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月的報告指出，全球已有31個國家承諾將部署64個LTE網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計到2010年底將有22個LTE網(wǎng)絡(luò)交付使用，截止2011年年底將有39個或更多LTE網(wǎng)絡(luò)交付使用；總計88個運營商已經(jīng)承諾將在42個國家部署LTE系統(tǒng)，有的已經(jīng)開始進行測試或進行其他規(guī)劃活動。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)商機巨大但挑戰(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，計算量需求要提升4、5個數(shù)量級――從大約10個MOPS（每秒百萬次運算）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，計算量需求要提升4、5個數(shù)量級
LTE還采用了先進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性能達到新高
LTE的運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 ――單個通用DSP不能滿足這樣的性能需求，我們需要多顆DSP來實現(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時鐘頻率來實現(xiàn)――這樣做會大幅增加功耗。我們需要針對運算任務(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――因為越來越多的處理正在通過軟件來完成。
早期在開發(fā)軟件定義無線電（SDR）方面的嘗試令人失望，因為他們大多基于單一的DSP，其性能無法跟上運算需求的增長。而將密集運算交給RTL模塊的方法從根本上違背了軟件無線電的初衷，因為RTL模塊是不可編程的。然而我們可以用多顆DSP處理器來實現(xiàn)無線射頻系統(tǒng)――多顆針對不同任務(wù)進行優(yōu)化設(shè)計的專用DSP。這些全新定制的專用DSP內(nèi)核在設(shè)計之初就是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，完全可以滿足LTE的運算性能需求。
2 所需的處理類型
一個典型的現(xiàn)代通信收發(fā)機可以劃分為三個計算域：
信號域：實現(xiàn)復(fù)數(shù)或?qū)崝?shù)數(shù)據(jù)的優(yōu)化運算，包括FFT、濾波、同步以及矩陣運算等靠近系統(tǒng)中RF一側(cè)的運算。
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算需求需要不同類型的DSP內(nèi)核（IP內(nèi)核是必要的，因為從功耗和面積效率的角度看，所有這些功能必須在單芯片而不是分開的芯片上實現(xiàn)）。
3 LTE基帶子系統(tǒng)分析
圖2展示了一個LTE基帶子系統(tǒng)的功能模塊圖。該圖上方顯示了LTE接收端的信號處理通道。有天線連接到接收端RF模塊，它很可能是MIMO配置的多天線系統(tǒng)。RF接收模塊將信號輸出到前端濾波模塊，該模塊驅(qū)動隨后的OFDM信道估計和MIMO檢測模塊，這個模塊將來自多天線的信號合并起來而且可以改善接收端的帶寬和信號保真度，信號合并后會進行復(fù)數(shù)的解調(diào)，然后是前向糾錯，最終直接給LTE MAC層提供用于高層協(xié)議處理的比特流。在發(fā)射端，來自MAC層的比特流通過卷積編碼以及各種頻域變換后、輸出整形，然后送給發(fā)射端RF模塊、功率放大器和天線。
圖2 LTE基帶模塊方框圖
針對LTE的ConnX ATLAS參考架構(gòu)
ConnX ATLAS參考架構(gòu)是專為滿足從RF一側(cè)的前端濾波到MAC一側(cè)的傳輸模塊處理需求而開發(fā)的，ATLAS參考架構(gòu)基于LTE 的UE CAT-4系統(tǒng)，支持一個發(fā)射天線，兩個接收天線和20MHz帶寬。也可以提供 10MHz及5MHz的ATLAS系統(tǒng)。圖3為ConnX ATLAS UE（用戶設(shè)備）的功能方框圖。
圖3 ATLAS LTE用戶設(shè)備方框圖
接收鏈路（圖3底端）接收來自前端濾波器的數(shù)據(jù)并為MAC生成傳輸數(shù)據(jù)塊，它包含控制器和三個計算域：信號處理域（接收信號處理器或RxSP）、矩陣處理域（接收信道處理器或RxChP）以及比特軟值域（接收混合ARQ 處理器或者叫 RxHARQ、Turbo引擎和接收控制處理器或者叫RxCP）
所有這些DSP包括Turbo 引擎，都可以用Tensilica公司的Xtensa可定制處理器技術(shù)實現(xiàn)，從而針對特定的任務(wù)進行優(yōu)化。利用可配置技術(shù)還可以同時創(chuàng)建功能齊全的配套軟件工具鏈，所以不需要把時間浪費在開發(fā)不同DSP的基本指令集仿真器、調(diào)試器方面。
Tensilica公司的基帶引擎ConnX BBE16是構(gòu)成RxSP和RxChP的基礎(chǔ)，該ConnX BBE16是一個128位、3發(fā)射、16MAC的數(shù)字信號處理器，能夠在單周期內(nèi)完成多個復(fù)數(shù)乘法運算和一個復(fù)數(shù)基-4FFT運算。RxSP為每個符號產(chǎn)生源數(shù)據(jù)塊并進行信道估計。源數(shù)據(jù)塊會立即寫入接收鏈路中的下一個處理器RxChP的輸入緩沖區(qū)，RxChP執(zhí)行MIMO解碼，并產(chǎn)生比特軟值給HARQ模塊。
RxHARQ處理器接受解碼后的比特軟值，并將它們合并為合適的冗余版本，接著執(zhí)行HARQ重組以產(chǎn)生碼塊，碼塊被寫入Turbo解碼器的輸入緩沖區(qū)，完成解碼后又被寫入RxCP的輸入緩沖區(qū)。
RxCP是主控制器，執(zhí)行休眠控制和電源管理。它對信道頭進行解碼以便配置收發(fā)鏈路正常工作，它還為MAC處理器提供了控制和數(shù)據(jù)接口。
4 ATLAS發(fā)射鏈路
發(fā)射鏈路包括兩個計算域和兩個處理器，發(fā)射位處理器（TxBP）和發(fā)射信號處理器（TxSP）。
TxBP執(zhí)行CRC編碼、加擾、Turbo編碼、子塊交織、速率匹配和物理上行控制通道編碼。針對這一過程，Tensilica開發(fā)了一種比特流處理器（ConnX BSP3），它是一個32位DSP，增加了一些特殊指令，用于CRC、Turbo編碼和交織運算的加速。
TxSP接收編碼后的比特流，并產(chǎn)生相應(yīng)的SC–FDMA符號，它們再提供給前端濾波器用于上變頻和MASK兼容， TxSP用Tensilica的BBE16 DSP實現(xiàn)，執(zhí)行CRC編碼、位加擾、Turbo編碼、格雷碼編碼、RB映射、層映射、DRT、FFT和運營商附加的前綴匹配運算等。
5 基于同一架構(gòu)的多核體系
ATLAS參考架構(gòu)的優(yōu)勢在于，所有的內(nèi)核都基于Tensilica的Xtensa處理器架構(gòu)。這意味著所有內(nèi)核可以共享相同的基本指令集，并使用相同的開發(fā)工具。這樣就簡化了整個設(shè)計工作，并可以將培訓(xùn)成本降到最低。
采用多核方案實現(xiàn)LTE系統(tǒng)，因為每個DSP內(nèi)核是針對不同任務(wù)專門優(yōu)化的，所以可以獲得LTE所需的最大效率和性能。ATLAS架構(gòu)專為模塊化設(shè)計而開發(fā)，通過增減不同類型的處理器，它可以很容易擴展為不同性能級別的產(chǎn)品。由于處理器能夠進一步定制，所以設(shè)計人員可以貫徹Tensilica公司的設(shè)計理念并將其進一步發(fā)揚光大，以更好地匹配他們的性能、功耗和成本預(yù)算，或者更好地實現(xiàn)他們的獨特算法。
使用小型定制處理器的優(yōu)勢是，如果不需要這部分處理能力的時候，該內(nèi)核和它使用的存儲器都可以關(guān)斷（與3G和3.5G中的設(shè)計類似，在這些設(shè)計*耗是最受關(guān)注的），這有助于將功耗保持在最低水平。一個優(yōu)化的多核架構(gòu)可以允許使用更小、更低功耗的內(nèi)核而無需提升系統(tǒng)頻率。
針對LTE系統(tǒng)中的關(guān)鍵運算定制DSP，還可以提高設(shè)計人員的工作效率。由于所有處理器都基于Tensilica的Xtensa可配置處理器內(nèi)核，它們使用相同的軟件工具鏈。編譯器、調(diào)試器、ISS等都可以識別和利用定制的硬件并提高軟件的開發(fā)效率。
多顆DSP串行連接的方式也非常適合LTE無線算法中的數(shù)據(jù)流處理方式。因為一種算法只運行在一個內(nèi)核上，所以軟件編程模型和調(diào)試都變得更加方便，多顆處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸不是基于全局共享總線，而是專門的點對點連接，因此數(shù)據(jù)無需總線仲裁就可以快速地加載進其他DSP的存儲器中。此外，與典型的基于總線的系統(tǒng)相比，也不會因為更多處理器掛到總線上而降低性能。
6 復(fù)雜的LTE軟件
LTE系統(tǒng)中的軟件也相當(dāng)復(fù)雜，需要真正了解需求的專業(yè)軟件供應(yīng)商提供，Tensilica公司一直與mimoOn合作，該公司因軟件專長而倍受產(chǎn)業(yè)推崇，mimoOn開發(fā)了LTE的物理層軟件堆棧優(yōu)化程序，可以讓采用ATLAS架構(gòu)的專用Tensilica DSP發(fā)揮最高性能。
7 完整LTE L1 PHY的實現(xiàn)
ConnX的ATLAS LTE的參考架構(gòu)實現(xiàn)了完整的LTE的L1物理層設(shè)計，包括了運算量要求極大的Tubro解碼器，并且完全基于軟件可編程的DSP處理器實現(xiàn)。它可以作為設(shè)計團隊實現(xiàn)LTE基帶系統(tǒng)的起點，設(shè)計團隊需要把L2的組件和其它的系統(tǒng)互連組件以及ATLAS組件整合在一起。
由于是模塊化設(shè)計，所以設(shè)計團隊可以部署ATLAS架構(gòu)中的所有7個模塊，也可以復(fù)用他們已有的RTL模塊去替代一個或者更多的ATLAS組件。不管是LTE設(shè)計師還是以后的LTE Advanced（4G）設(shè)計師，ATLAS LTE參考架構(gòu)中的模塊化組件都可以讓他們事半功倍。
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