第四代無線基礎(chǔ)架構(gòu)的離散式 SerDes 解決方案

高端智能型手機(jī)與其供應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)顯現(xiàn)出一個(gè)事實(shí)：消費(fèi)者需要的移動(dòng)寬帶及應(yīng)用必須能協(xié)助他們緊密地鏈接信息、家人與好友。因此，移動(dòng)寬帶已成為現(xiàn)今電信產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)最顯著的部分。即使經(jīng)濟(jì)成長(zhǎng)趨緩，電信業(yè)者近年來在無線數(shù)據(jù)方面的營收仍大幅增加。Netbook及HSDPA-USB接口連接裝置的迅速成長(zhǎng)也顯示出消費(fèi)者在任何地方都需要寬帶，而不只限于住家及辦公室內(nèi)。

消費(fèi)者使用移動(dòng)裝置存取數(shù)據(jù)時(shí)，仍會(huì)因?yàn)橄螺d速度過慢及圖形顯示效果不佳而感到不便。視頻博客及在線游戲等應(yīng)用需要較快的連接速度及較短的延遲。更快速穩(wěn)定的聯(lián)機(jī)有助于云端運(yùn)算相關(guān)應(yīng)用的開發(fā)，而且移動(dòng)辦公室應(yīng)用將不會(huì)因?yàn)橛布幚砟芰Χ艿较拗啤?/p>

在43億的無線網(wǎng)絡(luò)用戶中，大約有80%是單純使用語音的GSM用戶。因此行動(dòng)系統(tǒng)供貨商十分看好未來5〜10年吸引30億的使用者申辦移動(dòng)寬帶的成長(zhǎng)商機(jī)。IPTV及數(shù)字相機(jī)等具有移動(dòng)寬帶連接功能且可實(shí)現(xiàn)新型服務(wù)的裝置也可能帶來如此的成長(zhǎng)，進(jìn)而提高移動(dòng)通信商的收益。

為應(yīng)對(duì)愈來愈多的需求并且提供更快更穩(wěn)的聯(lián)機(jī)及更短的延遲時(shí)間，全球網(wǎng)絡(luò)業(yè)者希望能夠建立4G網(wǎng)絡(luò)，而LTE是全球這方面的首例。

● LTE規(guī)格可提供超過100Mbps的最高下行鏈路(下傳)速率與超過50Mbps的上行鏈路(反傳)，以及往返延遲低于10ms的無線電存取網(wǎng)絡(luò)(RAN)。

● LTE也運(yùn)用波束形成(beam forming)等進(jìn)階天線技術(shù)概念來擴(kuò)大涵蓋范圍。透過多層天線解決方案可達(dá)到高尖峰數(shù)據(jù)速率，例如，2×2或4×4多重輸入與多重輸出(MIMO)。

雖然出現(xiàn)了具備所有絕佳功能的新標(biāo)準(zhǔn)，無線及行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)者也必須持續(xù)面對(duì)投資成本及網(wǎng)絡(luò)建置的挑戰(zhàn)，以符合未來對(duì)于帶寬的激增需求。網(wǎng)絡(luò)業(yè)者必須針對(duì)4G選擇最符合成本效益的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。若要部署LTE等4G標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)，所需的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)不僅必須平衡新范圍有限的可使用性，也必須運(yùn)用于現(xiàn)有范圍。為有效管理日益復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)，分布式開放基站架構(gòu)(Distributed open base station architecture)概念便隨著這些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，以提供低成本、彈性的模塊化環(huán)境來管理無線電存取演進(jìn)。

圖1a顯示的傳統(tǒng)基站部署需要將無線電設(shè)備控制器(REC)及無線電設(shè)備(RE)連同天線塔放入單一機(jī)殼中。如此的做法會(huì)使網(wǎng)絡(luò)業(yè)者在實(shí)際設(shè)置上面臨體積尺寸增大、功耗提高及成本增加等不利因素。這類架構(gòu)也會(huì)使連接天線與RE的電纜出現(xiàn)信號(hào)耗損的狀況。

圖1a 傳統(tǒng)基站

圖1b至1c顯示的分布式基站架構(gòu)(DBSA)使得基站的其他部分完全不需要RF收發(fā)器。此架構(gòu)能夠使RE的位置更接近個(gè)別的天線，以便將圖1b中介于RE與天線之間的電力損失減至最低，進(jìn)而降低放大RF功率的成本。DBSA也允許各種不同的RE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，例如，圖1c所示的鏈狀、環(huán)狀或樹狀。如此的做法可確實(shí)縮小網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的規(guī)模，因?yàn)闊o線電設(shè)備可彼此連接，并不需各RE對(duì)單一REC進(jìn)行通信。

圖1b 分布式基站

圖1c 分布式基站拓?fù)?/p>

開放式基站架構(gòu)創(chuàng)始聯(lián)盟(OBSAI)及通用公共射頻接口(CPRI)標(biāo)準(zhǔn)適用于無線電設(shè)備控制器及無線電設(shè)備之間的基頻數(shù)據(jù)通信，以及DBSA中的無線電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。將REC與RE之間的接口標(biāo)準(zhǔn)化之后，不同廠商的REC及RE設(shè)備即可交互使用。同時(shí)，2G/3G/4G的REC 能夠與不同的RE進(jìn)行通信，因此可實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合與同時(shí)運(yùn)作，并減少設(shè)備升級(jí)的需求。

CPRI及OBSAI均載明其無線電設(shè)備控制器及無線電設(shè)備之間的高速串行接口，以達(dá)到基頻數(shù)據(jù)傳輸(I/Q數(shù)據(jù))，并且在相同接口進(jìn)行指令/控制與同步(用于RE網(wǎng)絡(luò))信息的溝通。

圖2顯示DBSA中的信號(hào)流向。對(duì)于上傳(foward link)的RE，OBSAI/CPRI資料是由序列器/解除序列器(SerDes)所還原，其中會(huì)將高速序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為平行數(shù)據(jù)，然后將此數(shù)據(jù)傳輸至FPGA。FPGA會(huì)處理OBSAI/CPRI邏輯，然后將I/Q基頻取樣傳輸至數(shù)字升壓轉(zhuǎn)換器(專用邏輯)，進(jìn)而將I/Q基頻取樣調(diào)節(jié)至數(shù)位IF載波。經(jīng)過向上轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)會(huì)接著經(jīng)過數(shù)據(jù)處理引擎的處理，以減少波峰系數(shù)(專用邏輯)，并且以數(shù)字方式將信號(hào)預(yù)失真(專用邏輯)，以補(bǔ)償功率放大器中產(chǎn)生的旁瓣(side lobe)，并確保功率放大器能夠在線性區(qū)域中運(yùn)作。

圖2 分布式基站架構(gòu)信號(hào)流向

在上行鏈路中，無線射頻模塊包含所有的模擬功能，能夠?qū)F頻帶向下轉(zhuǎn)換為中頻，然后以數(shù)字方式將個(gè)別載波向下轉(zhuǎn)換為取樣的基頻同相及正交(I/Q)組。經(jīng)過多任務(wù)處理的基頻取樣(I/Q)以及下傳與反傳中的控制及管理數(shù)據(jù)會(huì)被串行化，然后透過SerDes裝置(例如，德州儀器的TLK3134)以光纖纜線進(jìn)行傳送。

若想借由分析4G演進(jìn)方面的DBS以及所需突波來達(dá)到更快更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)聯(lián)機(jī)，則會(huì)引起另一個(gè)重要問題。由于下行鏈路及上行鏈路的數(shù)據(jù)速率提升，而且愈來愈多的網(wǎng)絡(luò)申辦用戶轉(zhuǎn)而使用隨選電視等高帶寬應(yīng)用，因此，REC與R之間的序列數(shù)據(jù)速率也隨之增加。使用公式（1）可算出REC及RE之間的序列數(shù)據(jù)速率(SDR)：
SDR=MAcSN2(I/Q)C        (1)

其中，SDR是REC與RE之間的序列數(shù)據(jù)速率；M為天線數(shù)目；Ac為載波/天線數(shù)目；S為采樣率(各載波每秒取樣次數(shù))；N為取樣寬度，位/取樣；C為REC與RE之間串行傳輸期間的8b10b數(shù)據(jù)(10/8=1.25)；2(I/Q)=2倍的同相及正交相位資料的倍增系數(shù)。

透過等式1及表1，對(duì)于4個(gè)W-CDMA載波、雙天線系統(tǒng)，采樣率為各載波每秒7.68百萬次取樣，I-Q取樣寬度為 4b/sample的20MHz無線射頻而言，其原始序列速率如式2所示：
SDR=2×4×7.68×4×2×1.25= 614.4Mbps                      (2)

同樣地，透過式1及表1，對(duì)于四天線系統(tǒng)、單一載波/天線，LTE 載波采樣率為各載波每秒30.72百萬次取樣，I-Q 數(shù)據(jù)取樣寬度為16b/sample的20MHz無線射頻而言，其原始序列速率如式3所示：
SDR=4×1×30.72×16×2×1.25=4.915Gbps                     (3)

對(duì)于八天線波束形成LTE系統(tǒng)而言，式3中的SDR會(huì)倍增為9.8Gbps。因此，I-Q取樣寬度、信道寬度或天線載波數(shù)目的增加會(huì)直接造成REC與RE之間序列數(shù)據(jù)速率的提高。搭建基礎(chǔ)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商應(yīng)該要了解，在LTE演進(jìn)中，序列數(shù)據(jù)速率必須從614.4Mbps的中等速率調(diào)整為9.8Gbps或12.2Gbps。DBSA的高SDR需要光纖纜線兩端的SerDes發(fā)揮更高的效能，才能達(dá)到穩(wěn)定的頻率數(shù)據(jù)復(fù)原，并符合CPRI或OBSAI標(biāo)準(zhǔn)的抖動(dòng)規(guī)格。為了進(jìn)一步了解4G的SerDes及數(shù)據(jù)處理效用，以下將分析CPRI/OBSAI的通信協(xié)議堆棧。

圖3a顯示CPRI通信協(xié)議層堆棧。一般而言，物理層包含不同通信協(xié)議都具備的固定功能。CPRI/OBSAI通信協(xié)議層的固定功能物理層是以硬件宏(hard marco)的方式進(jìn)行實(shí)作，以達(dá)到嚴(yán)格的時(shí)序閉合需求。然而，邏輯層則允許客制化。由于新興的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)，以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商期望透過專屬功能建立附加價(jià)值，使得邏輯層會(huì)隨之更新。在實(shí)作CPRI/OBSAI接口的邏輯層部份時(shí)，F(xiàn)PGA通常會(huì)提供所需的彈性。FPGA的邏輯項(xiàng)目能夠利用程序加以設(shè)計(jì)，以支持自定義的邏輯層。

圖3a CPRI通信協(xié)議層堆棧

圖3b CPRI通信協(xié)議層堆棧(外部SerDes劃分)

由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商改采4G部署，因此不僅需要相同彈性來實(shí)行邏輯層，也需要強(qiáng)化SerDes效能來滿足增加的 SDR。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商可選擇采購已整合SerDes的FPGA，或選擇采購FPGA與離散式SerDes，然后將兩者結(jié)合(見圖3b)。

以下是選擇離散式SerDes-FPGA及整合型SerDes-FPGA時(shí)必須考慮的幾項(xiàng)關(guān)鍵因素：

● 離散式SerDes加上FPGA的成本VS已整合SerDes的FPGA成本

● 離散式SerDes的效能VS整合于FPGA的SerDes效能

● 對(duì)于特定FPGA平臺(tái)的熟悉程度

● 改用整合型SerDes-FPGA所節(jié)省的空間

圖4顯示2G/3G/4G基站或REC連接到分別服務(wù)3個(gè)區(qū)塊的3個(gè)RE。其中，3個(gè)CPRI設(shè)定分別為614.4Mbps、3Gbps及9.8Gbps線路速率，并假設(shè)9.8Gbps為更新過后的SDR，可支持4G。

圖4 連接到3個(gè)RE的2G/3G/4G REC

狀況A：假設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商使用FPGA與離散式SerDes，而且已經(jīng)在該特定FPGA平臺(tái)的學(xué)習(xí)周期中投入時(shí)間與資源。若要在此狀況下支持9.8Gbps：

● 制造商將SerDes升級(jí)，并持續(xù)使用同一個(gè)熟悉的FPGA平臺(tái)。優(yōu)點(diǎn)：達(dá)到規(guī)模效益，因?yàn)閳D4顯示的3個(gè)RE區(qū)塊都能具備類似的FPGA，同時(shí)以不同的SDR進(jìn)行運(yùn)作。如此一來，制造商便不需要變更FPGA平臺(tái)而經(jīng)歷學(xué)習(xí)周期。

狀況B：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商使用已整合SerDes功能的經(jīng)濟(jì)型低階FPGA。若要在此狀況下支持9.8Gbps，制造商有3種選擇：

● 改用不同制造商的9.8Gbps高階FPGA(已整合SerDes)。缺點(diǎn)：成本增加，而且制造商必須經(jīng)歷新FPGA平臺(tái)的學(xué)習(xí)周期。

● 改用相同制造商的低價(jià)9.8Gbps FPGA(已整合SerDes)。缺點(diǎn)：效能疑慮。

● 向同一個(gè)廠商購買不含SerDes的FPGA，并將系統(tǒng)切割為FPGA以及離散式SerDes。優(yōu)點(diǎn)：制造商改用不含SerDes的FPGA可以節(jié)省成本，同時(shí)保留熟悉的FPGA平臺(tái)。此外，使用相同的FPGA可切割出采用離散式SerDes的3個(gè)RE區(qū)塊，進(jìn)而達(dá)到規(guī)模效益，就如圖4所示。缺點(diǎn)：離散式SerDes加FPGA的解決方案可能需要更多的PCB空間。

狀況C：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商使用已整合SerDes的高階FPGA。若要在此狀況下支持9.8Gbps，制造商有3種選擇：

● 改用相同制造商的9.8Gbps FPGA(已整合SerDes)。缺點(diǎn)：制造商可能必須為具備9.8Gbps SerDes功能的FPGA付出相當(dāng)高的成本。

● 改用不同制造商的9.8Gbps低階FPGA(已整合SerDes)。缺點(diǎn)：學(xué)習(xí)周期、效能疑慮、缺乏降低成本的規(guī)模效益。

● 向同一個(gè)廠商購買不含SerDes的FPGA，并將系統(tǒng)切割為FPGA及離散式SerDes。優(yōu)點(diǎn)：與狀況B類似。
在9.8Gbps或12Gbps等高SDR的情況下，要滿足離散式SerDes設(shè)計(jì)中對(duì)于穩(wěn)定頻率數(shù)據(jù)復(fù)原、抖動(dòng)容差、信號(hào)調(diào)節(jié)及信號(hào)完整性的需求已經(jīng)相當(dāng)不容易，更不用說在整合型SerDes-FPGA設(shè)計(jì)中，數(shù)字邏輯項(xiàng)目區(qū)塊(芯片的大部份)內(nèi)敏感模擬電路的噪聲隔離會(huì)造成設(shè)計(jì)上更大的挑戰(zhàn)。有時(shí)候，為達(dá)到所需的效能，已整合SerDes的FPGA需要高成本的電源供應(yīng)濾波，并選擇使用電壓控制的晶體振蕩器或成本較低的晶體振蕩器。這些需求會(huì)增加實(shí)施的成本。概括來說，將SerDes整合于FPGA會(huì)造成相關(guān)的成本，而且當(dāng)整合難度因?yàn)镾DR升高而增加時(shí)，這些成本也會(huì)增加。這正是為何當(dāng)數(shù)據(jù)速率在3Gbps或更低的狀況下，F(xiàn)PGA加離散式SerDes的解決方案比整合型解決方案更符合成本效益的一個(gè)主要原因。

結(jié)論
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商建置4G的基礎(chǔ)架構(gòu)時(shí)，對(duì)于分布式基站架構(gòu)部署中無線電設(shè)備控制及無線電設(shè)備之間的高序列數(shù)據(jù)速率需求將大幅升高。要滿足如此需求，光纖纜線兩端的SerDeson必須發(fā)揮更高的效能。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商可將系統(tǒng)切割開來，便能使用同一個(gè)熟悉的FPGA平臺(tái)進(jìn)行邏輯層處理。為達(dá)到高序列數(shù)據(jù)速率，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商可改用離散式 SerDes 解決方案，單獨(dú)就SerDes部份進(jìn)行升級(jí)。如此的切分可達(dá)到所需的效能而不必采用新FPGA平臺(tái)所需的學(xué)習(xí)周期，并且有助于提升規(guī)模效益，最終能降低制造商的成本。