满足并超越 LTE 要

本文介绍如何运用较新DSP构建满足LTE（长期演进）要求的基站

作者：Manish Patel，德州仪器

作为无线通信行业今后几年内将逐步推出的 4G 解决方案之一，LTE（长期演进）提出了一系列宏伟的目标。这些目标为技术供应商、设备制造商以及服务供应商提出了众多艰巨的挑战。

LTE是3G通用移动通信系统 (UMTS) 的新一代无线协议，经由第三代合作伙伴计划 (3GPP) 开发，目标是将蜂窝式发展成为基于数据包的全IP（因特网协议）网络。在 LTE的众多目标中，有分别为100与50兆位每秒 (Mbps) 的高速上行与下行数据速率，以及不超过5毫秒 (ms) 的低数据包延时。对无线IP语音 (VoIP) 等新型业务而言，后者的重要性正在不断提升。此外，这项技术必须具有更高的频谱效率和通信容量，以及更低的每位通信成本。

为实现上述目标，LTE 采用了多种概念以显著提升技术复杂性。除其它先进技术以外，特别值得一提的是更为复杂的上行与下行的调制方案，高灵活通道带宽，以及某些情况下需要采用多个天线的多输入多输出 (MIMO) 架构。较后，LTE提高的复杂性要求基站与手机具有极其强大、灵活和创新的处理性能。

LTE 的下行链路执行正交频分复用 (OFDM) 调制方案，其上行链路执行OFDM 的衍生方案以及单载波频分复用 (SC-FDMA)。上行链路采用SC-FDMA的原因是其功率放大器的效率高于OFDM，可延长手机电池的使用寿命。OFDM相当复杂，由2048 个间隔 15KHz的子载波组成。为数众多的子载波可增强OFDM多路径功能，强化抗干扰能力，改善频谱利用效率，并提高数据传输率。

上行与下行链路均可从1.25MHz扩展到20MHz的可扩展带宽，使LTE既可利用新频段，也可利用现有频段。MIMO架构则可通过多信号路径实现LTE的高数据速率。LTE 的上行与下行调制方案略有不同的原因是为了控制LTE手机成本。如果手机使用多个天线，MIMO有可能实现超100/50 Mbps的数据速率。

满足 LTE 基站设备要求

为解决LTE高度的复杂性，德州仪器开发了具有嵌入式加速器的TCI6487多内核 DSP，可充分满足适用于基带处理的2G、3G以及4G无线基站标准的要求。TCI6487是业界首款具有三个“C64+ DSP内核”的多内核数字信号处理器 (DSP)，总处理能力可达3GHz，能满足MAC与PHY处理等LTE基带任务的要求。

为满足LTE高数据传输率要求并确保数据包延迟时间不超过5ms，该器件内置了Viterbi与 Turbo协处理器 (TCP)，从而将主DSP内核中编码／解码任务分担了出来。这两个协处理加速器可处理 LTE 处理过程中所需的大量数学密集型编码函数。作为高度灵活的加速器，TCP2是专门针对支持Turbo解码而开发，不仅支持LTE，而且还可支持所有3GPP标准。该产品从TCI6487的DSP内核将Turbo解码任务分担出来，释放更多处理容量以充分满足MAC与PHY处理需求。或者，可将这部分处理空间用于处理基站的更多用户，特别是满足高密度蜂窝需求。

对于基站而言，要满足 LTE 的更高要求，必须具备一定的灵活性与再配置能力。例如，在低密度蜂窝中，可通过使一个内核专用于MAC处理，另两个内核执行PHY层的发送与接收功能， TCI6487可被当作单芯片解决方案使用。而对于高密度蜂窝，众多用户都在充分利用LTE的更高数据速率优势，这又提出了另一种技术难题。该情况下可部署多个 TCI6487，其中一个芯片用于该蜂窝的所有MAC处理，其它芯片则用于PHY发送与接收。这样，就可将DSP专用于在LTE下行与上行模式中执行的OFDM或SC-FDMA调制方案。

要充分利用多核DSP自身的高灵活性，需采用多级片上存储器架构。利用TCI6487，可将一级存储器 (L1) 配置为高速缓存或者标准存储器存储。此外，专用于每个内核的L2存储量还可实现部分扩展。L2存储器3 MB的总容量可平均分给三个内核，或者每个按 0.5 MB、1 MB 与 1.5 MB 的比例进行分配。对于需要同时处理多个不同任务的复杂LTE部署而言，后一种方式可提升效率。例如，用于处理存储器密集型任务的内核可以配置为1.5 MB的L2存储器

与 LTE 保持同步

通过基站以LTE速率传输数据时，需要以极高速度的I/O向DSP输入输出数据，从而可避免出现瓶颈。因此，TCI6487采用的外设包括了Serial Rapid I/O (SRIO) 接口。SRIO可将该器件的灵活性与可扩展性提高到电路板级别，并可降低电路板的复杂性与成本。

双通道SRIO接口的每个通道均可实现每秒1.25、2.5 或 3.125 Gb的数据传输速率。在LTE基站背板上，可将其配置为两个单通道高速专用链路，用于电路板上ASIC或者FPGA等器件或者电路板之间的连接。

在另一种配置中，SRIO能够与点对点排列或主／从架构中的多个DSP进行互连。作为芯片间的板载点对点互连时，专用SRIO通道可消除共享总线过载造成的瓶颈问题。使用LTE可传输大量数据的功能日趋重要。SRIO接口的可扩展性与高灵活性可实现各种类型的架构，其中包括星形、环形、U 形菊花链等等等。

图 1. SRIO 可支持各种点对点配置，包括 U 型菊花链

另一种进行LTE基站卡上芯片间互联的方式是千兆以太网交换机架构。此外，为支持这种方式，TCI6487还整合了千兆以太网接口。

天线接口

在速度较慢的3G与3.5G协议下，DSP可通过ASIC或FPGA上的外部存储器接口 (EMIF) 与天线的数据流连接。而4G LTE规范的更高传输速度与更低数据包延时则需要新一代天线解决方案。幸运的是，至少有通用公共射频接口 (CPRI) 与开放式基站架构同盟 (OBSAI) 接口这两种天线接口可满足LTE对速度的要求。CPRI的链路速率较低为614.4 Mbps，较高可达2.4 Gbps。OBSAI支持的速率范围在768 Mbps至3.07 Gbps之间。由于CPRI与OBSAI的高数据速率，LTE天线数据流可直接导入基带处理器，从而可取消通常将天线数据与DSP相连ASIC或者FPGA（图2）。

图 2. 基本 3G 或 3.5G 天线架构

TI TCI6487芯片具有六通道天线接口，是首款可同时支持CPRI与OBSAI标准的 DSP。此外，该六通道OBSAI/CPRI天线接口还可在一块电路板上配置多种架构，如星形、环形、U 形菊花链、标准菊花链以及其它形状（图 3）。每个天线接口的链路均可支持上行链路或者下行链路模式，较多可支持48条上行链路与24条下行链路数据流。

图 3. 基于 CPRI 或 OBSAI 的全新天线架构能够与背板直接连接

软件环境缩短产品上市时间

基础局端OEM厂商正在开发使用TCI6487多内核DSP器件阵列的多标准、高灵活基带卡。这样的平台可实现灵活执行，特别适用于实验室或实验场的初期LTE平台。基础局端厂商倾向于开发多标准平台，因为符合多标准的单硬件平台可降低研发投入并加快产品上市进程。一部分基础局端厂家使用TCI6487多内核DSP，开发可同时支持WCDMA-HSPA与LTE的平台；而另一部分则使用它开发可同时支持WiMAX与LTE 的平台。

已经完全通过测试、随时可执行的LTE软件模块库可支持TCI6487 DSP，并可加速新基站的上市进程。LTE PHY包括调制映射、解扰、通道均衡、RACH 处理等所有功能均已产品化，并以库模块的方式提供。

此外，该产品可与TI前代无线基础局端DSP相兼容，这就意味着3G与3.5G WCDMA协议的常用功能可无缝升级到LTE应用。TCI6487芯片上也具备Code Composer Studio等TI前代DSP使用的软件开发工具，从而可为开发人员提供熟悉而高效的软件开发工具集。

TI第三方软件供应商Virtual Logix提供的基于Linux的开发环境可简化TCI6487的编程工作。Virtual Logix Linux内核能够与DSP/BIOS并行运行，可为快速开发MAC与PHY编程算法以及其它LTE软件模块提供一个高效环境。此外，同样由第三方合作伙伴提供的CommAgility AMC-6487平台等硬件开发平台具有三个TCI6487，有助于加快开发进程。

降低功耗

功耗一直是无线基站要考虑的问题。功耗越大，服务供应商的运营成本就越高。如果不解决基站的功耗问题，LTE降低单位比特通信成本的目标就难以实现。

由于TCI6487芯片是多内核 DSP，与每一块芯片本身都拥有众多外设接口的分立式DSP相比，前者可大幅降低功耗。将多个I/O接口集中到一块具有三个内核的芯片上可降低外设接口的功耗，因为他们由多个DSP内核共享。

此外，TCI6487还采用了TI的SmartReflex节电技术。除了运用电源开关、隔离以及电压漂移等传统节电技术来实现器件电源区域的精细粒度方案，SmartReflex技术还可使设计人员在满足LTE性能要求的同时，降低静态与动态功耗。Smart Reflex技术需要根据芯片的制造工艺与热参数来考虑器件特定硅芯片特性等因素。这样，既可有效降低DSP功耗，又可维持TCI6487 1GHz的性能目标。根据所使用的算法，这种方法可使 TCI6487工作在极低功耗下，较大功耗不超过6W。该低功耗特性可在不突破功耗预算的情况下，在同一板卡上使用6至8个器件。该配置可帮助基础局端厂商实现一个重要目标：即在同一硬件卡上支持 LTE 基带处理的三个部分（或蜂窝）。

满足并超越目标

毋庸置疑，LTE与其它4G无线解决方案的高数据速率将为众多新的无线应用与服务开启大门。然而达到并超越LTE系统的高性能与高复杂性的要求也绝非易事，但是TI等技术供应商为实现这种强大的新一代无线基础局端正在有条不紊地进行相关工作。

关于作者

Manish 于 2003 年 11 月加入 TI，目前在 DSP 系统部下属的通信基础局端业务部任产品经理。Manish 在无线产业领域拥有长达 17 年的丰富经验，从事过移动终端／PDA、WiMAX 网络设备、客户端设备 (CPE) 器件、无绳电话、WLAN 设备以及基带 DSP 芯片产品的

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