采用TI多標(biāo)準(zhǔn)基站SoC實(shí)現(xiàn)性能、效率與差異化的全面提升

介紹
隨著消費(fèi)者對(duì)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(dāng)今的移動(dòng)因特網(wǎng)需要連接越來越多的用戶，從而要求移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)顯著的容量增長。長期演進(jìn) (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(jìn)的 LTE-Advanced (LTE-A) 能夠可實(shí)現(xiàn)具有更高帶寬、更強(qiáng)吞吐能力與更高級(jí)天線技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，WCDMA 標(biāo)準(zhǔn)也在不斷演進(jìn)發(fā)展，具有更高的帶寬以及更強(qiáng)大的吞吐能力。毋庸置疑，市場需要推出多標(biāo)準(zhǔn)基站。其結(jié)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(shí)支持WCDMA 及其它原有標(biāo)準(zhǔn)。作為當(dāng)今無線基站部署所采用無線基站 SoC 的領(lǐng)先供應(yīng)商，德州儀器 (TI) 在該市場領(lǐng)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(xué)習(xí)周期”體驗(yàn)和我們最新開發(fā)的無線基站 SoC —— TMS320CTCI6616和TMS320CTCI6618。

自無線網(wǎng)絡(luò)誕生以來，其數(shù)據(jù)吞吐能力已實(shí)現(xiàn)快速增長。對(duì)營運(yùn)商來說，最終的衡量標(biāo)準(zhǔn)是頻譜每赫茲承載的比特?cái)?shù)，以及實(shí)現(xiàn)特定吞吐能力所需的相關(guān)成本及功耗。一直以來，在無線標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)的每一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，TI 都無一不為基站設(shè)備帶來價(jià)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(jīng)驗(yàn)建立在成功的部署周期之上，主要體現(xiàn)在在以下方面積累的豐富知識(shí)：
1.TI 在最新的半導(dǎo)體工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)上成功推出眾多器件，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的性能提升，同時(shí)還能大幅降低成本及功耗；
2.TI 在 DSP 技術(shù)領(lǐng)域擁有穩(wěn)固的領(lǐng)先地位。毋庸置疑，無線基站需要為全球無線標(biāo)準(zhǔn)的傳輸與接收提供充分的數(shù)字信號(hào)處理能力。TI 擁有強(qiáng)大的實(shí)力，能夠利用其行業(yè)領(lǐng)先的半導(dǎo)體工藝技術(shù)持續(xù)推出數(shù)字處理性能不斷飛速發(fā)展的未來產(chǎn)品。各種優(yōu)勢全面結(jié)合，即能為市場推出高性價(jià)比的解決方案；
3.TI 始終致力于改進(jìn)其高性能多內(nèi)核 SoC。雖然無線基站的大多數(shù)功能都能夠由 DSP 執(zhí)行，但 DSP 最為擅長的則是與目標(biāo)加速器相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)各種優(yōu)化目標(biāo)，其中包括實(shí)現(xiàn)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(lǐng)先 DSP 相結(jié)合以減輕無線標(biāo)準(zhǔn)的處理方面，TI 極為成功，能夠以極低的成本與低功耗實(shí)現(xiàn)前所未有的吞吐能力。

TI 基站創(chuàng)新的第三個(gè)主要部分是本文的重點(diǎn)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(hào)處理鏈上的哪些部分轉(zhuǎn)移到可配置硬件加速模塊中時(shí)，有若干關(guān)鍵問題需要考慮，其中包括：

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1.無線信號(hào)鏈的哪些部分發(fā)生重大變化的可能性最小，而且哪些應(yīng)基于成熟的標(biāo)準(zhǔn)之上？
2.在候選功能中，設(shè)備制造商能否添加其自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP)，以提供高級(jí)功能與差異化？
3.無線信號(hào)鏈上的哪個(gè)部分具有最高的處理強(qiáng)度（如果在 DSP 的軟件中實(shí)施時(shí)，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(nèi)核能力與峰值加速器性能，需要何種類型的 SoC 基礎(chǔ)局端？

要解決上述的第一個(gè)問題，需要確保無線處理標(biāo)準(zhǔn)的這些部分（無論仍處于開發(fā)中還是處于實(shí)驗(yàn)階段）都將由 DSP 負(fù)責(zé)處理，這樣營運(yùn)商或 OEM 廠商才能實(shí)現(xiàn)解決方案的差異化。在對(duì)各種信號(hào)鏈功能及使用模型的 MIPS 要求進(jìn)行分析后，就可以確定哪些功能應(yīng)被移入硬件加速器，從而在降低成本和加快投產(chǎn)進(jìn)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(shí)現(xiàn)高效率零復(fù)制數(shù)據(jù)流的創(chuàng)新型 KeyStone 架構(gòu)，從而能夠在內(nèi)核、加速器以及外設(shè)之間實(shí)現(xiàn)非阻塞的系統(tǒng)互連。此外，該架構(gòu)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(shù)，以最大限度地實(shí)現(xiàn)所有內(nèi)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(jī)會(huì)
確定新基站 SoC 設(shè)計(jì)方法的第一步，是考慮新一代基站的預(yù)期性能要求并理解其對(duì)SoC 設(shè)計(jì)的影響。

TCI6618 具備一系列針對(duì)新一代基站的用例目標(biāo)參數(shù)。由于 TI TCI6488 是目前應(yīng)用于基站的領(lǐng)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(shù)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(shù)據(jù)率：150 Mbps 下行，75 Mbps 上行

LTE 物理層概覽
LTE 物理層需要對(duì)每個(gè)物理層通道進(jìn)行高強(qiáng)度的信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)基站 SoC 實(shí)現(xiàn)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(jī)訪問通道

對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)和控制通道而言，可將物理層處理分為兩個(gè)主要的功能模塊：比特率與 IQ 采樣處理。

圖 1 顯示的 PDSCH 信號(hào)鏈由如下方面構(gòu)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(zhuǎn)換為 OFDM 符號(hào)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(jì)算循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 并將其附加給傳輸模塊來啟動(dòng)處理進(jìn)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(jìn)行通道編碼前，要進(jìn)行新的 CRC 計(jì)算并將其附著于每個(gè)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(hào)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(hào)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(gè)天線分離用戶數(shù)據(jù)。
比特率處理 —— 為在 L2 內(nèi)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步處理而進(jìn)行的通道解調(diào)、解多路復(fù)用、錯(cuò)誤校正與解碼。

圖 2 所示為 PUSCH 的信號(hào)處理鏈：

圖2 － PUSCH 信號(hào)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(nèi)核 SoC，由三個(gè) C64x+TM CPU 內(nèi)核構(gòu)成。采用這種 SoC 的運(yùn)營商已有數(shù)百家，年出貨量數(shù)百萬片。通過分析 TCI6488 的 LTE 性能，可以深入了解如何構(gòu)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(shí)，20 MHz LTE 的周期占用數(shù)及分布。

圖 3 － TCI6488 上的 LTE 物理層處理

從圖上可以明顯看出，F(xiàn)FT/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。