基于LTE/4G的新型處理器架構滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)處理的需求

引言

　　為了讓現今的無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò )滿(mǎn)足日益增長(cháng)的無(wú)線(xiàn)數據處理需求，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(guò)采用更有效的傳輸技術(shù)來(lái)提升數據速率，下一步，4G要提升到更高數據率，LTE、4G基礎設施給半導體供應商提出的挑戰是要用數字信號處理器（DSP）來(lái)滿(mǎn)足更高的數據處理需求，這些新型DSP的性能要比我們今天所用的DSP高出幾個(gè)數量級！

　　全球移動(dòng)設備供應商協(xié)會(huì )（GSA）2010年4月的報告指出，全球已有31個(gè)國家承諾將部署64個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò )，預計到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88個(gè)運營(yíng)商已經(jīng)承諾將在42個(gè)國家部署LTE系統，有的已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行測試或進(jìn)行其他規劃活動(dòng)。

　　半導體產(chǎn)業(yè)商機巨大但挑戰并存，LTE的性能需求是現今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(wú)線(xiàn)技術(shù)，LTE采用的OFDMA技術(shù)采用多天線(xiàn)信號處理可以實(shí)現更高的頻譜效率，并可以支持更寬的頻譜。不過(guò)，OFDMA技術(shù)也更為復雜，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(gè)數量級DD從大約10個(gè)MOPS（每秒百萬(wàn)次運算）提高到10萬(wàn)甚至1百萬(wàn)MOPS，如此才可以提供LTE所要求的10到100 Mbps數據傳輸性能。

　　圖1、從GSM遷移到UMTS/HSDPA再到LTE，計算量需求要提升4、5個(gè)數量級

　　LTE還采用了先進(jìn)的多天線(xiàn)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用，需要新一代優(yōu)化的專(zhuān)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 DD單個(gè)通用DSP不能滿(mǎn)足這樣的性能需求，我們需要多顆DSP來(lái)實(shí)現LTE系統，而且這些DSP必須非常高效。以往的“通用”DSP將無(wú)法滿(mǎn)足數據處理要求。半導體供應商和IP供應商都在努力打造全新一代DSP，其性能可以滿(mǎn)足運營(yíng)商新建基礎設施的需求。

　　要開(kāi)發(fā)這些新的DSP，我們所面臨的挑戰是難以想像的，它無(wú)法通過(guò)提升DSP時(shí)鐘頻率來(lái)實(shí)現DD這樣做會(huì )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，這不僅意味著(zhù)硬件層面的開(kāi)發(fā)，也需要開(kāi)發(fā)配套的軟件DD因為越來(lái)越多的處理正在通過(guò)軟件來(lái)完成。

　　早期在開(kāi)發(fā)軟件定義無(wú)線(xiàn)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(wú)法跟上運算需求的增長(cháng)。而將密集運算交給RTL模塊的方法從根本上違背了軟件無(wú)線(xiàn)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(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)射頻系統DD多顆針對不同任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化設計的專(zhuān)用DSP。這些全新定制的專(zhuān)用DSP內核在設計之初就是從整個(gè)系統的角度出發(fā)，完全可以滿(mǎn)足LTE的運算性能需求。

　　2 所需的處理類(lèi)型

　　一個(gè)典型的現代通信收發(fā)機可以劃分為三個(gè)計算域：

　　信號域：實(shí)現復數或實(shí)數數據的優(yōu)化運算，包括FFT、濾波、同步以及矩陣運算等靠近系統中RF一側的運算。

　　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一側的運算。

　　比特域：通常是在發(fā)送端靠近MAC一側，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(lèi)型的DSP內核（IP內核是必要的，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(kāi)的芯片上實(shí)現）。