采用TI多標準基站SoC實現性能、效率與差異化的全面提升

介紹
隨著消費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，當今的移動因特網需要連接越來越多的用戶，從而要求移動網絡實現顯著的容量增長。長期演進 (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。不斷演進的 LTE-Advanced (LTE-A) 能夠可實現具有更高帶寬、更強吞吐能力與更高級天線技術的異構網絡。同時，WCDMA 標準也在不斷演進發(fā)展，具有更高的帶寬以及更強大的吞吐能力。毋庸置疑，市場需要推出多標準基站。其結果是，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 及其它原有標準。作為當今無線基站部署所采用無線基站 SoC 的領先供應商，德州儀器 (TI) 在該市場領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“學習周期”體驗和我們最新開發(fā)的無線基站 SoC —— TMS320CTCI6616和TMS320CTCI6618。

自無線網絡誕生以來，其數據吞吐能力已實現快速增長。對營運商來說，最終的衡量標準是頻譜每赫茲承載的比特數，以及實現特定吞吐能力所需的相關成本及功耗。一直以來，在無線標準升級的每一個轉折點，TI 都無一不為基站設備帶來價值與創(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 余年的豐富經驗建立在成功的部署周期之上，主要體現在在以下方面積累的豐富知識：
1.TI 在最新的半導體工藝技術節(jié)點上成功推出眾多器件，不僅能夠實現顯著的性能提升，同時還能大幅降低成本及功耗；
2.TI 在 DSP 技術領域擁有穩(wěn)固的領先地位。毋庸置疑，無線基站需要為全球無線標準的傳輸與接收提供充分的數字信號處理能力。TI 擁有強大的實力，能夠利用其行業(yè)領先的半導體工藝技術持續(xù)推出數字處理性能不斷飛速發(fā)展的未來產品。各種優(yōu)勢全面結合，即能為市場推出高性價比的解決方案；
3.TI 始終致力于改進其高性能多內核 SoC。雖然無線基站的大多數功能都能夠由 DSP 執(zhí)行，但 DSP 最為擅長的則是與目標加速器相結合來實現各種優(yōu)化目標，其中包括實現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)界領先 DSP 相結合以減輕無線標準的處理方面，TI 極為成功，能夠以極低的成本與低功耗實現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移到可配置硬件加速模塊中時，有若干關鍵問題需要考慮，其中包括：

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1.無線信號鏈的哪些部分發(fā)生重大變化的可能性最小，而且哪些應基于成熟的標準之上？
2.在候選功能中，設備制造商能否添加其自己的知識產權 (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度（如果在 DSP 的軟件中實施時，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.為確保全面的多內核能力與峰值加速器性能，需要何種類型的 SoC 基礎局端？

要解決上述的第一個問題，需要確保無線處理標準的這些部分（無論仍處于開發(fā)中還是處于實驗階段）都將由 DSP 負責處理，這樣營運商或 OEM 廠商才能實現解決方案的差異化。在對各種信號鏈功能及使用模型的 MIPS 要求進行分析后，就可以確定哪些功能應被移入硬件加速器，從而在降低成本和加快投產進度方面獲得顯著優(yōu)勢。

除了各種基于硬件的加速器外，TI 還創(chuàng)建了一種可確保實現高效率零復制數據流的創(chuàng)新型 KeyStone 架構，從而能夠在內核、加速器以及外設之間實現非阻塞的系統(tǒng)互連。此外，該架構還能確保協(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，以最大限度地實現所有內核的最佳利用，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)化的機會
確定新基站 SoC 設計方法的第一步，是考慮新一代基站的預期性能要求并理解其對SoC 設計的影響。

TCI6618 具備一系列針對新一代基站的用例目標參數。由于 TI TCI6488 是目前應用于基站的領先 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
數據率：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行高強度的信號處理。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
采用 TI 多標準基站 SoC 實現性能、效率與差異化的全面提升 2011 年 2 月

上行通道： 3
PUSCH：物理上行共享通道
PUCCH：物理上行控制通道
PRACH：物理隨機訪問通道

對于每個數據和控制通道而言，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，通過計算循環(huán)冗余校驗 (CRC) 并將其附加給傳輸模塊來啟動處理進程。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。在進行通道編碼前，要進行新的 CRC 計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據。
比特率處理 —— 為在 L2 內實現進一步處理而進行的通道解調、解多路復用、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 4
TCI6487/8 是 TI 最新系列的多內核 SoC，由三個 C64x+TM CPU 內核構成。采用這種 SoC 的運營商已有數百家，年出貨量數百萬片。通過分析 TCI6488 的 LTE 性能，可以深入了解如何構建新一代的高性能 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 的周期占用數及分布。

圖 3 － TCI6488 上的 LTE 物理層處理

從圖上可以明顯看出，FFT/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。