本文介紹如何運(yùn)用較新DSP構(gòu)建滿足LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）要求的基站

作者：Manish Patel，德州儀器

作為無(wú)線通信行業(yè)今后幾年內(nèi)將逐步推出的 4G 解決方案之一，LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）提出了一系列宏偉的目標(biāo)。這些目標(biāo)為技術(shù)供應(yīng)商、設(shè)備制造商以及服務(wù)供應(yīng)商提出了眾多艱巨的挑戰(zhàn)。

LTE是3G通用移動(dòng)通信系統(tǒng) (UMTS) 的新一代無(wú)線協(xié)議，經(jīng)由第三代合作伙伴計(jì)劃 (3GPP) 開(kāi)發(fā)，目標(biāo)是將蜂窩式發(fā)展成為基于數(shù)據(jù)包的全I(xiàn)P（因特網(wǎng)協(xié)議）網(wǎng)絡(luò)。在 LTE的眾多目標(biāo)中，有分別為100與50兆位每秒 (Mbps) 的高速上行與下行數(shù)據(jù)速率，以及不超過(guò)5毫秒 (ms) 的低數(shù)據(jù)包延時(shí)。對(duì)無(wú)線IP語(yǔ)音 (VoIP) 等新型業(yè)務(wù)而言，后者的重要性正在不斷提升。此外，這項(xiàng)技術(shù)必須具有更高的頻譜效率和通信容量，以及更低的每位通信成本。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，LTE 采用了多種概念以顯著提升技術(shù)復(fù)雜性。除其它先進(jìn)技術(shù)以外，特別值得一提的是更為復(fù)雜的上行與下行的調(diào)制方案，高靈活通道帶寬，以及某些情況下需要采用多個(gè)天線的多輸入多輸出 (MIMO) 架構(gòu)。較后，LTE提高的復(fù)雜性要求基站與手機(jī)具有極其強(qiáng)大、靈活和創(chuàng)新的處理性能。

LTE 的下行鏈路執(zhí)行正交頻分復(fù)用 (OFDM) 調(diào)制方案，其上行鏈路執(zhí)行OFDM 的衍生方案以及單載波頻分復(fù)用 (SC-FDMA)。上行鏈路采用SC-FDMA的原因是其功率放大器的效率高于OFDM，可延長(zhǎng)手機(jī)電池的使用壽命。OFDM相當(dāng)復(fù)雜，由2048 個(gè)間隔 15KHz的子載波組成。為數(shù)眾多的子載波可增強(qiáng)OFDM多路徑功能，強(qiáng)化抗干擾能力，改善頻譜利用效率，并提高數(shù)據(jù)傳輸率。

上行與下行鏈路均可從1.25MHz擴(kuò)展到20MHz的可擴(kuò)展帶寬，使LTE既可利用新頻段，也可利用現(xiàn)有頻段。MIMO架構(gòu)則可通過(guò)多信號(hào)路徑實(shí)現(xiàn)LTE的高數(shù)據(jù)速率。LTE 的上行與下行調(diào)制方案略有不同的原因是為了控制LTE手機(jī)成本。如果手機(jī)使用多個(gè)天線，MIMO有可能實(shí)現(xiàn)超100/50 Mbps的數(shù)據(jù)速率。

滿足 LTE 基站設(shè)備要求

為解決LTE高度的復(fù)雜性，德州儀器開(kāi)發(fā)了具有嵌入式加速器的TCI6487多內(nèi)核 DSP，可充分滿足適用于基帶處理的2G、3G以及4G無(wú)線基站標(biāo)準(zhǔn)的要求。TCI6487是業(yè)界首款具有三個(gè)“C64+ DSP內(nèi)核”的多內(nèi)核數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，總處理能力可達(dá)3GHz，能滿足MAC與PHY處理等LTE基帶任務(wù)的要求。

為滿足LTE高數(shù)據(jù)傳輸率要求并確保數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間不超過(guò)5ms，該器件內(nèi)置了Viterbi與 Turbo協(xié)處理器 (TCP)，從而將主DSP內(nèi)核中編碼／解碼任務(wù)分擔(dān)了出來(lái)。這兩個(gè)協(xié)處理加速器可處理 LTE 處理過(guò)程中所需的大量數(shù)學(xué)密集型編碼函數(shù)。作為高度靈活的加速器，TCP2是專門(mén)針對(duì)支持Turbo解碼而開(kāi)發(fā)，不僅支持LTE，而且還可支持所有3GPP標(biāo)準(zhǔn)。該產(chǎn)品從TCI6487的DSP內(nèi)核將Turbo解碼任務(wù)分擔(dān)出來(lái)，釋放更多處理容量以充分滿足MAC與PHY處理需求。或者，可將這部分處理空間用于處理基站的更多用戶，特別是滿足高密度蜂窩需求。

對(duì)于基站而言，要滿足 LTE 的更高要求，必須具備一定的靈活性與再配置能力。例如，在低密度蜂窩中，可通過(guò)使一個(gè)內(nèi)核專用于MAC處理，另兩個(gè)內(nèi)核執(zhí)行PHY層的發(fā)送與接收功能， TCI6487可被當(dāng)作單芯片解決方案使用。而對(duì)于高密度蜂窩，眾多用戶都在充分利用LTE的更高數(shù)據(jù)速率優(yōu)勢(shì)，這又提出了另一種技術(shù)難題。該情況下可部署多個(gè) TCI6487，其中一個(gè)芯片用于該蜂窩的所有MAC處理，其它芯片則用于PHY發(fā)送與接收。這樣，就可將DSP專用于在LTE下行與上行模式中執(zhí)行的OFDM或SC-FDMA調(diào)制方案。

要充分利用多核DSP自身的高靈活性，需采用多級(jí)片上存儲(chǔ)器架構(gòu)。利用TCI6487，可將一級(jí)存儲(chǔ)器 (L1) 配置為高速緩存或者標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。此外，專用于每個(gè)內(nèi)核的L2存儲(chǔ)量還可實(shí)現(xiàn)部分?jǐn)U展。L2存儲(chǔ)器3 MB的總?cè)萘靠善骄�分給三個(gè)內(nèi)核，或者每個(gè)按 0.5 MB、1 MB 與 1.5 MB 的比例進(jìn)行分配。對(duì)于需要同時(shí)處理多個(gè)不同任務(wù)的復(fù)雜LTE部署而言，后一種方式可提升效率。例如，用于處理存儲(chǔ)器密集型任務(wù)的內(nèi)核可以配置為1.5 MB的L2存儲(chǔ)器

與 LTE 保持同步

通過(guò)基站以LTE速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，需要以極高速度的I/O向DSP輸入輸出數(shù)據(jù)，從而可避免出現(xiàn)瓶頸。因此，TCI6487采用的外設(shè)包括了Serial Rapid I/O (SRIO) 接口。SRIO可將該器件的靈活性與可擴(kuò)展性提高到電路板級(jí)別，并可降低電路板的復(fù)雜性與成本。

雙通道SRIO接口的每個(gè)通道均可實(shí)現(xiàn)每秒1.25、2.5 或 3.125 Gb的數(shù)據(jù)傳輸速率。在LTE基站背板上，可將其配置為兩個(gè)單通道高速專用鏈路，用于電路板上ASIC或者FPGA等器件或者電路板之間的連接。

在另一種配置中，SRIO能夠與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)排列或主／從架構(gòu)中的多個(gè)DSP進(jìn)行互連。作為芯片間的板載點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連時(shí)，專用SRIO通道可消除共享總線過(guò)載造成的瓶頸問(wèn)題。使用LTE可傳輸大量數(shù)據(jù)的功能日趨重要。SRIO接口的可擴(kuò)展性與高靈活性可實(shí)現(xiàn)各種類型的架構(gòu)，其中包括星形、環(huán)形、U 形菊花鏈等等等。

圖 1. SRIO 可支持各種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配置，包括 U 型菊花鏈

另一種進(jìn)行LTE基站卡上芯片間互聯(lián)的方式是千兆以太網(wǎng)交換機(jī)架構(gòu)。此外，為支持這種方式，TCI6487還整合了千兆以太網(wǎng)接口。

天線接口

在速度較慢的3G與3.5G協(xié)議下，DSP可通過(guò)ASIC或FPGA上的外部存儲(chǔ)器接口 (EMIF) 與天線的數(shù)據(jù)流連接。而4G LTE規(guī)范的更高傳輸速度與更低數(shù)據(jù)包延時(shí)則需要新一代天線解決方案。幸運(yùn)的是，至少有通用公共射頻接口 (CPRI) 與開(kāi)放式基站架構(gòu)同盟 (OBSAI) 接口這兩種天線接口可滿足LTE對(duì)速度的要求。CPRI的鏈路速率較低為614.4 Mbps，較高可達(dá)2.4 Gbps。OBSAI支持的速率范圍在768 Mbps至3.07 Gbps之間。由于CPRI與OBSAI的高數(shù)據(jù)速率，LTE天線數(shù)據(jù)流可直接導(dǎo)入基帶處理器，從而可取消通常將天線數(shù)據(jù)與DSP相連ASIC或者FPGA（圖2）。

圖 2. 基本 3G 或 3.5G 天線架構(gòu)

TI TCI6487芯片具有六通道天線接口，是首款可同時(shí)支持CPRI與OBSAI標(biāo)準(zhǔn)的 DSP。此外，該六通道OBSAI/CPRI天線接口還可在一塊電路板上配置多種架構(gòu)，如星形、環(huán)形、U 形菊花鏈、標(biāo)準(zhǔn)菊花鏈以及其它形狀（圖 3）。每個(gè)天線接口的鏈路均可支持上行鏈路或者下行鏈路模式，較多可支持48條上行鏈路與24條下行鏈路數(shù)據(jù)流。

圖 3. 基于 CPRI 或 OBSAI 的全新天線架構(gòu)能夠與背板直接連接

軟件環(huán)境縮短產(chǎn)品上市時(shí)間

基礎(chǔ)局端OEM廠商正在開(kāi)發(fā)使用TCI6487多內(nèi)核DSP器件陣列的多標(biāo)準(zhǔn)、高靈活基帶卡。這樣的平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)靈活執(zhí)行，特別適用于實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶒?yàn)場(chǎng)的初期LTE平臺(tái)。基礎(chǔ)局端廠商傾向于開(kāi)發(fā)多標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，因?yàn)榉�合多�?biāo)準(zhǔn)的單硬件平臺(tái)可降低研發(fā)投入并加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。一部分基礎(chǔ)局端廠家使用TCI6487多內(nèi)核DSP，開(kāi)發(fā)可同時(shí)支持WCDMA-HSPA與LTE的平臺(tái)；而另一部分則使用它開(kāi)發(fā)可同時(shí)支持WiMAX與LTE 的平臺(tái)。

已經(jīng)完全通過(guò)測(cè)試、隨時(shí)可執(zhí)行的LTE軟件模塊庫(kù)可支持TCI6487 DSP，并可加速新基站的上市進(jìn)程。LTE PHY包括調(diào)制映射、解擾、通道均衡、RACH 處理等所有功能均已產(chǎn)品化，并以庫(kù)模塊的方式提供。

此外，該產(chǎn)品可與TI前代無(wú)線基礎(chǔ)局端DSP相兼容，這就意味著3G與3.5G WCDMA協(xié)議的常用功能可無(wú)縫升級(jí)到LTE應(yīng)用。TCI6487芯片上也具備Code Composer Studio等TI前代DSP使用的軟件開(kāi)發(fā)工具，從而可為開(kāi)發(fā)人員提供熟悉而高效的軟件開(kāi)發(fā)工具集。

TI第三方軟件供應(yīng)商Virtual Logix提供的基于Linux的開(kāi)發(fā)環(huán)境可簡(jiǎn)化TCI6487的編程工作。Virtual Logix Linux內(nèi)核能夠與DSP/BIOS并行運(yùn)行，可為快速開(kāi)發(fā)MAC與PHY編程算法以及其它LTE軟件模塊提供一個(gè)高效環(huán)境。此外，同樣由第三方合作伙伴提供的CommAgility AMC-6487平臺(tái)等硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有三個(gè)TCI6487，有助于加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

降低功耗

功耗一直是無(wú)線基站要考慮的問(wèn)題。功耗越大，服務(wù)供應(yīng)商的運(yùn)營(yíng)成本就越高。如果不解決基站的功耗問(wèn)題，LTE降低單位比特通信成本的目標(biāo)就難以實(shí)現(xiàn)。

由于TCI6487芯片是多內(nèi)核 DSP，與每一塊芯片本身都擁有眾多外設(shè)接口的分立式DSP相比，前者可大幅降低功耗。將多個(gè)I/O接口集中到一塊具有三個(gè)內(nèi)核的芯片上可降低外設(shè)接口的功耗，因?yàn)樗麄冇啥鄠�(gè)DSP內(nèi)核共享。

此外，TCI6487還采用了TI的SmartReflex節(jié)電技術(shù)。除了運(yùn)用電源開(kāi)關(guān)、隔離以及電壓漂移等傳統(tǒng)節(jié)電技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件電源區(qū)域的精細(xì)粒度方案，SmartReflex技術(shù)還可使設(shè)計(jì)人員在滿足LTE性能要求的同時(shí)，降低靜態(tài)與動(dòng)態(tài)功耗。Smart Reflex技術(shù)需要根據(jù)芯片的制造工藝與熱參數(shù)來(lái)考慮器件特定硅芯片特性等因素。這樣，既可有效降低DSP功耗，又可維持TCI6487 1GHz的性能目標(biāo)。根據(jù)所使用的算法，這種方法可使 TCI6487工作在極低功耗下，較大功耗不超過(guò)6W。該低功耗特性可在不突破功耗預(yù)算的情況下，在同一板卡上使用6至8個(gè)器件。該配置可幫助基礎(chǔ)局端廠商實(shí)現(xiàn)一個(gè)重要目標(biāo)：即在同一硬件卡上支持 LTE 基帶處理的三個(gè)部分（或蜂窩）。

滿足并超越目標(biāo)

毋庸置疑，LTE與其它4G無(wú)線解決方案的高數(shù)據(jù)速率將為眾多新的無(wú)線應(yīng)用與服務(wù)開(kāi)啟大門(mén)。然而達(dá)到并超越LTE系統(tǒng)的高性能與高復(fù)雜性的要求也絕非易事，但是TI等技術(shù)供應(yīng)商為實(shí)現(xiàn)這種強(qiáng)大的新一代無(wú)線基礎(chǔ)局端正在有條不紊地進(jìn)行相關(guān)工作。

關(guān)于作者

Manish 于 2003 年 11 月加入 TI，目前在 DSP 系統(tǒng)部下屬的通信基礎(chǔ)局端業(yè)務(wù)部任產(chǎn)品經(jīng)理。Manish 在無(wú)線產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域擁有長(zhǎng)達(dá) 17 年的豐富經(jīng)驗(yàn)，從事過(guò)移動(dòng)終端／PDA、WiMAX 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、客戶端設(shè)備 (CPE) 器件、無(wú)繩電話、WLAN 設(shè)備以及基帶 DSP 芯片產(chǎn)品的