基于LTE/4G的新型處理器架構(gòu)滿足無線處理的需求

引言

　　為了讓現(xiàn)今的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)滿足日益增長的無線數(shù)據(jù)處理需求，全球加速向LTE/4G遷移的趨勢已經(jīng)日益明顯。LTE或3.9G通過采用更有效的傳輸技術(shù)來提升數(shù)據(jù)速率，下一步，4G要提升到更高數(shù)據(jù)率，LTE、4G基礎(chǔ)設(shè)施給半導(dǎo)體供應(yīng)商提出的挑戰(zhàn)是要用數(shù)字信號處理器（DSP）來滿足更高的數(shù)據(jù)處理需求，這些新型DSP的性能要比我們今天所用的DSP高出幾個(gè)數(shù)量級！

　　全球移動設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會（GSA）2010年4月的報(bào)告指出，全球已有31個(gè)國家承諾將部署64個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)到2010年底將有22個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)交付使用，截止2011年年底將有39個(gè)或更多LTE網(wǎng)絡(luò)交付使用；總計(jì)88個(gè)運(yùn)營商已經(jīng)承諾將在42個(gè)國家部署LTE系統(tǒng)，有的已經(jīng)開始進(jìn)行測試或進(jìn)行其他規(guī)劃活動。

　　半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)商機(jī)巨大但挑戰(zhàn)并存，LTE的性能需求是現(xiàn)今3G網(wǎng)絡(luò)性能需求的100到1000倍！相比目前在3G使用的CDMA無線技術(shù)，LTE采用的OFDMA技術(shù)采用多天線信號處理可以實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率，并可以支持更寬的頻譜。不過，OFDMA技術(shù)也更為復(fù)雜，需要的計(jì)算量比CDMA技術(shù)大得多。如圖1所示，從GSM遷移到UMTS/HSDPA再遷移到LTE，計(jì)算量需求要提升4、5個(gè)數(shù)量級DD從大約10個(gè)MOPS（每秒百萬次運(yùn)算）提高到10萬甚至1百萬MOPS，如此才可以提供LTE所要求的10到100 Mbps數(shù)據(jù)傳輸性能。

　　圖1、從GSM遷移到UMTS/HSDPA再到LTE，計(jì)算量需求要提升4、5個(gè)數(shù)量級

　　LTE還采用了先進(jìn)的多天線信號處理技術(shù)，涉及到兩種最流行的技術(shù)MIMO（多輸入多輸出）編程和波束形成，同樣，這也都是高度密集計(jì)算型應(yīng)用，需要新一代優(yōu)化的專用DSP解決方案。

　　1 所需的DSP性能達(dá)到新高

　　LTE的運(yùn)算處理要求如此巨大，因此對DSP的性能提升要求也是巨大的 DD單個(gè)通用DSP不能滿足這樣的性能需求，我們需要多顆DSP來實(shí)現(xiàn)LTE系統(tǒng)，而且這些DSP必須非常高效。以往的“通用”DSP將無法滿足數(shù)據(jù)處理要求。半導(dǎo)體供應(yīng)商和IP供應(yīng)商都在努力打造全新一代DSP，其性能可以滿足運(yùn)營商新建基礎(chǔ)設(shè)施的需求。

　　要開發(fā)這些新的DSP，我們所面臨的挑戰(zhàn)是難以想像的，它無法通過提升DSP時(shí)鐘頻率來實(shí)現(xiàn)DD這樣做會大幅增加功耗。我們需要針對運(yùn)算任務(wù)優(yōu)化的全新架構(gòu)，這不僅意味著硬件層面的開發(fā)，也需要開發(fā)配套的軟件DD因?yàn)樵絹碓蕉嗟奶幚碚谕ㄟ^軟件來完成。

　　早期在開發(fā)軟件定義無線電（SDR）方面的嘗試令人失望，因?yàn)樗麄兇蠖?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/基于">基于單一的DSP，其性能無法跟上運(yùn)算需求的增長。而將密集運(yùn)算交給RTL模塊的方法從根本上違背了軟件無線電的初衷，因?yàn)镽TL模塊是不可編程的。然而我們可以用多顆DSP處理器來實(shí)現(xiàn)無線射頻系統(tǒng)DD多顆針對不同任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的專用DSP。這些全新定制的專用DSP內(nèi)核在設(shè)計(jì)之初就是從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，完全可以滿足LTE的運(yùn)算性能需求。

　　2 所需的處理類型

　　一個(gè)典型的現(xiàn)代通信收發(fā)機(jī)可以劃分為三個(gè)計(jì)算域：

　　信號域：實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)或?qū)崝?shù)數(shù)據(jù)的優(yōu)化運(yùn)算，包括FFT、濾波、同步以及矩陣運(yùn)算等靠近系統(tǒng)中RF一側(cè)的運(yùn)算。

　　比特軟值域（soft bit domain）：包括從軟件解映射模塊到前向糾錯（FEC）解碼模塊等靠近接收端MAC一側(cè)的運(yùn)算。

　　比特域：通常是在發(fā)送端靠近MAC一側(cè)，包括CRC編碼、加擾、FEC編碼和比特交織等操作。

　　這三種根本不同的計(jì)算需求需要不同類型的DSP內(nèi)核（IP內(nèi)核是必要的，因?yàn)閺墓暮兔娣e效率的角度看，所有這些功能必須在單芯片而不是分開的芯片上實(shí)現(xiàn)）。