白皮書
作者：Zhihong Lin
戰(zhàn)略市場營銷經(jīng)理
無線基站基礎(chǔ)設(shè)施
德州儀器

介紹

在隨時隨地連接至任何設(shè)備需求的推動下，無線移動技術(shù)正逐漸成為個人通信及企業(yè)通信的主流。智能手機和平板電腦的風靡，以及從因特網(wǎng)向移動設(shè)備下載視頻量的陡增，不斷刺激著移動數(shù)據(jù)通信以風馳電掣的速度發(fā)展。滿足這種移動通信的爆發(fā)性需求將為新一代移動基礎(chǔ)設(shè)施帶來巨大挑戰(zhàn)，其不但必須要能夠低成本地提供所需容量、覆蓋范圍以及高性能，同時又要顯著降低功耗，達到當前“綠色環(huán)保”的目的。

迄今為止，無線網(wǎng)絡(luò)多為同構(gòu)，主要采用大型宏蜂窩基站。未來的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施將變?yōu)楫悩?gòu)。雖然宏蜂窩將仍然是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的組成部分，但更小的蜂窩也將在基礎(chǔ)設(shè)施中得到普及。最終無線基礎(chǔ)設(shè)施的用戶體驗將更趨云化。這種環(huán)境現(xiàn)已稱為云無線接入網(wǎng)絡(luò)，又稱 C-RAN[1]。

在為全球逾 200 家無線服務(wù)提供商及運營商成功提供宏基站數(shù)字基帶部署的過去20年成功經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，德州儀器 (TI) 百尺竿頭更進一步，推出新一代 KeyStone II 架構(gòu)，為未來異構(gòu)“綠色環(huán)保”無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高度集成的可擴展型低功耗解決方案。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

雖然移動數(shù)據(jù)使用呈指數(shù)級上升，但每用戶平均收入 (ARPU) 并未隨之增長。改善這種狀況的途徑之一是降低運營商成本。在未來異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，小型蜂窩將提高數(shù)據(jù)速率與容量，而較大型的宏蜂窩則將確保廣闊的覆蓋范圍。這種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)要取得成功必須具有低成本優(yōu)勢，幫助運營商在維持或提高盈利能力的同時還可輕松高效地升級網(wǎng)絡(luò)，滿足不斷增長的數(shù)據(jù)通信需求。其它影響運營商利潤的因素還有為適應(yīng)未來技術(shù)演進而進行的可擴展開放平臺的部署，其將有效產(chǎn)生可帶來新收入的業(yè)務(wù)。

運營商實現(xiàn)低成本移動連接的又一途徑是升級現(xiàn)有無線接入技術(shù)，支持更高數(shù)據(jù)率。這可能涉及重新部署頻譜，使用相同遠程射頻頭 (RRH) 及蜂窩站點基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)更高的頻率效率。此外，采用更簡單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與更高的頻譜效率部署 LTE/LTE-A 網(wǎng)絡(luò)，也能為致力于滿足定戶需求的運營商帶來優(yōu)勢。這些變革將要求基礎(chǔ)設(shè)施硬件能夠支持多重 2G/3G/4G 無線接入標準。反之，這也將簡化各代技術(shù)之間的升級。

僅由宏蜂窩構(gòu)成的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)要滿足不斷增長的數(shù)據(jù)吞吐量與廣范覆蓋范圍的需求極具挑戰(zhàn)性。為此，運營商正在考慮混合使用小型蜂窩、蜂窩邊緣繼電器以及宏蜂窩來改善移動網(wǎng)絡(luò)總體性能，如下頁圖 1 所示。如果運營商部署的是能從小型蜂窩輕松擴展至宏蜂窩且易于使用安裝的硬件，則在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中混合使用多種尺寸的蜂窩會非常容易。當然小型蜂窩會增加網(wǎng)絡(luò)中基站的數(shù)量，但它們也有改善基礎(chǔ)設(shè)施整體能源效率的潛力。如果運營商部署的基站設(shè)備可共享一個低功耗高性能的可擴展架構(gòu)，在各種網(wǎng)絡(luò)元素中實現(xiàn)軟硬件設(shè)計的重復(fù)使用，實現(xiàn)上述目標就會更加高效。總之，這些因素有助于運營商在管理資本支出 (CAPEX) 與運營支出 (OPEX) 的同時進行擴容。

此外，基于開放式平臺理念的基站設(shè)備還可為運營商新增能產(chǎn)生新收入流的創(chuàng)新業(yè)務(wù)奠定堅實基礎(chǔ)。因此，該設(shè)備也必須采用能夠使用高級軟件開發(fā)技術(shù)進行編程的高靈活智能硬件，以便為運營商設(shè)備投資實現(xiàn)最大回報。為實現(xiàn)這一目標，方法之一即是為運營商開發(fā)的應(yīng)用在多內(nèi)核片上系統(tǒng) (SoC) 上預(yù)留一個或兩個內(nèi)核。另一種方法則是實施可在開放式平臺上支持高靈活多內(nèi)核編程模型的應(yīng)用。


圖 1：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲

KeyStone II 多內(nèi)核架構(gòu)

TI KeyStone II 高級多內(nèi)核架構(gòu)的創(chuàng)建是為了應(yīng)對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)。作為一款多內(nèi)核架構(gòu)，其可實現(xiàn)支持小型蜂窩至宏蜂窩的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案。KeyStone II 是首款移動基礎(chǔ)設(shè)施處理器，集成四個 ARM® Cortex™-A15 內(nèi)核的群集，與傳統(tǒng)精簡指令集計算 (RISC) 內(nèi)核相比，可在提供高性能的同時功耗銳降 50%。這是未來綠色環(huán)保網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的一大要素。

首先，KeyStone II 將在 TI 即將推出的 28nm 基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)用器件中實施。它具有穩(wěn)健的硬件加速器 (AccelerationPacs)，可為多標準層 1基帶、層2與 層3網(wǎng)絡(luò)及安全功能以及傳輸功能加速。AcclerationPacs 為獨立運行，可最大限度降低 DSP 和ARM 內(nèi)核的工作量，減少時延。KeyStone II 架構(gòu)經(jīng)擴展，可將其支持的 32 個內(nèi)核配置為高速緩存一致性 ARM A15 群集（一個群集四個內(nèi)核）與 TMS320C66x DSP 內(nèi)核的任意組合。另外，KeyStone II 中的多內(nèi)核導(dǎo)航器改進后，支持 1.6 萬個硬件隊列以及 100 萬個描述符，并可為調(diào)度和負載均衡提供基于硬件的集成智能性。增強型共享存儲器控制器交換速率為 2.8Tbps，



圖 2：KeyStone II 片上基站架構(gòu)

可為訪問外部存儲器提供低時延。2.2Tbps TeraNet 交換結(jié)構(gòu)支持順暢的數(shù)據(jù)傳輸，也是 KeyStone II 架構(gòu)的重要組成部分。這些創(chuàng)新技術(shù)綜合在一起，可為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)解決方案提供所有所需的多內(nèi)核功能。上圖 2 即為 KeyStone II 架構(gòu)的功能圖。

TI KeyStone II 架構(gòu)支持多種無線電標準，如 LTE/LTE-A、HSPA+、WCDMA、WiMAX、CMDA 以及 GSM。此外，還支持同步雙模式工作，支持 LTE 和 WCDMA 等的同時執(zhí)行。該架構(gòu)的符號速率無線協(xié)處理器包含 WCDMA 發(fā)送 (TAC) 與接收芯片速率加速 (RAC) 功能。LTE 的符號速率處理由支持 OFDM 處理和頻域均衡的 FFT 協(xié)處理器執(zhí)行。KeyStone II 中包含的比特率無線協(xié)處理器（BCP、TCP3 與 VCP2）是多標準turbo解碼器／編碼器、速率匹配器／速率解匹配器、調(diào)制器／調(diào)制解調(diào)器、交錯器／解交錯器、相關(guān)器與維特比解碼器。這些硬件加速器能夠提供與 100 多個 1GHz DSP 等效的處理能力。有了這樣的處理能力，就能夠在低功耗 SoC 中實現(xiàn)空間與成本差異化的同時，確保低時延處理功能。KeyStone II 的數(shù)字無線AccelerationPac 可加速數(shù)字上／下變頻轉(zhuǎn)換器 (DDUC)、振幅因數(shù)降低 (CFR) 與數(shù)字預(yù)失真 (DPD) 的執(zhí)行，從而可最大限度提高功率放大器 (PA) 的效率，降低系統(tǒng)材料清單 (BOM) 成本與功耗。

除了用于層1無線硬件加速外，AccelerationPacs 還可用于層2、層3和傳輸處理。在無線接口加密與 IPSec 方面，KeyStone 可使安全處理吞吐量速率較前代產(chǎn)品提升 1 倍。KeyStone II 在與 ARM® A15 4 通道 CorePac 相結(jié)合時，能夠在單芯片上實現(xiàn)具有多個網(wǎng)絡(luò) RF 接口的完整基站。KeyStone II 部署了標準 ARM 內(nèi)核，與標準 ARM 內(nèi)核相比，內(nèi)部互聯(lián)帶寬增大 3 倍，數(shù)據(jù)路徑（256 比特）提升 1 倍，時鐘速率提高 1 倍。

KeyStone II 可實施支持大型片上存儲器的智能芯片架構(gòu)，包括每個 C66x DSP 內(nèi)核的專用 L2 存儲器與 ARM 內(nèi)核群集的共享 L2 存儲器。另外，高達 6MB 的存儲器容量可在 DSP 內(nèi)核與 ARM 內(nèi)核之間共享，而其它存儲器則嵌入在 AccelerationPacs 及協(xié)處理器中?？傮w而言，KeyStone II 的片上存儲器可提供高性能應(yīng)用所需的快速訪問與高吞吐量。該片上存儲器支持極低的處理時延，這對實現(xiàn)無線運營商追求的更高質(zhì)量移動用戶體驗至關(guān)重要。

KeyStone II 的最新共享存儲器控制器支持 2.8Tbps 的吞吐量及交換能力，可直接連接至外部 DDR3 存儲器。這不但可降低通常與外部存儲器訪問有關(guān)的時延，而且還可避免將系統(tǒng)數(shù)據(jù)流量傳輸至架構(gòu)的 TeraNet 中央交換架構(gòu)。TeraNet 具有 2.2Tbps 的吞吐量，支持架構(gòu)中各內(nèi)核之間順暢的數(shù)據(jù)流。這意味著各處理單元能在近乎滿負載下運行。由于內(nèi)核不會因等待需要處理的數(shù)據(jù)而處于空閑狀態(tài)，因此不會浪費處理周期。多內(nèi)核導(dǎo)航器改進后，支持 1.6 萬個硬件隊列，可為支持調(diào)度與負載均衡提供 8 個基于硬件的集成可編程單元。在多內(nèi)核導(dǎo)航器的幫助下，可高效部署高級多內(nèi)核編程模型，實現(xiàn)最大的多內(nèi)核效率。此外，這些改進還有助于簡化軟件升級，加速業(yè)務(wù)添加，充分滿足新一代異構(gòu)移動網(wǎng)絡(luò)運營商的需求。

KeyStone II 的輸入／輸出 (I/O) 子系統(tǒng)不但可為支持 KeyStone 架構(gòu)器件的互連提供 100Gbps 的高速超鏈接接口，而且還可幫助設(shè)備制造商針對各種特定需求擴展解決方案。該超鏈接無需更多的復(fù)雜協(xié)議轉(zhuǎn)碼，即可實現(xiàn)芯片間的無縫互連。相鄰器件可通過快速高效的擴展存儲器映射機制輕松進行訪問。另外，可配置為交換機的 6 鏈路天線接口 (AIF2) 不但可連接至遠程射頻頭，而且還可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲的要求提供天線流量的匯聚與分配功能，因而可取消使用高成本外部天線交換機制。與網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器及 ARM 子系統(tǒng)相配合的，是作為 4 端口交換機實施的 4 條外部以太網(wǎng)鏈路，其可提供全功能網(wǎng)絡(luò)處理能力。將這些功能與 KeyStone II 器件集成，無需采用高功耗外部網(wǎng)絡(luò)處理器及以太網(wǎng)交換機。這也可同時降低系統(tǒng) BOM 成本與功耗。




圖 3：KeyStone II 支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

KeyStone II 架構(gòu)中 DSP 內(nèi)核、ARM® 內(nèi)核、AccelerationPacs 以及 I/O 的高靈活配置，可為創(chuàng)建 SoC 器件提供豐富的功能。反過來，這些器件也可提供基站設(shè)備制造商所需的高性能與低成本，充分滿足小型及宏蜂窩基站以及圖 3 所示其它異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)單元的需求。

綠色環(huán)保基站

近期中國移動公布的運營數(shù)據(jù)表明，無線基站消耗的電力中僅有半數(shù)是無線接入網(wǎng)絡(luò) (RAN)基站消耗的，其余一半由空調(diào) ^[2]消耗。由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將主要由大量小型蜂窩基站構(gòu)成，因而運營商將要求這些基站具有節(jié)能性。

KeyStone II 具有低功耗 ARM® A15 RISC 內(nèi)核、C66x DSP 內(nèi)核及 AcclerationPacs，以及眾多高級電源管理功能。例如，每個子系統(tǒng)都有自己的時鐘域與電源域，因此在空閑或者低流量條件下可有效關(guān)閉系統(tǒng)分區(qū)。每個存儲器子系統(tǒng)都有“保持直至接入”(RTA) 功能，可顯著降低存儲器功耗。KeyStone II 的可擴展電源域采用 TI SmartRefl ex™ 技術(shù)，支持動態(tài)電壓及頻率擴展 (DVSF) 功能。這些可實現(xiàn)動態(tài)電壓擴展，在實際輸入電壓最低時，也能實現(xiàn)最高性能。綜合使用這些智能電源技術(shù)，可將 SoC 功耗銳降 50%，為基站設(shè)計刷新電源效率。

基于 KeyStone II 架構(gòu)的多個器件可通過超鏈接連接在一起，組成多內(nèi)核 SoC 庫實現(xiàn)宏基站或云 RAN 目的。為快速適應(yīng)不同的流量及應(yīng)用條件，進而降低靜態(tài)及動態(tài)功耗，庫配置中的多個器件可采用不同的智能電源管理技術(shù)在不同的節(jié)能模式下運行。每個器件都可在工作、待機和休眠等任何工作電源模式下運行。在工作模式下，器件全力運行，所有內(nèi)核、加速器和 I/O 都處于上電狀態(tài)。在待機模式下，內(nèi)核處于空閑狀態(tài)，而大多數(shù)加速器則處

于時鐘禁用狀態(tài)。L2、MSMC 和 DDR3 存儲器以及以太網(wǎng)子系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，以實現(xiàn)高速流量恢復(fù)。從待機模式喚醒的典型時長不超過 25ms。在待機模式下運行可將工作功耗降低近 30%。在休眠模式下，內(nèi)核處于靜態(tài)電源關(guān)閉狀態(tài)，所有 IP 處于電源關(guān)閉或者時鐘門控狀態(tài)，只有 MSMC 處于工作狀態(tài)。由于之前的系統(tǒng)狀態(tài)可以保存在 MSMC 中供快速恢復(fù)，因此從休眠模式喚醒的典型時長不超過 100ms。以休眠模式運行可將工作功耗降低近 50%。圖 4 是運行在不同節(jié)能模式下的 KeyStone II 庫。



圖 4：低流量狀態(tài)下的 KeyStone II 庫節(jié)電模式

結(jié)論

與上一代現(xiàn)場驗證 KeyStone 架構(gòu)相比，KeyStone II 架構(gòu)容量與性能均可提高 1 倍。該款新一代 KeyStone 架構(gòu)具有當前最低成本，可應(yīng)用于未來將主導(dǎo)無線產(chǎn)業(yè)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的每一個網(wǎng)絡(luò)單元。基于 TI SmartRefl ex 電源管理技術(shù)的高級電源性能可實現(xiàn)綠色環(huán)?；荆瑢榇蛟旄】档牡厍颦h(huán)境助一臂之力。KeyStone II 的多內(nèi)核導(dǎo)航器提供高級多內(nèi)核編程范式，不但能夠通過支持高可擴展性與重復(fù)使用性的創(chuàng)新技術(shù)提高開發(fā)效率，而且還可保持對常見多內(nèi)核編程模型的兼容。隨著 KeyStone II 的推出，TI將繼續(xù)印證其一貫的承諾 —— 通過無與倫比的性能與功能集成為基站開發(fā)人員不斷實現(xiàn)創(chuàng)新。

[1] Tom Flanagan，《采用 TI KeyStone 多內(nèi)核架構(gòu)創(chuàng)建云基站》：http://www.ti.com/lit/wp/spry183/spry183.pdf；
[2] 中國移動 C-RAN 白皮書：http://labs.chinamobile.com/report/view_59826。