用低成本FPGA實現(xiàn)Femtocell基帶架構(gòu)
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過去的25年里，FPGA在無線基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)和部署中扮演了重要的角色。無線設(shè)備市場跨越了大批量FPGA生產(chǎn)與小批量ASIC生產(chǎn)之間的溝壑。基站成了歷史的分界點，因為基站的升級和大規(guī)模部署所需器件量可達(dá)數(shù)萬乃至數(shù)十萬(圖1)。
低成本毫微微蜂窩(Femtocell)的出現(xiàn)以及它們所具有的數(shù)百萬單元的預(yù)期潛能使得外界觀察者可能得出這樣的結(jié)論，FPGA已最終在這一應(yīng)用領(lǐng)域得到了發(fā)展。本文主要分析Femtocell的架構(gòu)，闡明創(chuàng)新的FPGA結(jié)構(gòu)如何在新興的Femtocell中起到重要的作用。
Femtocell的架構(gòu)
Femtocell是適合于家庭的小型基站，可支持單個家庭或少量用戶。人們正在構(gòu)想各種各樣的Femtocell部署方案，范圍覆蓋農(nóng)村、城市及郊區(qū)，這些基站仍被看作接入點基站(APBS)。Femtocell正在逐步成為無線基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)展的最終媒介，其原因如下：它們支持現(xiàn)有的3G手機(jī)；根據(jù)本地需求擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)容量；CAPEX成本轉(zhuǎn)移至消費者；消費者把他們的Femtocell與家中的有線(電纜或光纖)連接，解決了回傳瓶頸問題。 
圖1：Femtocel技術(shù)。
用簡化的定義，很顯然，F(xiàn)emtocell基站必須具有與傳統(tǒng)基站同樣水準(zhǔn)的功能特性。此外，家庭被認(rèn)為是Femtocell理想的部署場所，因為這樣可以發(fā)揮出其增值特性，例如真正高質(zhì)量的語音、更快的數(shù)據(jù)和音樂下載中心，以及家庭內(nèi)部通信系統(tǒng)等。置于家中的基站還具有巨大的潛能，廣告商通過它可以向用戶家庭提供具有高度針對性的信息。所有這些因素都強(qiáng)調(diào)需要構(gòu)建靈活的Femtocell，特別是在最初的實施階段。
簡化的Femtocell
家庭環(huán)境確實簡化了Femtocell的一些特性需求，這為在器件級實現(xiàn)這些特性增加了一些選擇。首先，F(xiàn)emtocell只用于支持少量用戶，這大大減少了整個系統(tǒng)的處理需求；第二，它不像傳統(tǒng)基站需要支持快速行駛車輛上的終端用戶，F(xiàn)emtocell只需要支持居家范圍內(nèi)行走的用戶，這大大簡化了用于尋找和支持他們的搜索算法。這兩個主要差別使得僅用為數(shù)不多的幾個芯片就能實現(xiàn)一個Femtocell基站(見圖2)。 
圖2：簡化的Femtocell框圖。
深入探討Femtocell
通過更深入地探討這一新的令人興奮的部署方案，可以迅速地揭示其復(fù)雜性，并了解為什么FPGA對其成功至關(guān)重要。首先要弄清楚的是，用戶采用的是哪種回傳技術(shù)(FTTx、Ethernet、ATM、DSL等)，以及這些回傳技術(shù)對Femtocell設(shè)計有何影響。第二，需要支持什么樣的空中接口？盡管這里所討論的主要是針對WCDMA/HSPA和CDMA/EV-DO，不過也需要考慮支持目前廣泛應(yīng)用的GSM技術(shù)。如果WiMax和Wi-Fi Femtocell設(shè)計獲得成功，還需要支持這些標(biāo)準(zhǔn)嗎？同時，在家中安裝這種基站還存在一些需要解決的問題，如安全性、訪問控制、宏單元的沖突，遞交與分發(fā)。所有這些問題都再次表明，需要構(gòu)建靈活的Femtocell架構(gòu)。
Femtocell的成本壓力
要在每個家庭普及這種Femtocell基站必然要面臨成本最小化的壓力。目標(biāo)價格為100~200美元的Femtocell基站正處于論證中，這一價格區(qū)間遠(yuǎn)低于當(dāng)今具有完備特性的旗艦級FPGA的成本。
幸運的是，這一相對較新的基站架構(gòu)出現(xiàn)之時，正是低成本FPGA普及程度得到迅速發(fā)展的階段，已經(jīng)占據(jù)整個市場的大約25%。FPGA供應(yīng)商已開發(fā)出擁有嵌入式特性的低成本FPGA，例如DSP塊、嵌入式存儲器和高速SERDES，只需要高端FPGA的一小部分成本便可實現(xiàn)無線基帶處理的性能需求。
傳統(tǒng)的DSP/FPGA處理
多年來在無線應(yīng)用方面，F(xiàn)PGA和DSP是協(xié)處理伙伴。隨著低成本、性能豐富的FPGA和專用于無線應(yīng)用開發(fā)的處理器的出現(xiàn)，對預(yù)期的大批量Femtocell應(yīng)用，這個協(xié)作關(guān)系仍然成立。這些經(jīng)過相應(yīng)簡化的處理器可支持小型基站相應(yīng)比較少的功能需求，與高集成度的處理器相比，這些處理器大大減少了成本。表所示是處理器和FPGA之間的一些性能差異。
處理器和FPGA之間的一些性能差異。
在構(gòu)建傳統(tǒng)無線基礎(chǔ)設(shè)施時，表中所述的許多功能從FPGA和通信處理器移到ASIC，這種做法延續(xù)了多年，在最初實施的時候沒有ASIC是十分普遍的現(xiàn)象。預(yù)期Femtocell的早期部署將會遵循相同的歷史路徑。因此，前面所述的若干ASIC的功能將用低成本FPGA或者專門的通信處理器實現(xiàn)。
例如，基帶碼片率處理可以進(jìn)行分割，以至于RAKE接收機(jī)、RACH檢測器、展頻、加擾和通道加權(quán)/求和功能可以全部從處理器轉(zhuǎn)移到用硬件來實現(xiàn)。此外，針對硬件加速，像turbo解碼、調(diào)制和符號映射等碼片率處理功能也是可選的。像LatticeECP2M系列FPGA器件使得這種基于硬件的解決方案在單片、高集成度、低成本器件中得以實現(xiàn)，這使得提供具有嵌入式DSP、存儲塊和高速串行接口等多種傳統(tǒng)的高端功能成為可能，而在價格方面，可以使系統(tǒng)設(shè)計者跟上Femtocell市場的價格變化。
基帶實現(xiàn)實例：RAKE接收機(jī)
在優(yōu)化無線通信信號接收質(zhì)量過程中，PAKE接收機(jī)是一個很關(guān)鍵的因素，特別是當(dāng)它與W-CDMA/UMTS相關(guān)時。在室外環(huán)境，必須處理多徑干擾和衰減，RAKE中需要增加更多的耙指，通過更復(fù)雜的Rx電路來保證通話質(zhì)量。相比之下，對于Femtocell來說，居家環(huán)境中比較確定的移動性意味著可以簡化掉這些需求。那么，在實現(xiàn)這些特性時在器件層面產(chǎn)生了多個選擇。可以考慮的多個架構(gòu)選項之一是減少RAKE接收機(jī)中所需耙指的數(shù)量，這樣簡化了設(shè)計，更重要的成本會更低。關(guān)于在給定的Femtocell環(huán)境中，有關(guān)耙指數(shù)量的討論正在進(jìn)行中，這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了靈活、低成本的硬件實現(xiàn)方案的重要性。
最大速率組合(MRC)是一個普通的RAKE接收機(jī)實現(xiàn)方案，它聚集了來自不同路徑的信號能量。這個信息用于決定應(yīng)該分配給特定用戶的耙指數(shù)量，并用于計算初始延遲或耙指偏移。每個耙指作為一個相關(guān)器，加權(quán)，乘以耙指輸出，然后組合為MRC輸出。MRC功能及其在FPGA中的實現(xiàn)方案如圖3所示。
圖3：RAKE接收機(jī)結(jié)構(gòu)的實例。
可編程技術(shù)的優(yōu)勢
主要無線基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商很清楚ASIC、單片ASSP和FPGA各自的優(yōu)點。對于包含一些新興規(guī)范的應(yīng)用，或者需要定制邏輯時，可編程性對設(shè)計者來說是必需的。可編程性幫助系統(tǒng)設(shè)計人員設(shè)計出可以混合供應(yīng)商的特殊邏輯并能提供多區(qū)域解決方案的單個硬件平臺。
作為支持主流無線手持設(shè)備的小型基站，F(xiàn)emtocell需要支持3G及其它版本(HSDPA/自適應(yīng)天線/MUD/PA線性化)，以及4G技術(shù)。此外，F(xiàn)emtocell將增加一些可發(fā)揮居家環(huán)境優(yōu)勢的獨特的增值特性，對世界上某些區(qū)域，其中一些特性是特定的，仍需做出定義。
當(dāng)基于有線和無線網(wǎng)絡(luò)的CPE匯聚于相鄰的Femtocell時，還應(yīng)明白以太網(wǎng)在Femtocell回傳中扮演了重要的角色。因此，選擇FPGA時的一個重要考慮是要具有片上嵌入式高速以太網(wǎng)接口。
最重要的是，運營商已聲稱Femtocell要獲得成功一定要滿足特定的成本目標(biāo)。低成本FPGA現(xiàn)在能提供Femtocell必需的SERDES、可編程邏輯和DSP功能，并能達(dá)到先前高端FPGA或ASSP/FPGA組合未能達(dá)到價格水平。這些低成本的FPGA兼具DSP塊、嵌入式存儲器和SERDES等嵌入式特性與可編程邏輯，這些新型低成本器件與專門的處理器相結(jié)合，對實現(xiàn)Femtocell來說是一個頗具吸引力的解決方案。
本文小結(jié)
隨著技術(shù)的發(fā)展，無線設(shè)備供應(yīng)商依賴FPGA實現(xiàn)了多種功能。在這激動人心的發(fā)展過程中，F(xiàn)emtocell代表了又一個臺階，它也是無線技術(shù)革命的又一實例，在其最初的實施階段充分利用了當(dāng)今低成本FPGA所提供的靈活性。這些優(yōu)點包括快速的產(chǎn)品上市時間，在不修改硬件的情況下適應(yīng)規(guī)范的改變，靈活實現(xiàn)各種特性并將多種功能集成到一塊芯片上，同時其成本仍支持大批量、低成本的實施。
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