 路傳輸，N 路接收）配置為主。實(shí)施 MIMO 接收機(jī)算法的方式有很多種，其中包括較低復(fù)雜側(cè)的線性 MMSE 和較高復(fù)雜端的球狀解碼。在 OEM 廠商測試不同算法的時候，進(jìn)行高效率的軟件實(shí)施使他們能夠在部署 LTE 系統(tǒng)的同時適配并測試不同的構(gòu)想方案。這種高靈活性在基礎(chǔ)局端部署的最初幾年非常關(guān)鍵，直到新的網(wǎng)絡(luò)落實(shí)，工程師才能更好地理解問題所在。
C66x 架構(gòu)具備擴(kuò)展指令集，可用于加速 DSP 內(nèi)核的 MIMO 處理。浮點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)高效的矩陣反轉(zhuǎn)算法，從而較定點(diǎn)實(shí)施相比能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能，而且與硬件加速相比能夠?qū)崿F(xiàn)更高的靈活性。通過充分發(fā)揮浮點(diǎn)功能和 4 倍的 MAC 性能改進(jìn)，C66x DSP 內(nèi)核中的 MIMO 處理量與前代 DSP 相比降低了 5 倍。
全新的加速功能
通過分析 LTE 和 WCDMA 系統(tǒng)要求，我們已確定了一些需要改進(jìn)的功能，并按重要性進(jìn)行如下排序：
FFT/IFFT/DFT
下行鏈路比特率處理
上行鏈路比特率處理
上行鏈路控制通道接收機(jī)
MIMO 接收機(jī)
WCDMA 傳輸碼片率 IQ 采樣處理 (TAC)
WCDMA 接收碼片率 IQ 采樣處理 (RAC)
此外，4G 較高的數(shù)據(jù)速率和高速 3G 系統(tǒng)都需要大量的改進(jìn)才能完成 turbo 解碼功能。
TCI6616 AccelerationPacs
為了更好地滿足高速發(fā)展的 3G 和 4G 市場需求，TI 為 TCI6616 開發(fā)了眾多新的加速器。
傳輸碼片率協(xié)處理器 (TAC)
TAC 能為多達(dá) 256 個下行鏈路 WCDMA 用戶執(zhí)行傳輸碼片率擴(kuò)展運(yùn)算。該加速器可將符號率處理的數(shù)據(jù)作為輸入，然后再將芯片擴(kuò)展序列輸出到基站的各個天線輸出端。
TAC 能夠執(zhí)行下列運(yùn)算：
符號調(diào)制
開環(huán)分集處理，其中包括空間時間傳輸分集 (STTD) 和時間交換傳輸分集 (TSTD)
閉環(huán)處理，其中包括閉環(huán)分集、用于 HSDPA 的 MIMO、下行鏈路功率控制、上行鏈路功率控制、隨機(jī)訪問采集指示傳輸、E-DCH 相對授權(quán)和混合 ARQ 指示傳輸
各個通道的增益應(yīng)用
支持壓縮模式
擴(kuò)展和加擾
功耗測量
媒體流失調(diào)和延遲
波束成型
媒體流匯總
TCA 支持所有 WCDMA 下行鏈路通道：
P-SCH：主同步通道
S-SCH：次同步通道
P-CPICH：主通用導(dǎo)頻通道
S-CPICH：次通用導(dǎo)頻通道
P-CCPCH：主通用控制物理通道
PICH：傳呼指示器通道
AICH：采集指示器通道
HS-SCCh：高速共享控制通道
HS-PDSCH：高速物理下行鏈路共享通道
E-AGCH：E-DCH 絕對授權(quán)通道
E-RGCH：E-DCH 相對授權(quán)通道
E-HICH：E-DCH 混合 ARQ 指示器通道
MICH：MBMS 指示器通道
DPCH：專用物理通道
F-DPCH：部分專用物理通道
如 RNC 和 Node-B 之間的 NBAP（Node-B 應(yīng)用部分）協(xié)議所示，TAC 可實(shí)現(xiàn)靈活的通道配置和重配置。
接收加速器協(xié)處理器 (RAC) RAC 能為多達(dá) 256 個 WCDMA 用戶執(zhí)行上行鏈路碼片率解擴(kuò)運(yùn)算。其包含基于矢量的高靈活性可配置關(guān)聯(lián)引擎，能夠支持大量的同步關(guān)聯(lián)。
RAC 支持下列模式的運(yùn)算：
FD：用于生成原始符號的徑解擴(kuò)
FT：用于執(zhí)行 EOL（過早、按時、延遲）測量的徑跟蹤
FPE：用于執(zhí)行徑干擾關(guān)聯(lián)的徑功耗估算
PM：在天線上執(zhí)行脈沖響應(yīng)曲線以進(jìn)行徑探測的路徑監(jiān)控器
PD：在簽名上執(zhí)行脈沖響應(yīng)曲線以進(jìn)行前導(dǎo)碼檢測
SPE：執(zhí)行寬帶媒體流功耗測算的媒體流功耗估算功能
下面是 RAC 支持的上行鏈路物理通道：
DPCCH：專用物理控制通道
DPDCH：專用物理數(shù)據(jù)通道
HS-DPCCH：高速專用物理控制通道
E-DPCCH：增強(qiáng)型專用物理控制通道
E-DPDCH：增強(qiáng)型專用物理數(shù)據(jù)通道
PRACH：物理隨機(jī)訪問通道
Turbo 解碼器 3 (TCP3d)
Turbo 解碼器 3 協(xié)處理器 (TCP3d) 是前代 Turbo 解碼器 2 的改進(jìn)版本。TCP3d 可支持 WCDMA、TD-SCDMA、LTE 和 WiMAX，是一種在上行鏈路處理中對 Turbo 代碼進(jìn)行解碼的可配置外設(shè)。TCP3d 的輸入是系統(tǒng)位和校驗(yàn)位的軟決策，而輸出既可為軟決策，也可為硬決策。為了最大限度地減少與使用該協(xié)處理器相關(guān)的開銷，TCP3d 可生成 Turbo 交錯表，并能在除執(zhí)行解碼之外還支持基于代碼模塊的 CRC 計(jì)算。其結(jié)果是 TCP3d 的開銷比 TCP2 低 7 倍。TCP3d 在 TCI6616 上的吞吐量在 6 次迭代后為 389Mbps。
Turbo 編碼器 (TCP3e)
快速傅立葉轉(zhuǎn)換協(xié)處理器 (FFTC)
快速傅立葉轉(zhuǎn)換協(xié)處理器 (FFTC) 可實(shí)施用于 LTE 和 WiMAX 的 FFT/iFFT 和 DFT/iDFT。多內(nèi)核導(dǎo)航器 (Multicore Navigator) 使數(shù)據(jù)能夠直接在協(xié)處理器端進(jìn)行輸入和輸出路由，并傳輸?shù)?I/O。此外，其還能執(zhí)行周期性的前綴移除和插入以及頻率轉(zhuǎn)換，從而進(jìn)一步降低 DSP 上的處理負(fù)載。FFTC 的吞吐能力為每秒 12.72 億個副載波。
圖 4 － TCI6616 方框圖
全面集成 —— TCI6616
圖 4 顯示了 TCI6616 的方框圖。TCI6616 具有創(chuàng)新型 KeyStone 架構(gòu)、增強(qiáng)型 C66x 內(nèi)核并新增了 LTE 和 WCDMA 協(xié)處理器，能夠?yàn)闊o線基站應(yīng)用實(shí)現(xiàn)較其他 SoC 高 5 倍的性能提升。
TCI6618 AccelerationPacs
TCI6618 為 TCI6616 增添了加速特性，可將 LTE 性能翻番。由于 TCI6618 能夠與 TCI6616 實(shí)現(xiàn)引腳兼容，因而 OEM 廠商可通過選擇系統(tǒng)適用的器件輕松靈活地進(jìn)行平臺優(yōu)化。
由于 LTE 系統(tǒng)能夠處理比 3G 系統(tǒng)高得多的數(shù)據(jù)速率，因而加速測重于對比特率的處理。
比特率協(xié)處理器
比特率協(xié)處理器 (BCP) 是一種多標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)處理器，其能夠大幅減輕 DSP 的所有比特率處理任務(wù)，從而使信號鏈的位處理部分無需占用任何 DSP 周期。它能夠顯著簡化了軟件設(shè)計(jì)，并能實(shí)現(xiàn)極低的系統(tǒng)時延。BCP 可執(zhí)行以下功能：
• 調(diào)制/解調(diào)
• 交錯/解交錯
• 速率匹配/解速率匹配
• 加擾/解擾
• LTE 的 PUCCH 解碼
• Turbo 和卷積編碼
• CRC 連接和校驗(yàn)
BCP 不僅能夠針對 MIMO 均衡實(shí)現(xiàn) turbo 干擾消除，而且還實(shí)現(xiàn)了高性能PUCCH format 2 解碼。當(dāng) LTE 達(dá)到最大下行鏈路 2.2 Gbps 的吞吐量、上行鏈路 1.1 Gbps 的吞吐量時，BCP 可減輕大約 15 GHz 的DSP MIPS。對于 WCDMA 而言，最大下行鏈路吞吐量可達(dá) 800 Mbps，最大上行鏈路吞吐量達(dá) 400 Mbps。
圖 5 － BCP 體系架構(gòu)
在 BCP 內(nèi)部，數(shù)據(jù)可通過一個內(nèi)部交換結(jié)構(gòu)從一個子模塊流入另一個子模塊。分組 DMA 流量管理器可通過 128 位的 BCP 導(dǎo)航器或直接 I/O 接口將流量從 BCP 進(jìn)行輸入與輸出路由。BCP 以分組為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并能同時處理不同的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)將任務(wù)請求發(fā)送至 BCP 時，該任務(wù)首先被置入 BCP 導(dǎo)航器隊(duì)列中。BCP 調(diào)度程序依據(jù)任務(wù)優(yōu)先級選擇需要處理的任務(wù)。接著，由子模塊處理該任務(wù)。最后，可將 BCP 結(jié)果寫入緩沖器，并將描述符置入完整的隊(duì)列上有待進(jìn)一步處理。因?yàn)闃O少需要軟件的介入，因此對 DSP 的周期需求顯著減少，同時 LTE 處理時延也會大幅降低。
我們在此將介紹另一種可簡化 DSP 處理需求的方法，通過諸如連續(xù)或并行干擾消除（SIC 或 PIC）等高級接收機(jī)技術(shù)來提升接收機(jī)的 MIMO 性能。這些算法需要功能強(qiáng)大的比特率協(xié)處理器才能高效地實(shí)現(xiàn)。解碼算法的迭代特征要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次解碼、處理、重新編碼和解碼，這對一般普通的系統(tǒng)而言可謂巨大的計(jì)算負(fù)擔(dān)，但對于 TCI6618 卻能輕松處理。
Turbo PIC/SIC 的性能改進(jìn)意義重大。例如，在 2x2 MIMO 方案中，一個調(diào)制為 QPSK 的典型的城域信道中，turbo PIC/SIC 能產(chǎn)生超過 3 dB 的信噪比 (SNR) 性能增益，從而與一般的接收機(jī)方法相比可提升高達(dá) 40% 的頻譜利用率。這不僅對運(yùn)營商的意義重大，同時也是 TCI6618 與其他產(chǎn)品的重要差別點(diǎn)。
圖 6 顯示了 Turbo 干擾消除的數(shù)據(jù)流。BCP 和 FFTC 可從反饋路徑分擔(dān)絕大多數(shù)的 Turbo 均衡周期。
圖 6 － Turbo 干擾消除數(shù)據(jù)流
控制信道解碼器
作為 LTE 物理上行鏈路控制信道，PUCCH 可承載上行鏈路的控制信息，例如調(diào)度請求、確認(rèn)、重傳請求、信道狀態(tài)信息以及信道質(zhì)量指示 (CQI) 等信息。信道信息解碼會消耗很大的處理資源。（見圖 3）
PUCCH CQI 通過 Reed Muller (20, A) 模塊代碼進(jìn)行編碼。各種不同類型的算法均可對此信息進(jìn)行解碼。一種非常實(shí)用的基于 MRC 的算法可在軟件內(nèi)實(shí)施，但其性能不高。BCP 針對 PUCCH format 2、2a、2b 實(shí)現(xiàn)了高級的聯(lián)合信道均衡和解碼算法。這與其他更為基礎(chǔ)性的算法相比，可實(shí)現(xiàn)更高的性能。圖 7 顯示了分別采用 TCI6488 和 TCI6618 的實(shí)施周期比較。在該例中，我們對帶 5 個資源模塊的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，每個系統(tǒng)均有 12 個 UE，并且使用 Reed Muller (20, 13) 進(jìn)行編碼。在具備雙天線的情況下，對于從 DSP 內(nèi)核上的軟件到硬件加速器的傳輸處理中，BCP 承擔(dān)了 98% 的總 PUCCH format 2 處理量。
與典型算法相比，使用聯(lián)合檢測算法能將信噪比 (SNR) 性能提高 1 到 3 分貝。這種增強(qiáng)的性能不僅將顯著改進(jìn)鏈路預(yù)算，而且還能減少 UE 的干擾，并提高下行頻譜利用率，從而提高整個 LTE 系統(tǒng)的性能，以為移動用戶帶來更精彩的體驗(yàn)。
全面集成 —— TCI6618
除了 BCP 協(xié)處理器無與倫比的性能外，TCI6618 還添加了額外的 FFTC 和TCP3d 協(xié)處理器，能夠?qū)崿F(xiàn) SoC 功能的完美平衡。因此，在 6 個迭代中，F(xiàn)FTC 的總吞吐量為 1,908 Mbps，TCP3d 的總吞吐量則為 582 Mbps。與 TCI6616 相比，TCI6618 憑借均衡 CPU 內(nèi)核和協(xié)處理器 將 LTE 的能力提升了 2 倍以上。TCI6618 通過 2x2 MIMO 天線配置且利用高級接收機(jī)算法，可以支持兩個 20MHz 的 LTE區(qū)，下行吞吐量總計(jì)可達(dá) 300Mbps，而上行吞吐量總計(jì)則可達(dá) 150Mbps。
圖 7 － TCI6618 可實(shí)現(xiàn)高級 PUCCH 接收機(jī)
圖 8 顯示了 TCI6618 的方框圖：
圖 8 － TCI6618 方框圖
憑借 KeyStone 架構(gòu)、高級 C66x 內(nèi)核以及新型 BCP 等高吞吐量加速器，TCI6618 與此前系列的 SoC 器件相比，可實(shí)現(xiàn)顯著的性能提升。圖 9 顯示了以圖 3 為基礎(chǔ)而生成的柱狀圖，闡述了 TCI6488 與 TCI6618 兩者之間在 DSP 周期方面的比較結(jié)果。運(yùn)行條件仍然是 20 MHz 的 LTE、2X2 MIMO、150 Mbps 的下行吞吐量以及 75 Mbps 的上行吞吐量。
圖 9 － TCI6618 在 LTE 上的性能飛躍
我們從該圖中看到，大約有 90% 的 TCI6488 DSP 處理任務(wù)被移至協(xié)處理器，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級的改進(jìn)！
圖 10 顯示了 LTE 下行處理 (PDSCH) 的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖，其中使用協(xié)處理器承擔(dān)了幾乎 95% 的處理任務(wù)。
圖 10 － TCI6618 中的 PDSCH 處理
圖 11 顯示了 LTE 上行鏈路方框圖及相關(guān)的協(xié)處理，其中大約 90% 的處理均由硬件加速器負(fù)責(zé)。
圖 11 － TCI6618 中的 PUSCH 處理
這些圖清晰地表明，BCP 可顯著提高 LTE 的性能。由于所有比特率處理均被自動路由到 BCP，因而可大大簡化軟件設(shè)計(jì)并降低時延。在這樣的數(shù)據(jù)速率（150 Mbps 的下行/ 75 Mbps 的上行）下運(yùn)行，處理時延還不足 70 微秒。
BCP 不僅可以為 LTE 實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)勢，而且也能為 WCDMA 分擔(dān)比特率處理任務(wù)。與針對碼片級擴(kuò)頻/解擴(kuò)的 RAC 與 TAC 結(jié)合使用，可實(shí)現(xiàn) HSDPA 信道幾乎完全在硬件中處理。圖 12 顯示了 TCI6618 中的 HS-PDSCH 信號處理鏈。
圖 12 － TCI6618 中的 HSDPA HS-PDSCH 處理
TCI6618 能夠支持如下方案：具備 6 個使用 2x2 MIMO 的 HSDPA 單元，且每個單元的下行吞吐量為 42 Mbps。在該例中，有超過相當(dāng)于 9 GHz 的 DSP處理任務(wù)被分配到專為 HS-PDSCH 信道設(shè)計(jì)的硬件中處理。
同樣，對于 WCDMA 上行信道處理，圖 13 顯示了 HSUPA E-DPDCH 處理的信號鏈與周期分布。
圖 13 － TCI6618 中的 HSUPA E-DPDCH 處理
結(jié)論
業(yè)界最佳的 TMS320TCI6618 與 TMS320TCI6616 SoC 經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可支持無線數(shù)據(jù)的發(fā)展變革，以及從以語音為中心到以數(shù)據(jù)為中心的處理的演變過度。新的比特率協(xié)處理器 (BCP) 及 KeyStone 架構(gòu)可為無線基站提供可實(shí)現(xiàn)最高性能的 SoC。集成定點(diǎn)與浮點(diǎn)功能的 C66x 內(nèi)核能夠?yàn)槭袌錾瞎δ茏顝?qiáng)大的 DSP 提供系統(tǒng)所需的靈活性。TI 借助多年來在無線基站基礎(chǔ)局端領(lǐng)域積累的廣博的專業(yè)知識和豐富的系統(tǒng)和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)成就了卓越的設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)界最可靠、最高級的解決方案。在基于協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)的加速功能和在 DSP 內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的靈活處理功能之間，TMS320C6618/6 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了完美的平衡，不僅能夠?yàn)槎鄻踊幕臼袌鰧?shí)現(xiàn)所需的差異化功能，而且還能繼續(xù)幫助備選解決方案實(shí)現(xiàn)巨大的性能改進(jìn)。
如欲了解更多詳情，敬請?jiān)L問 www.ti.com/c66multicore。
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