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(shì)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(hào)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(gè)數(shù)量級(jí)！

　　全球移動(dòng)設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會(huì)（GSA）2010年4月的報(bào)告指出，全球已有31個(gè)國家承諾將部署64個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)到2010年底將有22個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)交付使用，截止2011年年底將有39個(gè)或更多LTE網(wǎng)絡(luò)交付使用；總計(jì)88個(gè)運(yùn)營商已經(jīng)承諾將在42個(gè)國家部署LTE系統(tǒng)，有的已經(jīng)開始進(jìn)行測試或進(jìn)行其他規(guī)劃活動(dòng)。

　　半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)商機(jī)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(hào)處理可以實(shí)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(jì)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(jì)算量需求要提升4、5個(gè)數(shù)量級(jí)――從大約10個(gè)MOPS（每秒百萬次運(yùn)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(jì)算量需求要提升4、5個(gè)數(shù)量級(jí)

　　LTE還采用了先進(jìn)的多天線信號(hào)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(jì)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(dá)到新高

　　LTE的運(yùn)算處理要求如此巨大，因此對(duì)DSP的性能提升要求也是巨大的 ――單個(gè)通用DSP不能滿足這樣的性能需求，我們需要多顆DSP來實(shí)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(yùn)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(shí)鐘頻率來實(shí)現(xiàn)――這樣做會(huì)大幅增加功耗。我們需要針對(duì)運(yùn)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?yàn)樵絹碓蕉嗟奶幚碚谕ㄟ^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?yàn)樗麄兇蠖嗷趩我坏腄SP，其性能無法跟上運(yùn)算需求的增長。而將密集運(yùn)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?yàn)镽TL模塊是不可編程的。然而我們可以用多顆DSP處理器來實(shí)現(xiàn)無線射頻系統(tǒng)――多顆針對(duì)不同任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的專用DSP。這些全新定制的專用DSP內(nèi)核在設(shè)計(jì)之初就是從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，完全可以滿足LTE的運(yùn)算性能需求。

　　2 所需的處理類型

　　一個(gè)典型的現(xiàn)代通信收發(fā)機(jī)可以劃分為三個(gè)計(jì)算域：

　　信號(hào)域：實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)或?qū)崝?shù)數(shù)據(jù)的優(yōu)化運(yùn)算，包括FFT、濾波、同步以及矩陣運(yùn)算等靠近系統(tǒng)中RF一側(cè)的運(yùn)算。

　　比特軟值域（soft bit domain）：包括從軟件解映射模塊到前向糾錯(cuò)（FEC）解碼模塊等靠近接收端MAC一側(cè)的運(yùn)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(jì)算需求需要不同類型的DSP內(nèi)核（IP內(nèi)核是必要的，因?yàn)閺墓暮兔娣e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(shí)現(xiàn)）。

　　3 LTE基帶子系統(tǒng)分析

　　圖2展示了一個(gè)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(hào)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(hào)輸出到前端濾波模塊，該模塊驅(qū)動(dòng)隨后的OFDM信道估計(jì)和MIMO檢測模塊，這個(gè)模塊將來自多天線的信號(hào)合并起來而且可以改善接收端的帶寬和信號(hào)保真度，信號(hào)合并后會(huì)進(jìn)行復(fù)數(shù)的解調(diào)，然后是前向糾錯(cuò)，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(duì)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(gè)發(fā)射天線，兩個(gè)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(gè)計(jì)算域：信號(hào)處理域（接收信號(hào)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(shí)現(xiàn)，從而針對(duì)特定的任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。利用可配置技術(shù)還可以同時(shí)創(chuàng)建功能齊全的配套軟件工具鏈，所以不需要把時(shí)間浪費(fèi)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(gè)128位、3發(fā)射、16MAC的數(shù)字信號(hào)處理器，能夠在單周期內(nèi)完成多個(gè)復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和一個(gè)復(fù)數(shù)基-4FFT運(yùn)算。RxSP為每個(gè)符號(hào)產(chǎn)生源數(shù)據(jù)塊并進(jìn)行信道估計(jì)。源數(shù)據(jù)塊會(huì)立即寫入接收鏈路中的下一個(gè)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(duì)信道頭進(jìn)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(gè)計(jì)算域和兩個(gè)處理器，發(fā)射位處理器（TxBP）和發(fā)射信號(hào)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(duì)這一過程，Tensilica開發(fā)了一種比特流處理器（ConnX BSP3），它是一個(gè)32位DSP，增加了一些特殊指令，用于CRC、Turbo編碼和交織運(yùn)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(hào)，它們?cè)偬峁┙o前端濾波器用于上變頻和MASK兼容， TxSP用Tensilica的BBE16 DSP實(shí)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(yùn)營商附加的前綴匹配運(yùn)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(shì)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(gè)設(shè)計(jì)工作，并可以將培訓(xùn)成本降到最低。

　　采用多核方案實(shí)現(xiàn)LTE系統(tǒng)，因?yàn)槊總€(gè)DSP內(nèi)核是針對(duì)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(jì)而開發(fā)，通過增減不同類型的處理器，它可以很容易擴(kuò)展為不同性能級(jí)別的產(chǎn)品。由于處理器能夠進(jìn)一步定制，所以設(shè)計(jì)人員可以貫徹Tensilica公司的設(shè)計(jì)理念并將其進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)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(shí)現(xiàn)他們的獨(dú)特算法。

　　使用小型定制處理器的優(yōu)勢(shì)是，如果不需要這部分處理能力的時(shí)候，該內(nèi)核和它使用的存儲(chǔ)器都可以關(guān)斷（與3G和3.5G中的設(shè)計(jì)類似，在這些設(shè)計(jì)*耗是最受關(guān)注的），這有助于將功耗保持在最低水平。一個(gè)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(duì)LTE系統(tǒng)中的關(guān)鍵運(yùn)算定制DSP，還可以提高設(shè)計(jì)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(shí)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?yàn)橐环N算法只運(yùn)行在一個(gè)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，因此數(shù)據(jù)無需總線仲裁就可以快速地加載進(jìn)其他DSP的存儲(chǔ)器中。此外，與典型的基于總線的系統(tǒng)相比，也不會(huì)因?yàn)楦嗵幚砥鲯斓娇偩€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(shí)現(xiàn)

　　ConnX的ATLAS LTE的參考架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了完整的LTE的L1物理層設(shè)計(jì)，包括了運(yùn)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(shí)現(xiàn)。它可以作為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)LTE基帶系統(tǒng)的起點(diǎn)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(jì)，所以設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以部署ATLAS架構(gòu)中的所有7個(gè)模塊，也可以復(fù)用他們已有的RTL模塊去替代一個(gè)或者更多的ATLAS組件。不管是LTE設(shè)計(jì)師還是以后的LTE Advanced（4G）設(shè)計(jì)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。