新型DSP助力基站設(shè)備滿(mǎn)足并超越LTE需求

新型DSP助力基站設(shè)備滿(mǎn)足并超越LTE需求

LTE是3GPP開(kāi)發(fā)的下一代3G UMTS無(wú)線協(xié)議，目的是使蜂窩網(wǎng)絡(luò)成為基于數(shù)據(jù)包的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)。在LTE的各項(xiàng)指標(biāo)中最突出的是更高的下行和上行數(shù)據(jù)速率(分別是100Mbps和50Mbps)及低的數(shù)據(jù)包延時(shí)(不超過(guò)5ms)，而延時(shí)對(duì)無(wú)線VoIP等新業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)越來(lái)越重要。另外，該技術(shù)還必須提供更大的頻譜效率、更大的容量和更低的每比特通信成本。

LTE在實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的過(guò)程中用到的多個(gè)概念將極大地增加該技術(shù)的復(fù)雜性。與其它前沿技術(shù)一樣，這些概念包括了下行和上行方向更復(fù)雜的調(diào)制方案、靈活的信道帶寬以及MIMO架構(gòu)，這種架構(gòu)在某些情況下需要多幅天線。另外，LTE復(fù)雜性的增加將要求基站和手機(jī)具有非常強(qiáng)大、靈活和創(chuàng)新的處理能力。

LTE在下行鏈路方向采用OFDM(正交頻分復(fù)用)調(diào)制方案，上行鏈路則采用OFDM派生出來(lái)的SC-FDMA(單載波頻分多址)方案。上行鏈路采用SC-FDMA是因?yàn)樗墓Ψ判时萇FDM要高，從而能延長(zhǎng)手機(jī)電池的使用時(shí)間。OFDM相當(dāng)復(fù)雜，它采用了2048個(gè)間距為15kHz的子載波。這么多數(shù)量的子載波增強(qiáng)了OFDM的多徑能力，進(jìn)而提高了它的抗干擾能力、頻譜效率和數(shù)據(jù)速率。

下行和上行鏈路方向都具有從1.25MHz到20MHz的可調(diào)帶寬，因而允許LTE使用新的和現(xiàn)有的頻帶。MIMO架構(gòu)有助于LTE通過(guò)多個(gè)信號(hào)路徑取得高的數(shù)據(jù)速率。不過(guò)需要重申的是，為了控制LTE手機(jī)的成本，LTE的下行和上行鏈路所采用的調(diào)制方案稍有不同。如果手機(jī)安裝有多幅天線，那么MIMO具有將數(shù)據(jù)速率提高到100/50Mbps以上的潛能。

以多核DSP裝備LTE基站

為了滿(mǎn)足LTE高度復(fù)雜性要求，TI開(kāi)發(fā)出了帶嵌入式加速器的TCI6487多內(nèi)核DSP。這些加速器能夠滿(mǎn)足基帶處理中采用的各種2G、3G和4G無(wú)線基站標(biāo)準(zhǔn)。TCI6487是業(yè)界首款具有三個(gè)“C64＋DSP內(nèi)核”的多內(nèi)核DSP，可提供高達(dá)3GHz的DSP處理能力，完全能處理諸如MAC和PHY處理等LTE基帶任務(wù)。

為了取得LTE的較高數(shù)據(jù)速率，并確保數(shù)據(jù)包延時(shí)小于5ms，TCI6487采用了Viterbi和Turbo協(xié)處理器(TCP)來(lái)分擔(dān)主DSP內(nèi)核的編碼/解碼負(fù)荷。這些協(xié)處理加速器可以處理LTE正常運(yùn)行所需的許多運(yùn)算密集型編碼功能。具體來(lái)說(shuō)，TCP2作為一個(gè)靈活加速器可支持Turbo解碼；它不僅支持LTE，還支持所有3GPP系列標(biāo)準(zhǔn)。從TCI6487的DSP內(nèi)核卸載Turbo解碼功能可以釋放出更多的處理能力用于MAC和PHY處理，或者有效的處理余量可用來(lái)處理特別高密度的蜂窩基站中更多的用戶(hù)。

如果基站要滿(mǎn)足LTE的更高要求，一定程度的靈活性和重配置能力很重要。例如，在低密度的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，TCI6487可以用作單芯片解決方案，其中一個(gè)內(nèi)核專(zhuān)門(mén)用于MAC處理，其它兩個(gè)執(zhí)行PHY層收發(fā)功能。而有許多用戶(hù)的高密度蜂窩網(wǎng)絡(luò)為了充分發(fā)揮LTE更高數(shù)據(jù)速率的優(yōu)勢(shì)將提出不同的挑戰(zhàn)。在這種情況下，可以采用多個(gè)TCI6487的方案，其中一個(gè)芯片執(zhí)行所有蜂窩的MAC處理，而其它芯片用于處理PHY的收發(fā)任務(wù)。在這種方式下，DSP可以專(zhuān)門(mén)用于LTE下行和上行模式中實(shí)現(xiàn)的OFDM或SC-FDMA調(diào)制方案。

為了利用多內(nèi)核器件固有的靈活性，需要采用多級(jí)片上內(nèi)存架構(gòu)。對(duì)于TCI6487來(lái)說(shuō)，L1內(nèi)存可配置為緩存或標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)器。另外，專(zhuān)用于每個(gè)內(nèi)核的二級(jí)內(nèi)存容量可以有一定的可調(diào)性。總共3MB的L2內(nèi)存可以在三個(gè)內(nèi)核之間平均分配，或者三個(gè)內(nèi)核依次被分配0.5、1和1.5MB。當(dāng)同時(shí)有多個(gè)不同的處理需求發(fā)生時(shí)，這種方法會(huì)影響一個(gè)復(fù)雜LTE部署的效率。例如，一個(gè)正在處理內(nèi)存需求較大的任務(wù)的內(nèi)核可能被分配1.5MB的二級(jí)內(nèi)存。

與LTE的發(fā)展步伐保持一致

為了避免瓶頸，以LTE速率通過(guò)基站傳送數(shù)據(jù)要求非常高速的I/O用于DSP的數(shù)據(jù)輸入輸出。因此，TCI6487上的外設(shè)包含了串行RapidIO(SRIO)接口。SRIO可以將器件的靈活性和可擴(kuò)展性拓展到板級(jí)，從而降低電路板的復(fù)雜度和成本。

這種雙通道SRIO接口上的每個(gè)通道都能達(dá)到每秒1.25、2.5或3.125Mb(Gbps)的數(shù)據(jù)速率。這種SRIO接口可以被配置為兩個(gè)單通道高速專(zhuān)用鏈路，用于連接電路板上的ASIC或FPGA器件，或連接LTE基站背板上的電路板。

在另外一種配置中，SRIO可以用來(lái)互連對(duì)等排列或主從架構(gòu)中的多個(gè)DSP。當(dāng)被配置為芯片間的板載對(duì)等連接時(shí)，這種專(zhuān)用SRIO通道可以消除共享總線過(guò)載時(shí)遇到的瓶頸問(wèn)題。由于LTE能夠傳送大量數(shù)據(jù)，這一特性變得非常重要。SRIO接口的可擴(kuò)展性和靈活性有助于實(shí)現(xiàn)各種架構(gòu)，包括星型、環(huán)形、U形菊花鏈等(見(jiàn)圖1)。

圖1：SRIO支持包含U形菊花鏈在內(nèi)的各種對(duì)等配置。

用于LTE基站上芯片間互連的另外一個(gè)選擇是千兆以太網(wǎng)交換矩陣。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，TCI6487還集成了千兆以太網(wǎng)接口。

天線接口

在速率較慢的3G和3.5G協(xié)議實(shí)現(xiàn)中，DSP可以通過(guò)ASIC或FPGA上的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)連接天線數(shù)據(jù)流。但4G LTE規(guī)范中的較高傳送速度和較低包延時(shí)需要下一代天線解決方案。幸運(yùn)的是，至少有兩種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的天線接口能夠滿(mǎn)足LTE的速度要求，包括通用公共無(wú)線接口(CPRI0)和開(kāi)放基站架構(gòu)組織(OBSAI)接口。CPRI的鏈路速率從614.4Mbps到2.4Gbps；OBSAI的速率范圍從768Mbps到3.07Gbps。由于CPRI和OBSAI的高數(shù)據(jù)速率，LTE天線數(shù)據(jù)流可以被直接路由到基帶處理器，從而無(wú)需使用通常用來(lái)連接天線數(shù)據(jù)和DSP的ASIC或FPGA(見(jiàn)圖2)。

圖2：基本的3G或3.5G天線架構(gòu)。

TI的TCI6487芯片集成了一個(gè)六通道天線接口，是首個(gè)可以同時(shí)支持CPRI和OBSAI標(biāo)準(zhǔn)的DSP。另外，這個(gè)六通道OBSAI/CPRI天線接口可以用來(lái)在電路板上配置出許多架構(gòu)，如星形、環(huán)形、U形菊花鏈、標(biāo)準(zhǔn)菊花鏈等(見(jiàn)圖3)。每條天線接口鏈路都能支持上行或下行鏈路模式，最多可支持48條上行鏈路和24條下行鏈路數(shù)據(jù)流。

圖3：基于CPRI或OBSAI的最新天線架構(gòu)允許直接連接背板。

軟件環(huán)境

一些基礎(chǔ)架構(gòu)OEM商正在使用多個(gè)TCI6487多內(nèi)核DSP器件開(kāi)發(fā)靈活的多標(biāo)準(zhǔn)基帶卡。這種平臺(tái)允許靈活的實(shí)現(xiàn)，這對(duì)實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用的原始LTE平臺(tái)來(lái)說(shuō)非常重要?；A(chǔ)架構(gòu)供應(yīng)商喜歡主張多標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，因?yàn)槭褂脝蝹€(gè)硬件平臺(tái)支持多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可減少研發(fā)投資，并能加快上市速度。一些基礎(chǔ)架構(gòu)供應(yīng)商正在使用TCI6487多內(nèi)核DSP開(kāi)發(fā)能夠支持WCDMA-HSPA和LTE的平臺(tái)，也有供應(yīng)商正在開(kāi)發(fā)能夠支持WiMAX和LTE的平臺(tái)。

有一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)并經(jīng)完整測(cè)試過(guò)的LTE軟件模塊庫(kù)支持TCI6487 DSP，這將縮短新的基站上市時(shí)間。所有LTE的PHY功能，包括調(diào)制映射、擾碼、信道均衡、RACH處理等，都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化開(kāi)發(fā)，并可作為庫(kù)模塊使用。

此外，其與TI前代無(wú)線基礎(chǔ)架構(gòu)DSP的兼容性意味著3G和3.5G WCDMA協(xié)議中的許多公共功能可以被無(wú)縫移植到LTE應(yīng)用。而用于TI公司前代DSP的軟件開(kāi)發(fā)工具，如Code Composer Studio，也可用于TCI6487芯片，從而為開(kāi)發(fā)人員提供了熟悉且高效的軟件開(kāi)發(fā)工具套件。

TI公司第三方供應(yīng)商Virtual Logix提供的Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境的加盟進(jìn)一步簡(jiǎn)化了TCI6487的編程。Virtual Logix公司的與DSP/BIOS一起運(yùn)行的Linux內(nèi)核提供了一個(gè)高效的環(huán)境，可用于快速開(kāi)發(fā)MAC和PHY編程算法以及LTE使用的其它軟件模塊。還有第三方供應(yīng)商提供的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，如CommAgility公司包含三個(gè)TCI6487的AMC-6487平臺(tái)，也可用于推進(jìn)開(kāi)發(fā)速度。

降低功耗

功耗是無(wú)線基站需要考慮的一個(gè)基本因素。較高的功耗將增加服務(wù)提供商的運(yùn)營(yíng)成本。不滿(mǎn)足基站功耗條件就無(wú)法滿(mǎn)足LTE降低每比特通信成本的要求。

因此與每個(gè)DSP都有屬于自己的外設(shè)接口的分立DSP相比，多內(nèi)核DSP TCI6487可以顯著節(jié)省功耗。通過(guò)將多個(gè)I/O接口與三個(gè)DSP內(nèi)核整合到一個(gè)芯片上，多內(nèi)核DSP可以節(jié)省外設(shè)接口消耗的功率，因?yàn)檫@些接口可以被一個(gè)以上的DSP內(nèi)核共享。

另外，TCI6487器件中還實(shí)現(xiàn)了TI的SmartReflex節(jié)能技術(shù)。除了傳統(tǒng)的節(jié)能方法，如電源開(kāi)關(guān)、隔離和電壓轉(zhuǎn)移等通過(guò)顆粒技術(shù)劃分器件的電源域外，SmartReflex技術(shù)還允許設(shè)計(jì)師同時(shí)降低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗，同時(shí)仍滿(mǎn)足LTE的性能要求。SmartReflex技術(shù)會(huì)根據(jù)制造工藝和熱參數(shù)考慮諸如特殊器件硅片特性等因素。這種做法能有效地降低DSP的功率，同時(shí)保持TCI6487的1GHz性能目標(biāo)。根據(jù)使用的算法，TCI6487能成為功效特別高的DSP，其功耗可限制在6W以?xún)?nèi)。這么低的功率特性允許在單個(gè)卡上使用6到8個(gè)器件而不致于突破功率預(yù)算。這種配置支持基礎(chǔ)架構(gòu)供應(yīng)商的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，即在單塊硬件卡上支持3個(gè)扇區(qū)(或蜂窩)的LTE基帶處理。