超3G無線通信技術(shù)領(lǐng)域的芯片設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢

　　自從第一次成功地實(shí)現(xiàn)移動電話呼叫以來，世界已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化。隨著越來越依賴移動電話，我們也成為了需求越來越旺盛的用戶。通話功能不足以滿足人們的需求。語音質(zhì)量必須與有線電話媲美。用戶需要100%的覆蓋率和各種業(yè)務(wù)(如實(shí)時(shí)消息、定位、視頻播放、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽等)。最后，人們希望回到家或在辦公室的每一個(gè)角落、甚至是全世界的任何地方都能享受同樣的服務(wù)。讓人人都有手機(jī)，并通過一個(gè)無處不在的、能夠負(fù)擔(dān)得起的、具有足夠帶寬的網(wǎng)絡(luò)，接入各種各樣的業(yè)務(wù)，是移動通信的神圣使命。超3G(B3G)移動電話正在努力解決用戶體驗(yàn)質(zhì)量(QoE)，承諾用戶得到理想的服務(wù)。

　　動機(jī)、驅(qū)動力和趨勢

　　上一代和目前這一代移動電話在覆蓋率、容量、語音質(zhì)量、服務(wù)和效率上取得了非常大的進(jìn)步(見圖1)，但是，在滿足消費(fèi)者需求方面有時(shí)還有局限性。顯而易見，有必要轉(zhuǎn)向利用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)的、具有語音、視頻和數(shù)據(jù)融合以及無縫寬帶業(yè)務(wù)產(chǎn)品的綜合全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。除了利用在頻譜管理中取得的最新進(jìn)展來優(yōu)化成本之外，采用更為有效的調(diào)制方案也勢在必行。

　　有線生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)永遠(yuǎn)連線的感覺，它讓每一個(gè)用戶成為一個(gè)內(nèi)容創(chuàng)造者。最終用戶利用xDSL會越來越熟悉寬帶業(yè)務(wù)，并期望隨著生活走向移動而擁有同樣類型的服務(wù)。簡單性和易用性是用戶需求表上顯示的另外一個(gè)問題。

　　我們應(yīng)該設(shè)想現(xiàn)有的技術(shù)不會消失，無線世界將持續(xù)制訂一系列的標(biāo)準(zhǔn)來提供不同的應(yīng)用和服務(wù)。B3G不是要創(chuàng)建一個(gè)全新的“統(tǒng)治”技術(shù)，而是一個(gè)網(wǎng)中網(wǎng)概念，它支持所有現(xiàn)行的技術(shù)。用戶將能夠從一種無線通信標(biāo)準(zhǔn)自由漫游到另一種無線通信標(biāo)準(zhǔn)。這將對芯片設(shè)計(jì)工程師、軟件和協(xié)議棧提供商及系統(tǒng)集成商施加巨大的壓力，需把各種接入技術(shù)“擠進(jìn)”圖2所示的有限電路板空間上。

　　對于無縫漫游來說，以同一IP地址漫游的能力是極為重要的，并將刺激消費(fèi)者接受新的應(yīng)用。目前的3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸率為384kbps，頻譜效率很低。現(xiàn)在的HSDPA將下行鏈路峰值數(shù)據(jù)率擴(kuò)展到了14Mbps(Category 10)，而HSUPA將上行鏈路峰值數(shù)據(jù)率擴(kuò)展到了5Mbps。然而，B3G承諾把下行鏈路的移動數(shù)據(jù)率擴(kuò)展到最高100Mbps，而把上行鏈路的移動數(shù)據(jù)率擴(kuò)展到高達(dá)50Mbps(圖3)。進(jìn)一步的目標(biāo)是：支持彈性帶寬、采用像OFDM這樣的新穎傳輸方案、大幅度降低延遲、采用通道質(zhì)量檢測的自適應(yīng)調(diào)制和編碼等等。

　　有待克服的挑戰(zhàn)

　　無論在什么類型的網(wǎng)絡(luò)中工作，移動終端平臺都要具備可配置能力，以確保不間斷的通信鏈路。此外，數(shù)據(jù)率更快、帶寬需求更高的應(yīng)用需要的處理能力比3G強(qiáng)大約10倍，這就使得功耗和硬件/軟件分區(qū)之間的折衷面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　通過輕松快捷的通信、信息瀏覽和使應(yīng)用直覺化的、易于操作的界面，B3G系統(tǒng)將進(jìn)一步增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)。換言之，下一代平臺將具備豐富的功能，使用方便且節(jié)省電。這意味著，這種利用45nm乃至更低節(jié)點(diǎn)以及低功率、高性能CMOS工藝技術(shù)的SoC將隱含著超常的復(fù)雜性。

　　圖1：各代移動通信技術(shù)的功能演進(jìn)

　　圖2：在單板上同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種接入技術(shù)

　　目前，已經(jīng)有不少于25種標(biāo)準(zhǔn)投入商用，為人們提供移動通信業(yè)務(wù)，其中包括GSM、GPRS、EDGE、UMTS、CDMA2000、HSDPA、IEEE802.11a/b/g/n、DECT、藍(lán)牙、UWB、T-DMB、DVB-T、DVB-H以及其它標(biāo)準(zhǔn)。最終所有標(biāo)準(zhǔn)都將整合到B3G的保護(hù)之下，以使不同的系統(tǒng)能夠在全球范圍及各種無線環(huán)境中工作。

　　表1：3G與超3G兩種技術(shù)的比較

　　芯片供應(yīng)商的觀點(diǎn)

　　最終，下一代網(wǎng)絡(luò)移動技術(shù)也都將由芯片來實(shí)現(xiàn)。像英飛凌科技這樣的一些芯片提供商已經(jīng)在支持未來移動技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)展，舉幾個(gè)例子來說，其中包括縮小芯片面積而實(shí)現(xiàn)更大的集成度、轉(zhuǎn)向低功耗CMOS工藝、投入巨大努力開發(fā)具有通用接口的應(yīng)用軟件。

　　未來的無線通信系統(tǒng)必須支持多種無線標(biāo)準(zhǔn)并具有同時(shí)執(zhí)行這些標(biāo)準(zhǔn)的能力。因此，除了芯片的面積和功耗的限制之外，靈活性和可編程性將是最重要的功能之一。根據(jù)所側(cè)重的目標(biāo)應(yīng)用和業(yè)務(wù)，多標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)系統(tǒng)的所有元器件之間，應(yīng)該具有優(yōu)化區(qū)分。換言之，芯片供應(yīng)商要仔細(xì)設(shè)計(jì)射頻和基帶系統(tǒng)的所有元器件，并考慮所有元器件、硬件/軟件之間的折衷。基帶處理電路將由多個(gè)DSP內(nèi)核和專用加速器構(gòu)成，并將是完全軟件可編程的。

　　原則上講，利用可編程或可調(diào)諧元器件構(gòu)建完全靈活的RF前端是可能的；然而，由于專用無線通信標(biāo)準(zhǔn)的極為嚴(yán)格的約束，使其在近期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)(見圖4)。

　　圖4：集成多協(xié)議的多頻帶射頻系統(tǒng)概覽圖

　　在給定功率和硅片面積預(yù)算的前提下，一種靈活且容易編程的解決方案就是由一簇單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)DSP內(nèi)核構(gòu)成的架構(gòu)。在這種架構(gòu)中，利用了一簇SIMD核，配上用于編解碼以及濾波的專用可編程處理器，還包括一個(gè)用來執(zhí)行協(xié)議棧的CPU(見圖5)。

　　圖5：無線通信的一個(gè)基帶平臺架構(gòu)實(shí)例

　　GSM的成功和3G的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，無線應(yīng)用和業(yè)務(wù)的用戶期待著經(jīng)濟(jì)的、可靠和安全的移動終端，希望這種終端使用方便簡捷，而將復(fù)雜性隱藏起來。還有一件比較重要的事情是，看廣播或視頻播放不應(yīng)該以犧牲用戶終端的電池壽命或網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的語音業(yè)務(wù)為代價(jià)。

　　網(wǎng)絡(luò)的融合、技術(shù)的演進(jìn)和三重播放業(yè)務(wù)正在引領(lǐng)市場向著概念更為復(fù)雜的B3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。面對B3G系統(tǒng)終端的諸多挑戰(zhàn)，利用CMOS和RFCMOS工藝技術(shù)把所需要的處理能力集成到SoC中，是全球領(lǐng)先半導(dǎo)體制造商長期研究的課題。預(yù)期系統(tǒng)設(shè)計(jì)要到2010年才能完成。其中，英飛凌公司正在對新一代的無線接入概念、通信處理器和數(shù)字信號處理架構(gòu)和技術(shù)進(jìn)行評估。