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(jī)和平板電腦的風(fēng)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(fēng)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(dá)到當(dāng)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(yùn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)高度集成的可擴(kuò)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(yùn)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(yùn)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(yùn)營商利潤的因素還有為適應(yīng)未來技術(shù)演進(jìn)而進(jìn)行的可擴(kuò)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(yùn)營商實(shí)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(yuǎn)程射頻頭 (RRH) 及蜂窩站點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)。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(yùn)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(yùn)營商部署的是能從小型蜂窩輕松擴(kuò)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(dāng)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(yùn)營商部署的基站設(shè)備可共享一個低功耗高性能的可擴(kuò)展架構(gòu)，在各種網(wǎng)絡(luò)元素中實(shí)現(xiàn)軟硬件設(shè)計的重復(fù)使用，實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)就會更加高效?？傊@些因素有助于運(yùn)營商在管理資本支出 (CAPEX) 與運(yùn)營支出 (OPEX) 的同時進(jìn)行擴(kuò)容。

此外，基于開放式平臺理念的基站設(shè)備還可為運(yùn)營商新增能產(chǎn)生新收入流的創(chuàng)新業(yè)務(wù)奠定堅實(shí)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(jìn)行編程的高靈活智能硬件，以便為運(yùn)營商設(shè)備投資實(shí)現(xiàn)最大回報。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，方法之一即是為運(yùn)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(shí)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?fù)?br />
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(shí)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(shí)施。它具有穩(wěn)健的硬件加速器 (AccelerationPacs)，可為多標(biāo)準(zhǔn)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(dú)立運(yùn)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(kuò)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(jìn)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(fù)載均衡提供基于硬件的集成智能性。增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)現(xiàn)具有多個網(wǎng)絡(luò) RF 接口的完整基站。KeyStone II 部署了標(biāo)準(zhǔn) ARM 內(nèi)核，與標(biāo)準(zhǔn) 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(shí)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(dá) 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。總體而言，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(shí)現(xiàn)無線運(yùn)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(fù)載下運(yùn)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(fèi)處理周期。多內(nèi)核導(dǎo)航器改進(jìn)后，支持 1.6 萬個硬件隊列，可為支持調(diào)度與負(fù)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(shí)現(xiàn)最大的多內(nèi)核效率。此外，這些改進(jìn)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(yùn)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(kuò)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(shí)現(xiàn)芯片間的無縫互連。相鄰器件可通過快速高效的擴(kuò)展存儲器映射機(jī)制輕松進(jìn)行訪問。另外，可配置為交換機(jī)的 6 鏈路天線接口 (AIF2) 不但可連接至遠(yuǎn)程射頻頭，而且還可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊筇峁┨炀€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(jī)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(jī)實(shí)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(jī)。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(yùn)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(yùn)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(kuò)展電源域采用 TI SmartRefl ex™ 技術(shù)，支持動態(tài)電壓及頻率擴(kuò)展 (DVSF) 功能。這些可實(shí)現(xiàn)動態(tài)電壓擴(kuò)展，在實(shí)際輸入電壓最低時，也能實(shí)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(shí)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(jìn)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(yùn)行。每個器件都可在工作、待機(jī)和休眠等任何工作電源模式下運(yùn)行。在工作模式下，器件全力運(yùn)行，所有內(nèi)核、加速器和 I/O 都處于上電狀態(tài)。在待機(jī)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(shí)現(xiàn)高速流量恢復(fù)。從待機(jī)模式喚醒的典型時長不超過 25ms。在待機(jī)模式下運(yùn)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(yùn)行可將工作功耗降低近 50%。圖 4 是運(yùn)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(dāng)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?；?TI SmartRefl ex 電源管理技術(shù)的高級電源性能可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保基站，將為打造更健康的地球環(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(kuò)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(shí)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。