DSP和FPGA各顯神通，應(yīng)對TD-SCDMA基站成本和演進(jìn)需求

由于運營商大手筆進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的時代已經(jīng)過去，成本和靈活性成為對通信基礎(chǔ)設(shè)施的共同要求，對于TD-SCDMA基站更是如此。因為采用了智能天線等先進(jìn)技術(shù)，TD基站的容量大幅提升，但也還帶來了成本挑戰(zhàn);另外，TD技術(shù)仍在演進(jìn)之中，要求核心芯片同時提供高性能和可編程能力。這限制了初始成本高和靈活性差的ASIC芯片，為可編程DSP和FPGA帶來了更多的機會。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，DSP和FPGA供應(yīng)商紛紛在工藝技術(shù)和架構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，并試圖踏入對方的領(lǐng)地。此外，可能會在TD領(lǐng)域興起的Femto基站也吸引了DSP和FPGA供應(yīng)商，以及一些新興芯片供應(yīng)商。

智能天線助FPGA進(jìn)入TD基站射頻卡

傳統(tǒng)上，F(xiàn)PGA主要發(fā)揮接口和連接功能，但FPGA技術(shù)進(jìn)步和系統(tǒng)對大量計算的需求，讓更多的FPGA進(jìn)入了基站系統(tǒng)的核心——射頻卡和基帶卡中，這在TD基站中更是明顯。IEEE高級會員、賽靈思公司無線基礎(chǔ)設(shè)施垂直市場系統(tǒng)架構(gòu)師溫得敏博士表示：“除了膠合邏輯和連接功能外，F(xiàn)PGA正進(jìn)入系統(tǒng)核心，這已經(jīng)是一種趨勢，特別是在射頻卡應(yīng)用方面。”

與WCDMA相似，TD基站射頻卡處理涉及到DUC(數(shù)字上變頻)、DDC(數(shù)字下變頻)、CFR(峰值因子降低)和DPD(數(shù)字預(yù)失真)等。不同的是，由于TD采用智能天線(SA)等先進(jìn)技術(shù)，在提升基站容量的同時，也帶來了更多通道和更多成本。溫得敏解釋說：“由于智能天線在均勻圓陣列(UCA)中使用了多達(dá)8個天線，實現(xiàn)和部署成本都比WCMDA系統(tǒng)高。實現(xiàn)成本高是因為要為UCA中的每個天線復(fù)制收發(fā)鏈，除了額外的ADC和DAC外，需要為每個天線復(fù)制DUC和DDC鏈。因此正確實現(xiàn)SA，同時獲得性能和成本效益，是基站設(shè)備商的主要挑戰(zhàn)之一。”

而FPGA的強大并行處理能力可以很好滿足這種需求。溫得敏表示，以專用芯片組的方式復(fù)制DUC和DDC鏈，會對PCB面積、功耗、散熱以及射頻卡的可靠性產(chǎn)生影響。利用Virtex4 SX FPGA中內(nèi)嵌的DSP48乘法器，賽靈思為數(shù)字前端(DFE)設(shè)計提供完整參考方案包。采用賽靈思的TD DFE方案，基站供應(yīng)商能夠?qū)崿F(xiàn)18通道射頻卡、6載波和3天線的配置，只需使用單個的Virtex4 SX25，取代多達(dá)5×DUC和5×DDC ASSP芯片組，可獲得更低成本、更低功耗和更好的電路板可靠性。

溫得敏還補充說，通過使用恰當(dāng)?shù)拇虬桨福竟?yīng)商可以方便升級，滿足額外的需求，例如采用更多的天線或諸如MIMO這樣的先進(jìn)天線應(yīng)用。這意味著升級到更大型的FPGA，無需更改最初的射頻卡PCB。另外，采用賽靈思最新的65nm Virtex 5，客戶可以獲得更強性能和更大功耗節(jié)省。

對于DFE應(yīng)用，Altera公司通信業(yè)務(wù)部門高級總監(jiān)Arun Iyengar也指出：“TD射頻卡的多通道特性非常適合采用FPGA。利用我們DSP Builder工具中的IF Modem框架和創(chuàng)新，在Stratix III DSP引擎上實現(xiàn)時分復(fù)用和多路通道，Altera FPGA能夠輕松完成這些任務(wù)。”

除了實現(xiàn)成本外，采用智能天線的另外一個問題就是現(xiàn)場安裝成本。一個解決方法是使用射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)，PA靠近天線陣列，因此縮短昂貴的低損耗RF同軸線。連接RRU和基帶卡是采用IF數(shù)據(jù)協(xié)議，例如CPRI或者OBSAI光纖鏈路，而它們通常在FPGA中實現(xiàn)，Altera和賽靈思都有相關(guān)解決方案。溫得敏表示：“賽靈思通過合作伙伴提供完整的RRU方案，可以用于WCDMA、WiMax和TD-SCDMA。”

Altera的Iyengar還補充說，由于TD使用智能天線，必須進(jìn)行智能天線校準(zhǔn)，在任何公開的出版物中，對這一關(guān)鍵領(lǐng)域的關(guān)注還不夠。校準(zhǔn)目的是估算并補償多路天線接收和發(fā)送側(cè)引入的振幅和相位差。因此，校準(zhǔn)單元作為基站的一部分，類似基站的另一個發(fā)射器和接收器，從而可以估算這些差異。這需要進(jìn)行系統(tǒng)分支(system ramification)，并且需要很深的技術(shù)，而Altera在這方面有豐富的系統(tǒng)經(jīng)驗，并且與客戶在系統(tǒng)規(guī)劃上分享這些經(jīng)驗。

TD基站主要芯片供應(yīng)商德州儀器(TI)也表示，TD信號鏈密度要求采用高集成度方案，以節(jié)省PCB面積，另外，它也給射頻卡上高質(zhì)量時鐘分配帶來挑戰(zhàn)。由于產(chǎn)品線寬廣，TI目前提供成熟的完整信號鏈方案，包括DDC/DUC、高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、RF、時鐘、背板接口以及標(biāo)準(zhǔn)邏輯組件等。TI強調(diào)端：“在收發(fā)端，TI產(chǎn)品路線圖將和TD發(fā)展方向保持一致，為演進(jìn)中的TD提供完整解決方案。一個例子就是最新的只有單個天線的室內(nèi)RRU，與室外RRU不同的是，室內(nèi)RRU定位于更高輸出功率，因此需要開發(fā)最佳效率和性能的新技術(shù)。TI關(guān)注這種演進(jìn)需求，將利用廣泛IP組合提供高集成度芯片組方案。”

TD演進(jìn)加劇基帶卡上DSP和FPGA之爭

除了射頻卡外，F(xiàn)PGA更大的野心還在于基帶卡，而這一直是TI和飛思卡爾等DSP芯片廠商的領(lǐng)地，不久前，TI就宣布，大部分中國試運行中的TD基站采用了其TMS320TCI100 DSP。雖然現(xiàn)階段FPGA主要還是充當(dāng)DSP的協(xié)處理器，但隨著兩者都在向?qū)Ψ筋I(lǐng)地滲透，未來兩者的正面競爭不可避免。

Altera的Iyengar介紹說，和WCDMA類似，F(xiàn)PGA在TD數(shù)字基帶中用于實現(xiàn)碼片率處理以及同步(FFT或者FIR相關(guān))，還可以用于TD基帶中的聯(lián)合檢測，以及實現(xiàn)QRD-RLS脈動陣列等。他還指出，更強的處理需求，使得更多FPGA將應(yīng)用于基帶卡中。他解釋說，幾年前，CDMA帶寬只有1.25MHz，目前談?wù)摰腖TE單載波帶寬達(dá)到了20MHz。作為一種趨勢，所有無線技術(shù)都向OFDMA-MIMO發(fā)展。另外，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正扁平化，很多功能進(jìn)入基站中，以降低延遲和為最終用戶提供真正的移動寬帶體驗。這導(dǎo)致需要更強的處理能力，大部分是純粹的數(shù)據(jù)通路和并行處理，基于FPGA的基站利用了FPGA天生的靈活性和擴展性，無論是傳輸回程卡、MAC/RLC(射頻鏈路控制)、PHY還是射頻收發(fā)器，F(xiàn)PGA應(yīng)用都在逐步增長。Iyengar總結(jié)說：“ DSP SoC非常適合實現(xiàn)某些信號處理任務(wù)，例如控制或者非確定性任務(wù)。我們認(rèn)為基于FPGA和DSP的基站將是主流，只有很少的ASIC新設(shè)計。”

和Altera一樣，賽靈思的溫得敏也認(rèn)為FPGA用于基帶信號處理的驅(qū)動力是更高的數(shù)據(jù)率和更低的延時需求，但他的觀點更為激進(jìn)，暗示FPGA將取代DSP成為基帶核心。他表示，傳統(tǒng)的系統(tǒng)劃分方法是，DSP芯片用于符號率處理，F(xiàn)PGA用于諸如碼片率處理這樣的高計算量和重復(fù)性任務(wù)。然而，更小的延時要求、鏈接自適應(yīng)和為不同服務(wù)提供QoS的需求，預(yù)計未來更多的FPGA將應(yīng)用于諸如LTE要求的基帶功能。他強調(diào)說：“這意味著單獨的DSP處理器將轉(zhuǎn)向更高層中的低計算負(fù)載和控制應(yīng)用。另一方面，由于延時要求，系統(tǒng)廠商可能只需要一個網(wǎng)絡(luò)處理器，所有其它必要的較低層功能都在FPGA上完成。”

對此，TI DSP系統(tǒng)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理李儉反駁說：“在可預(yù)見的未來，F(xiàn)PGA不可能取代DSP。”他表示，數(shù)據(jù)服務(wù)需求要求更強計算能力的同時，也要求復(fù)雜控制功能，而通過集成更強加速器、多核和存儲架構(gòu)創(chuàng)新，TI DSP可以同時滿足這兩種需求，并且可以消除FPGA。

李儉解釋說，當(dāng)談?wù)揇SP的時候，傳統(tǒng)意見是看其執(zhí)行數(shù)?運算的速度，例如FFT和CTC等，實際上3G比FFT處理和自適應(yīng)調(diào)制復(fù)雜得多，DSP器件中集成的硬件加速器就可以有效完成這類運算。3G不同之處在于數(shù)據(jù)服務(wù)能力，例如HSDPA、HSUPA和未來的LTE，這要求器件在復(fù)雜控制和數(shù)據(jù)處理方面具有良好的性能，而FPGA難以做到。憑借優(yōu)化的L2內(nèi)置內(nèi)存和內(nèi)部存儲架構(gòu)，TI DSP是市場中性能最均衡的產(chǎn)品：計算速度快;在支持復(fù)雜控制代碼方面功能強大。市場中的有些產(chǎn)品在硅片內(nèi)部放置了很大的存儲記憶體，但L2緩存卻很小很慢，這種方式在數(shù)據(jù)服務(wù)相關(guān)應(yīng)用方面具有很大的設(shè)計風(fēng)險。

除了已大量用于TD試驗網(wǎng)的單核TMS320TCI100外，TI還在提供多核DSP TMS320TCI6?87樣片，它采用3個1GHz DSP核，可以用于GSM、TD與WiMAX基站。TCI6?87具有天線接口和串行Rapid I/O接口，并集成了TCP2和VCP2加速器，提升了系統(tǒng)性能并降低了成本。值得注意的是，TI已經(jīng)針對WCDMA基站推出了高集成度3核DSP TMS320TCI6?88，通過集成大量加速器和接口，TCI6?88能夠在單芯片上支持WCDMA宏基站所需的所有基帶功能，且無需 FPGA、ASIC及其它橋接器件，總BOM縮減為原來的1/5。

TI是否也會為TD基站 定制這樣的SoC呢?李儉表示：“TI非常專注于TD系統(tǒng)，至于為TD定制的SoC，目前正在開發(fā)之中，我們不能透露細(xì)節(jié)。”他還指出，除了改善內(nèi)核性能以外，TI將增加更多強大的硬件加速器以提升系統(tǒng)性能。另外，TI也在提升緩存架構(gòu)，以擴大領(lǐng)先對手的性能優(yōu)勢。

李儉總結(jié)說，從芯片角度來看，F(xiàn)PGA在功耗方面的表現(xiàn)仍然不好，而且在大量生產(chǎn)方面不具有成本效益。將來當(dāng)TD網(wǎng)絡(luò)變得更加成熟的時候，一些OEM廠商可能會考慮把ASIC用于碼片率處理，外加DSP用于符號率處理，就象一些主要OEM廠商現(xiàn)有的WCDMA系統(tǒng)。當(dāng)考慮是否設(shè)計ASIC時，應(yīng)該認(rèn)真分析所需時間和高額研發(fā)費用，以確保合理的投資回報。

對于FPGA的成本和功耗問題不利于大量生產(chǎn)的說法，F(xiàn)PGA陣營表示反對。溫得敏指出，賽靈思提供兩種降成本的途徑，一是客戶可以利用賽靈思最新的芯片技術(shù)，如已經(jīng)出貨的65nm FPGA;二是嚴(yán)格意義上的cost down方法，賽靈思提供easypath FPGA定制技術(shù)，可以將單位成本降低30~75%，風(fēng)險非常低，無需設(shè)計工程資源，從開始到完成只需要12周時間。

Altera的Iyengar則強調(diào)：“在未來系統(tǒng)中，靈活性和低成本是關(guān)鍵因素。FPGA能滿足所有這些發(fā)展趨勢，它具有內(nèi)在的低成本能力，例如Altera的HardCopy，將成為首選方法。DSP有一定的靈活性，但是成本不低，ASIC有成本優(yōu)勢，但完全喪失了靈活性”。他還特別強調(diào)了Altera 65納米FPGA的低功耗優(yōu)勢可以降低成本。他解釋說，應(yīng)該同時關(guān)注CAPEX成本和OPEX成本，運營商所花費的OPEX幾乎是CAPEX的3倍，功耗是一個重大的因素，Altera預(yù)見到了這一點，和其他65nm工藝技術(shù)相比，從四個方面采取措施解決了功耗問題。

TD Femto基站成為新老廠商的新戰(zhàn)場

在WCDMA和WiMax領(lǐng)域，微微基站(Pico)和毫微微基站(Femto)已經(jīng)成為非常熱門的話題。由于它可以降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，解決傳統(tǒng)3G室內(nèi)覆蓋和死角問題，改善室內(nèi)無線寬帶服務(wù)，并抵抗VoIP的威脅，受到了不少運營商的追捧，也成為芯片供應(yīng)商爭奪的新陣地。

Altera的 Iyengar表示，Pico和Femto是WCDMA和WiMAX的關(guān)鍵增長領(lǐng)域，隨著覆蓋區(qū)域的增加，TD也會走同樣的路。Altera的Cyclone和HardCopy等產(chǎn)品在Pico和Femto上都得到了廣泛應(yīng)用。對于Pico，我們的解決方案被WCDMA、WiMAX、CDMA2k和TD產(chǎn)品所采用。WCDMA、CDMA2k和WiMAX Femto產(chǎn)品也有較大的需求，不過目前還沒有看到任何TD Femto產(chǎn)品的公開發(fā)布。當(dāng)然，我們也完全能滿足這一市場領(lǐng)域的需求。

賽靈思的溫得敏也指出，WCDMA領(lǐng)域Pico 和Femto需求背后的推動力是提供更高容量和更高速率的數(shù)據(jù)服務(wù)，例如為手機用戶提供VoD服務(wù)，而無需給宏基站帶來負(fù)擔(dān)。TD網(wǎng)絡(luò)將會看到這種需求，特別是不久的將來IPTV和帶高清LCD的手機等殺手級應(yīng)用變得普遍。

不過，TI卻認(rèn)為TD Femto還需要一段時間。李儉表示，TI發(fā)現(xiàn)有些運營商對于Femto布署感興趣，而且希望在2008年開始場外試驗。但是，具體的系統(tǒng)和產(chǎn)品要求不是非常明確，而且似乎仍在變化之中。OEM廠商擔(dān)心在布署Femto時會遇到障礙：(1)頻率規(guī)劃，以及femto基站和macro/mirco/pico基站之間的干擾問題仍然有待解決;(2)DSL傳輸?shù)腝oS問題;(3)運營商能夠獲利的商業(yè)模式問題;(4)需要很多功能，但目標(biāo)成本非常低。

李儉表示， TD首要任務(wù)是建立網(wǎng)絡(luò)覆蓋，在TD布署的初期階段，F(xiàn)emto需求應(yīng)該不是非常迫切，甚至從運營商的角度看也是如此，另外Femto基站規(guī)格尚未確定。但他也表示，TI DSP產(chǎn)品線范圍廣泛，從低成本、高性價比的達(dá)芬奇系列(ARM+DSP)到高性能多核DSP，如何建立Femto基站，取決于客戶的目標(biāo)規(guī)格。

賽靈思的溫得敏則再一次“向DSP開炮”：和單個宏/微基站相比，F(xiàn)emto只需服務(wù)于很少的用戶，因此目前用于基帶處理的DSP處理器是“大材小用”。另外，由于Femto和WLAN接入點類似，因此BOM成本將是主要推動力。因此，為了滿足Femto設(shè)計，用戶會很自然用低成本的處理器實現(xiàn)更高層功能，同時用DSP優(yōu)化的低成本Spartan-DSP實現(xiàn)物理層——Spartan-DSP的計算性能可達(dá)30GMAC。

新興基帶芯片供應(yīng)商picoChip總裁兼CEO Guillaume d'Eyssautier認(rèn)同BOM成本是Femto的主要推動力。不過，他笑道：“因為成本和功耗問題，我們的競爭對既不是DSP，也不是FPGA，而是ASIC，不過ASIC沒有我們的靈活性。”多核DSP廠商PicoChip是目前Femto的主要芯片供應(yīng)商之一，據(jù)稱也有中國廠商采用其芯片研發(fā)TD Femto。

與傳統(tǒng)DSP、FPGA處理器不同的是，picoChip的多核DSP是一種粗粒度的超大規(guī)模并行異構(gòu)16位處理器陣列，其運算和通信資源是靜態(tài)分配的，它把專用ASIC的計算密度和傳統(tǒng)高端DSP的可編程性結(jié)合在一起，據(jù)稱可取代含有多個DSP、FPGA及通用控制器的混合架構(gòu)體系。目前picoChip采用90納米工藝的第三代PC202器件已經(jīng)量產(chǎn)，它集成了ARM9核(280MHz)，含有248個處理單元，片上集成了FFT、CTC、Viterbi、R-S和Encryption等硬件加速器，可提供230GMIPS和31GMACS的性能。