引言
隨著消費者數據需求量的不斷攀升，全球范圍內的運營商無一不面臨著對無線帶寬前所未有的增長需求。值得慶幸的是，包括標準制定機構 3GPP 等在內的整個行業都在竭盡全力來支持這種需求。LTE 正是為幫助運營商滿足這一指數級數據增長需求應運而生的最佳技術選擇。由于 LTE 部署實施已趨成熟，基站制造商紛紛熱衷于采用片上系統架構 (SoC)，以使運營商可在維持并提升服務質量的同時還能大幅降低網絡成本。
助力向 LTE 的成功過渡需要在基站 SoC 設計方面實現大量的突破性創新。德州儀器 (TI) 已成功開發了功能強大且極富創新性的 KeyStone 多內核 SoC 架構，旨在優化 WCDMA 、LTE 性能的同時還能降低基站成本和能耗。對于無線基站的應用而言，KeyStone 最基本的組成部分是在無線標準的物理層 (PHY)，即第一層，實施可配置協處理器。本文不僅介紹了 TI 基于 KeyStone 多內核 SoC 架構的 TCI6618 無線片上系統 (SoC) 將如何實現可為制造商縮短開發周期的優化型 PHY LTE解決方案，而且還將展示其獨具競爭優勢且所需資產投資和運營成本更低的 eNodeB 解決方案如何在性能方面實現強大的潛力。
全球移動數據應用的指數級增長給無線運營商帶來了巨大挑戰。但值得慶幸的是，無線技術不斷演進發展，且應運而生的長期演進技術 (LTE) 已成為迎接這一挑戰的首選的全球標準。世界前 25 強無線運營商已決定部署 LTE；其中部分運營商于 2010 年開始進行試運行，預計將在 2012 年迎來多個市場的增長契機。采用 LTE 技術表明能夠通過提高頻譜效率來更好地使用運營商的頻譜資源，這意味著相對以往技術而言每赫茲能夠傳輸更多比特數。運營商部署 LTE 解決方案的速度既要跟上海量數據的流量激增，同時還要確保盡可能地降低每比特開銷，從而減少“碳足跡”并實現從 3G 到 LTE 的平穩過渡。
對 LTE 系統需求的變化給運營商、基站廠商及其提供商帶來了全新的挑戰。TI 已開發出一款功能強大且極富創新性的片上系統 (SoC) 架構，能夠大幅減少 LTE 產品的成本，使生制造商能從領先的基站技術中顯著獲益。KeyStone 多內核 SoC 架構建立在 TI 業經驗證的多內核 DSP 平臺之上，并集成了適用于 4G 系統的創新浮點架構和協處理器。對于運算增強功能而言，更重大的創新是背板和內部數據能夠實現遷移，這對于高速 4G SoC 獲得全面性能至關重要。TI 新架構將推動整個行業更快速地朝著實現高價值 4G 系統特性的部署方向發展。
LTE 可支持靈活的通道帶寬 (1.4 – 20 MHz)、頻分多路復用 (FDD) 和時分多路復用 (TDD)，從而可在所屬頻譜范圍內實現靈活部署。LTE 通信協議棧的基礎是物理層 (PHY)，有時也稱為第 1 層 (L1)。PHY 層是固定基站到移動設備連接的基礎；若無線連接不穩定，通話會掉線，下載會中斷，同時視頻也會停頓。
TCI6618 中的高級 PHY 是行業可靠性能的黃金標準，而 TI 的 L1 PHY 技術基于可支持多種流行無線標準的成熟穩定的的可配置協處理器之上，從而可在通用平臺上實現 3G 向 4G 的成功升級和無縫過渡。
LTE 無線電廣播接口架構
LTE 是第三代合作伙伴項目 (3GPP) 的最新移動標準。LTE 在 3G 移動技術基礎上實現了重大技術進步，可在 20MHz 頻譜范圍提供至少 100 Mbps 的峰值下行速率以及至少 50 Mbps 的峰值上行速率。
PHY 可與 L2（媒體接入控制 [MAC] 層）、L3（無線電廣播資源控制 [RRC] 層）接口相連，并能為更高層提供數據傳輸服務。PHY 可處理信道編碼、PHY 混合自動中繼請求 (HARQ) 處理、調制和多天線處理，并能將信號映射至相關的物理時頻資源。
LTE 下行鏈路物理層處理可接收從 MAC 層以傳輸模塊的形式傳輸的數據流和控制流，通過計算循環冗余校驗 (CRC) 開始處理，并將其附加在傳輸模塊。如果傳輸模塊的大小超過編碼模塊最大允許的 6,144 比特，則應執行編碼模塊分割。新的 CRC 計算出來后即可在信道編碼前將其附加給每個代碼模塊。圖 1 描述了 LTE 下行鏈路的主要功能模塊。
圖1 –－LTE 下行鏈路傳輸信道處理
Turbo 編碼為實現可靠傳輸提供了高性能的前向糾錯機制；速率匹配技術可執行穿孔或重復對可用物理信道資源的速率進行匹配，以及；當用戶未能接收到正確數據時，HARQ 可提供強大穩定的重傳機制。位加擾 (Bit scrambling) 可在編碼模塊連接后執行，以減少所傳輸信號中 0 1 字符串的長度，從而避免調制前在接收機端的同步問題。
多種調制方案（正交相移鍵控 [QPSK)、16 QAM [正交幅度調制，或 64 QAM）均可用于實現 LTE 層映射，而且其預編碼支持多天線傳輸。最后，還可將正交頻分多路復用 (OFDM) 符號的資源組件映射至可實現空中傳輸的每個天線端口。
LTE 技術演進
LTE 可充分利用眾多用于 3G HSPA+（高速分組接入）的先進技術，其中包括 Turbo 編碼、HARQ 和多天線方案。LTE 提供的解決方案可通過多天線信號處理實現 20 MHz、100 Mbps 的下行鏈路速率以及 50 Mbps 以上的上行鏈路速率。TI TCI6618 解決方案具備加值與推進算法的信號處理開銷，能夠支持雙通道 20 MHz、300 Mbps 下行鏈接、150 Mbps 上行鏈接的 2x2 多輸入多輸出 (MIMO) 解決方案。此外，與 3G 系統相比，LTE 還可使用 OFDM 和上下行鏈路多輸入與多輸出 (MIMO) 技術實現顯著的性能提升。
OFDM 傳輸 – LTE 使用 OFDM 支持無線電廣播傳輸，從而能夠提供穩定的傳輸機制來避免惡劣信道條件下的性能衰減、窄帶同頻串擾、碼間干擾和衰減。此外，其還可提供對時間同步錯誤的高頻譜效率及低靈敏度。
LTE 下行鏈路處理使用帶循環前綴的多載波 OFDM 傳輸方式。在上行鏈路，帶有循環前綴的寬帶單載波 OFDM 傳輸能夠大幅減少所傳輸信號的瞬時功耗變化。快速傅里葉變換 (FFT) 能夠為 OFDM 調制解調提供低復雜度的高效率實施方案。
圖 2 - LTE MIMO 信道模型
MIMO 技術 – 為了提升性能，LTE 同時在發送器和接收機中都采用了使用 MIMO 天線的智能天線技術。MIMO 無需額外增加帶寬或發送功率就能顯著提高數據吞吐量并擴大頻率覆蓋范圍，從而提供更高的頻譜效率和鏈接可靠性以防止信道衰減。圖 2 闡述了 LTE 2x4 上行 MIMO 信道模型和接收機的處理。
多天線上行鏈路 MIMO 接收機技術能夠有助于提高信噪比。在接收機主要受噪音損害時，最大比合并 (MRC) 是一種非常有效的天線合并策略。在干擾幅度非常強的信道條件下，最小均方誤差 (MMSE) 結合技術是確定最小化均方誤差的天線加權矢量的極佳方案。MMSE MIMO 均衡的浮點實施可顯著減低計算復雜度，并實現極高性能，從而成就了高效率的 LTE MIMO 接收機。
TCI6618 – LTE 推動器 TCI6618 SoC 是 TI TMS320C66x DSP 多內核系列成員。其基于 TI 最新的 KeyStone 多內核架構之上，適用于高性能的無線基礎局端應用，是用以應對 LTE 設計挑戰的完美方案。圖 3 闡述了該器件的特性和處理組件。
圖 3 - TMS320TCI6618 方框圖
TCI6618 針對 LTE 的主要特性 KeyStone 多內核架構在業界率先提供了一種可將精簡指令集計算機 (RISC) 和 DSP 內核同專用協處理器和I/O高度集成在一起的高性能結構。此外，KeyStone 也是業界第一款能夠為所有處理內核、外設、協處理器以及I/O 提供足夠內部帶寬以實現非阻塞、零延遲接入的多內核架構。這主要得益于 4 種硬件的支持，如多內核導航器、TeraNet、多內核共享存儲器控制器及超鏈接。
多內核導航器是一種基于分組的創新型管理器，能夠對 8,192 個隊列進行控制。當向向各隊列分配任務時，多內核導航器可提供硬件加速的調度，以直接將任務指向相關的可用硬件。基于分組的 SoC 可使用 2Tbp 容量的 TeraNet 交換中心資源進行分組傳輸。
多內核共享存儲器控制器能夠在無需耗用 TeraNet 容量的情況下允許處理內核直接訪問共享存儲器，因而能夠避免因存儲器接入造成分組傳輸的延遲。超鏈接可提供 50 Gbps 的芯片級互連，使 SoC 能夠協同工作。其極低的協議開銷和高吞吐量特性使超鏈接成為芯片對芯片互連的理想接口。超鏈接與多內核導航器協同工作，可將任務透明性地分派給串聯設備，而且執行這些任務就如同在其本地資源上運行一樣。
C66x 內核 – TCI6618 具有四個支持定點與浮點運算操作的1.2-GHz C66x 內核。其可提供 1.2 GHz 條件下每秒 153.6 GMAC 的定點運算性能以及每秒 76.8 GFLOP 的浮點運算性能。C66x 指令集架構新增了 90 條全新的高性能指令，尤其是浮點指令與矢量信號處理指令，從而能夠支持 16 位數據的雙路單指令多數據 (SIMD) 操作以及 8 位數據的四路 SIMD 操作。該款超長指令字架構可支持 8 個同步問題，并為復數計算和矩陣處理進行了優化。其具有更低時延的浮點能力與對 MAC 性能的 4 倍速增強，不僅顯著加速了 LTE MIMO 的均衡，同時還提高了 LTE 所需的大部分 DSP 處理能力。
BCP – 比特率協處理器 (BCP) 是一款可減輕無線信號鏈中總體比特率處理工作的多標準加速引擎。BCP 對以下處理功能進行了增強：
• 調制 • 速率匹配
• 解調 • 速率解匹配
• 交錯 • CRC 附加
• 解交錯 • 控制信道信息解碼
• Turbo 與卷積編碼
除了能夠從這些功能上減輕 DSP 內核開銷，BCP 也可實現 Turbo 干擾消除等高級接收機算法。Turbo 干擾消除可將信噪比 (SNR) 提高 3 dB，從而使頻譜效率最多可提高 40%，這也是無線系統的關鍵性能指標。BCP 能夠在提供 2.2 Gbps 下行吞吐量和 1.1Gbps 上行吞吐量的同時，還能大約減輕 DSP 周期的 15 GHz 負載。
TCP3d – 第三代 Turbo 解碼器協處理器 (TCP3d) 是對 LTE 上行鏈路處理進行 Turbo 解碼的可編程外設。TCP3d 輸入采用針對系統和校驗位的軟信道決策，而輸出則采用硬信道決策。TCP3d 可生成 Turbo 交錯表，能夠執行 Turbo 解碼并支持基于編碼模塊的 CRC 計算。TCP3d 具有非常小的驅動器開銷，卻比此前的 TCP2系列產品快了 7 倍。TCI6618 包含三個 TCP3d 協處理器，總吞吐能力經 6 次疊加可高達 582 Mbps。
TCP3e – 第三代 Turbo 編碼器協處理器 (TCP3e) 是一種可對 LTE Turbo代碼進行編碼以實現下行鏈路處理的可編程外設。TCP3e 的輸入為信息位，而輸出則為已編碼的系統化校驗位。其能夠支持基于編碼模塊的 CRC、Turbo 編碼及 Turbo 交錯表生成。TCP3e 能以 150 Mbps 的下行鏈路吞吐量速率對每秒 450 Mbycles 的 CPU 處理減輕負擔。TCI6618 具有 4 個 TCP3e 協處理器，總吞吐量高達 2572 Mbps。
FFTC – 快速傅里葉變換協處理器 (FFTC) 是一款與 DSP 內核松散耦合的加速器。可將其連接至 TeraNet 并使用多內核導航器輸入、輸出需要 FFT 功能的分組。FFTC 具有循環前綴可插拔特性，能夠對其進行編程以便在分組數據的開始部分忽略或添加樣本；這允許在無需使用軟件對循環前綴進行處理的情況下實現天線接口與 FFTC 之間的無縫連接。此外，FFTC 也可根據 LTE 要求對輸入數據進行頻率切換。以下列舉了在 LTE 中使用 FFTC 的應用實例：
• 前端實時信號處理 FFT，包括循環前綴移除和頻率切換；
• 用于信道估計的離散傅里葉變換 (DFT)/離散傅里葉反變換 (IDFT)；
• 用于信道聲探的 DFT/IDFT；
• 用于頻率失調補償和估計的 DFT/IDFT；
• 用于普通用戶解映射的 IDFT；
• 用于下行和循環前綴擴展的 IFFT；
• 用于物理隨機接入信道 (PRACH) 的 DFT 和 IDFT；
• 用于干擾抑制組合處理的 DFT/IDFT。
TCI6618 具有三個 FFTC 單元，最大組合吞吐量高達每秒 1,900 Mcarrier。在 20 MHz 帶寬、2x2 MIMO 配置的 LTE 系統中，該 FFTC 集群可減少超過 1.6 GHz 的 DSP 內核處理開銷。換句話說，其可為 SoC 節省比一個完整 DSP 內核還多的資源。
RSA – 瑞克搜索加速器 (RSA) 可用于 LTE 編碼塊解碼。TCI6618 擁有兩個與兩個 DSP 內核中的任一一個都能緊密配合的 RSA。RSA 可為相關性和搜索算法提供硬件加速，允許通過物理上行共享信道 (PUSCH) 解碼高效實施上行控制信息 (UCI)。使用 RSA 可為基于 PUSCH 解碼算法的 UCI 節省超過 1GHz 的 DSP 處理資源。
AIF2 – TCI6618 第二代天線接口 (AIF2) 是一個專有外設模塊，可在上下行基帶 DSP 內核與高速串行接口（連接至數字無線電廣播前端）之間支持基帶同相與正交 (IQ) 數據的傳輸。AIF2 可支持 LTE 的頻分多路復用 (FDD)、時分多路復用 (TDD)、通用公共無線電廣播接口 (CPRI) 以及開放式基站架構發起組織 (OBSAI) 協議。AIF2 則能支持 6 個鏈路，其中每個鏈路均帶一個 6 GHz 的SERDES 和每鏈路 64 個最大天線載波。
AIF2 內置多內核導航器，并能直接與 FFTC 連接，從而為 LTE 系統提供了低時延的天線流量。此外，AIF2 也具有用于幀時序和同步的可編程無線電廣播定時器，以支持多種標準。其能夠提供 12 Gbps 的最大入口帶寬和 12 Gbps 的最大出口帶寬。
網絡協處理器 – 網絡協處理器可提供主要用于 LTE L2 處理的以太網分組加速和安全加速功能。其內置 CRC 引擎可用于實現 LTE PHY 傳輸模塊的 CRC 計算。
高效 FFTC 前端數據分派 – KeyStone 多內核架構可在 AIF2 和 FFTC 之間實現無縫接口，而無需運行于 DSP 內核之上的軟件的干預。此外，其還使用多內核導航器基礎局端支持多內核負載均衡。
AIF2 和 FFTC 專為 LTE OFDM 處理而精心優化。兩者繼續沿用多內核導航器的分組直接存儲器存取 (DMA) 引擎，從而能夠在無需 DSP 內核干預的情況下通過隊列直接在 AIF2 和 FFTC 形成數據傳輸通道。
圖 4 闡述了如何在 LTE 上行符號處理過程中采用多內核導航器來實現負載均衡、調度、系統分區以及存儲器占用的減少。
在該例中，可將 4 個天線信號流饋送到 FFTC 中，分區及調度信息被編程固化在 FFTC 輸入隊列描述符中。每個內核均具有 3 個專用的 FFTC 輸出隊列，隊列中具有使用多內核導航器以逐包方式重新分配到不同內核的所需天線及數據符號信息。
通過使用多內核導航器隊列描述符報頭協議專用信息，可對 FFTC 輸出數據進行排序，以讓一個隊列接收 FFTC 輸出數據符號，另一個隊列接收輸出導頻信號。第三個隊列包含可中斷內核以啟動數據處理的符號數據。內核能夠高效處理前端 FFTC 數據而無需進行任何數據預處理開銷。FFTC 通過將部分數據及導頻符號路由到將執行信道估計以及均衡的每個內核來實現負載均衡。
圖 4 – 利用多內核導航器實現負載均衡、調度以及系統分區
通過為FFTC 輸出數據采用多內核導航器隊列，L2 使用多區段主機分組描述符的存儲器空間可節省下來。可將主符號前后的干擾保護音調存放在存儲器段中，通過每次傳輸快速回收。僅將有用數據（主符號）存儲在 L2 中以備后續處理。其結果是為 FFTC 前端處理減少了 50% 的存儲器–－緩沖器使用量。圖 5 闡述了如何采用多內核導航器隊列鏈接的描述符來減少存儲器的使用。
圖 5 – 使用多內核導航器分組隊列減少存儲器使用
TCI6618 平臺開發套件 (PDK) 包含適用于 BCP、FFTC、TCP3d、TCP3e、多內核導航器、RapidIO®、網絡協處理器、增強型直接存儲器接入 (EDMA) 以及芯片支持庫等的驅動器。其可實現即裝即用的精彩用戶體驗，同時能夠大幅縮短研發周期。
采用 TCI6618 的 LTE 解決方案 TI 也提供 LTE PHY 軟件，從而能夠為針對 C66x 內核而高度優化的客戶 PUY 解決方案提供構建模塊。BCP 可減輕整個比特處理以及硬件中 PUCCH 格式 2、2a 與 2b 解碼的負荷。LTE 庫包括 PUSCH 符號、PUCCH 格式 1、1a 與 1b 解碼、PRACH 接收機處理和物理下行共享信道 (PDSCH) 符號速率處理的相關軟件。圖 6 顯示了使用 TI 具有 TCI6618 加速器的 LTE 庫對下行 PDSCH 的完整處理過程。
圖 6 - PDSCH 處理
LTE 上行處理需要有效的 CPU 周期來實現 PUSCH 信道估計與均衡。根據天線數量，C66x 擴展指令集架構與浮點算術運算相對于 C64x+™ 架構而言可將 MRC 均衡器的周期降低 4 倍。由于具備浮點計算能力，諸如分塊矩陣轉置等更為高效的算法可用于實現同等性能 —— 相對于 MMSE MIMO均衡器更為復雜的定點 Cholesky 分解算法，其減少的周期數可達 5 倍。
BCP 提供的控制信道解碼可大幅減少軟件周期數，且能夠比軟件應用中的典型算法提供更高的性能。在某些情況下，這能夠節省多達 1.4 GHz 的 DSP 處理主頻，相當于節約了一個多 DSP 內核。圖 7 顯示了使用 TCI6618 及其高度優化的 LTE 庫軟件而進行的 PUSCH 處理。
圖 7 - PUSCH 處理
此外，FFTC 也可用于信道估計以減輕 DSP 處理負荷。在 LTE 中，可基于嵌入在上行幀中的參考信號（資源模塊中第 4 類信號）來執行信道估計。TI 的 LTE 庫軟件可提供信道估計功能（在子幀中的每個數據承載資源組件中執行）。
信道估計的第一階段可利用 FFTC 來構建頻率平滑估計器。執行 IDFT 需要將信道估計從頻域向時域轉換，并利用矩形窗口來截取時域信道帶以獲得時域信道。或作為備選方案，還可選定能夠減少噪聲的閾值。隨后，執行 DFT 可生成頻域信道估計。信道估計的第二個階段可通過對第一階段估計結果的線性插值法/外插法，根據每個子載波進行計算。圖 8 顯示了 PUSCH 信道估計處理進程。
圖 8 – PUSCH 信道估計
除了可用于上行 PRACH 處理中的各個階段，也可將 FFTC 用于 PUSCH 信道頻偏補償和估計。TCI6618 中的兩個 FFTC 加速器能夠顯著降低 DSP 內核的 LTE 信號處理負荷。通過充分利用 TI C66x DSP 內核上的 LTE 庫軟件，和 TCI6618 硬件加速器，我們可在同一 TCI6618 器件中高度集成物理上行共享信道 (PUSCH)、物理上行控制信道 (PUCCH)、物理下行共享信道 (PDSCH)、物理下行控制信道 (PDCCH) 以及物理隨機訪問信道 (PRACH) 通道的 LTE PHY 處理。
TCI6618 可支持兩個 20MHz 帶寬區段的 FDD LTE，以及 2x2 個使用高級接收機算法獲取的 150 Mbps 下行和 75 Mbps 上行吞吐帶寬的 MIMO。
KeyStone SoC 多內核架構和無與倫比的 TCI6618 系統、外設、加速器帶寬及吞吐量使得低成本的 LTE 移動寬帶成為現實，同時也為市場帶來了高性價比的 LTE 解決方案。
結論 以 TI 多年無線基站系統知識和業經驗證具有卓越性能的技術為依托，TCI6618 是在此基礎上持續創新的成果。TI KeyStone SoC 架構可為 LTE 及其持續技術演進提供最高的吞吐量以及符合未來要求的架構。4 款同時集成了定點與浮點功能的高性能 DSP 內核可為 LTE PHY 處理提供業界功能最強大的內核。豐富系列的硬件加速器不僅可減少 LTE 系統時延，而且還能完全釋放 CPU 資源，從而實現最佳的 LTE 系統性能以及獨具競爭優勢的差異化功能。TMS320TCI6618 可提供結合了業界開發生態系統且包含全面優化型 LTE PHY 庫軟件的最穩健硬件平臺。平臺開發軟件可大幅加速開發進程，以確保為客戶提供業界一流的 LTE PHY 解決方案。
如欲了解更多詳細，敬請訪問 http://focus.ti.cn/cn/docs/prod/folders/print/tms320tci6618.html
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