用低成本FPGA實(shí)現Femtocell基帶架構
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過(guò)去的25年里，FPGA在無(wú)線(xiàn)基礎設施的開(kāi)發(fā)和部署中扮演了重要的角色。無(wú)線(xiàn)設備市場(chǎng)跨越了大批量FPGA生產(chǎn)與小批量ASIC生產(chǎn)之間的溝壑?；境闪藲v史的分界點(diǎn)，因為基站的升級和大規模部署所需器件量可達數萬(wàn)乃至數十萬(wàn)(圖1)。
低成本毫微微蜂窩(Femtocell)的出現以及它們所具有的數百萬(wàn)單元的預期潛能使得外界觀(guān)察者可能得出這樣的結論，FPGA已最終在這一應用領(lǐng)域得到了發(fā)展。本文主要分析Femtocell的架構，闡明創(chuàng )新的FPGA結構如何在新興的Femtocell中起到重要的作用。
Femtocell的架構
Femtocell是適合于家庭的小型基站，可支持單個(gè)家庭或少量用戶(hù)。人們正在構想各種各樣的Femtocell部署方案，范圍覆蓋農村、城市及郊區，這些基站仍被看作接入點(diǎn)基站(APBS)。Femtocell正在逐步成為無(wú)線(xiàn)基礎設施擴展的最終媒介，其原因如下：它們支持現有的3G手機；根據本地需求擴展無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )容量；CAPEX成本轉移至消費者；消費者把他們的Femtocell與家中的有線(xiàn)(電纜或光纖)連接，解決了回傳瓶頸問(wèn)題。 
圖1：Femtocel技術(shù)。
用簡(jiǎn)化的定義，很顯然，Femtocell基站必須具有與傳統基站同樣水準的功能特性。此外，家庭被認為是Femtocell理想的部署場(chǎng)所，因為這樣可以發(fā)揮出其增值特性，例如真正高質(zhì)量的語(yǔ)音、更快的數據和音樂(lè )下載中心，以及家庭內部通信系統等。置于家中的基站還具有巨大的潛能，廣告商通過(guò)它可以向用戶(hù)家庭提供具有高度針對性的信息。所有這些因素都強調需要構建靈活的Femtocell，特別是在最初的實(shí)施階段。
簡(jiǎn)化的Femtocell
家庭環(huán)境確實(shí)簡(jiǎn)化了Femtocell的一些特性需求，這為在器件級實(shí)現這些特性增加了一些選擇。首先，Femtocell只用于支持少量用戶(hù)，這大大減少了整個(gè)系統的處理需求；第二，它不像傳統基站需要支持快速行駛車(chē)輛上的終端用戶(hù)，Femtocell只需要支持居家范圍內行走的用戶(hù)，這大大簡(jiǎn)化了用于尋找和支持他們的搜索算法。這兩個(gè)主要差別使得僅用為數不多的幾個(gè)芯片就能實(shí)現一個(gè)Femtocell基站(見(jiàn)圖2)。 
圖2：簡(jiǎn)化的Femtocell框圖。
深入探討Femtocell
通過(guò)更深入地探討這一新的令人興奮的部署方案，可以迅速地揭示其復雜性，并了解為什么FPGA對其成功至關(guān)重要。首先要弄清楚的是，用戶(hù)采用的是哪種回傳技術(shù)(FTTx、Ethernet、ATM、DSL等)，以及這些回傳技術(shù)對Femtocell設計有何影響。第二，需要支持什么樣的空中接口？盡管這里所討論的主要是針對WCDMA/HSPA和CDMA/EV-DO，不過(guò)也需要考慮支持目前廣泛應用的GSM技術(shù)。如果WiMax和Wi-Fi Femtocell設計獲得成功，還需要支持這些標準嗎？同時(shí)，在家中安裝這種基站還存在一些需要解決的問(wèn)題，如安全性、訪(fǎng)問(wèn)控制、宏單元的沖突，遞交與分發(fā)。所有這些問(wèn)題都再次表明，需要構建靈活的Femtocell架構。
Femtocell的成本壓力
要在每個(gè)家庭普及這種Femtocell基站必然要面臨成本最小化的壓力。目標價(jià)格為100~200美元的Femtocell基站正處于論證中，這一價(jià)格區間遠低于當今具有完備特性的旗艦級FPGA的成本。
幸運的是，這一相對較新的基站架構出現之時(shí)，正是低成本FPGA普及程度得到迅速發(fā)展的階段，已經(jīng)占據整個(gè)市場(chǎng)的大約25%。FPGA供應商已開(kāi)發(fā)出擁有嵌入式特性的低成本FPGA，例如DSP塊、嵌入式存儲器和高速SERDES，只需要高端FPGA的一小部分成本便可實(shí)現無(wú)線(xiàn)基帶處理的性能需求。
傳統的DSP/FPGA處理
多年來(lái)在無(wú)線(xiàn)應用方面，FPGA和DSP是協(xié)處理伙伴。隨著(zhù)低成本、性能豐富的FPGA和專(zhuān)用于無(wú)線(xiàn)應用開(kāi)發(fā)的處理器的出現，對預期的大批量Femtocell應用，這個(gè)協(xié)作關(guān)系仍然成立。這些經(jīng)過(guò)相應簡(jiǎn)化的處理器可支持小型基站相應比較少的功能需求，與高集成度的處理器相比，這些處理器大大減少了成本。表所示是處理器和FPGA之間的一些性能差異。
處理器和FPGA之間的一些性能差異。
在構建傳統無(wú)線(xiàn)基礎設施時(shí)，表中所述的許多功能從FPGA和通信處理器移到ASIC，這種做法延續了多年，在最初實(shí)施的時(shí)候沒(méi)有ASIC是十分普遍的現象。預期Femtocell的早期部署將會(huì )遵循相同的歷史路徑。因此，前面所述的若干ASIC的功能將用低成本FPGA或者專(zhuān)門(mén)的通信處理器實(shí)現。
例如，基帶碼片率處理可以進(jìn)行分割，以至于RAKE接收機、RACH檢測器、展頻、加擾和通道加權/求和功能可以全部從處理器轉移到用硬件來(lái)實(shí)現。此外，針對硬件加速，像turbo解碼、調制和符號映射等碼片率處理功能也是可選的。像LatticeECP2M系列FPGA器件使得這種基于硬件的解決方案在單片、高集成度、低成本器件中得以實(shí)現，這使得提供具有嵌入式DSP、存儲塊和高速串行接口等多種傳統的高端功能成為可能，而在價(jià)格方面，可以使系統設計者跟上Femtocell市場(chǎng)的價(jià)格變化。
基帶實(shí)現實(shí)例：RAKE接收機
在優(yōu)化無(wú)線(xiàn)通信信號接收質(zhì)量過(guò)程中，PAKE接收機是一個(gè)很關(guān)鍵的因素，特別是當它與W-CDMA/UMTS相關(guān)時(shí)。在室外環(huán)境，必須處理多徑干擾和衰減，RAKE中需要增加更多的耙指，通過(guò)更復雜的Rx電路來(lái)保證通話(huà)質(zhì)量。相比之下，對于Femtocell來(lái)說(shuō)，居家環(huán)境中比較確定的移動(dòng)性意味著(zhù)可以簡(jiǎn)化掉這些需求。那么，在實(shí)現這些特性時(shí)在器件層面產(chǎn)生了多個(gè)選擇?？梢钥紤]的多個(gè)架構選項之一是減少RAKE接收機中所需耙指的數量，這樣簡(jiǎn)化了設計，更重要的成本會(huì )更低。關(guān)于在給定的Femtocell環(huán)境中，有關(guān)耙指數量的討論正在進(jìn)行中，這進(jìn)一步強調了靈活、低成本的硬件實(shí)現方案的重要性。
最大速率組合(MRC)是一個(gè)普通的RAKE接收機實(shí)現方案，它聚集了來(lái)自不同路徑的信號能量。這個(gè)信息用于決定應該分配給特定用戶(hù)的耙指數量，并用于計算初始延遲或耙指偏移。每個(gè)耙指作為一個(gè)相關(guān)器，加權，乘以耙指輸出，然后組合為MRC輸出。MRC功能及其在FPGA中的實(shí)現方案如圖3所示。
圖3：RAKE接收機結構的實(shí)例。
可編程技術(shù)的優(yōu)勢
主要無(wú)線(xiàn)基礎設施供應商很清楚ASIC、單片ASSP和FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)。對于包含一些新興規范的應用，或者需要定制邏輯時(shí)，可編程性對設計者來(lái)說(shuō)是必需的?？删幊绦詭椭到y設計人員設計出可以混合供應商的特殊邏輯并能提供多區域解決方案的單個(gè)硬件平臺。
作為支持主流無(wú)線(xiàn)手持設備的小型基站，Femtocell需要支持3G及其它版本(HSDPA/自適應天線(xiàn)/MUD/PA線(xiàn)性化)，以及4G技術(shù)。此外，Femtocell將增加一些可發(fā)揮居家環(huán)境優(yōu)勢的獨特的增值特性，對世界上某些區域，其中一些特性是特定的，仍需做出定義。
當基于有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的CPE匯聚于相鄰的Femtocell時(shí)，還應明白以太網(wǎng)在Femtocell回傳中扮演了重要的角色。因此，選擇FPGA時(shí)的一個(gè)重要考慮是要具有片上嵌入式高速以太網(wǎng)接口。
最重要的是，運營(yíng)商已聲稱(chēng)Femtocell要獲得成功一定要滿(mǎn)足特定的成本目標。低成本FPGA現在能提供Femtocell必需的SERDES、可編程邏輯和DSP功能，并能達到先前高端FPGA或ASSP/FPGA組合未能達到價(jià)格水平。這些低成本的FPGA兼具DSP塊、嵌入式存儲器和SERDES等嵌入式特性與可編程邏輯，這些新型低成本器件與專(zhuān)門(mén)的處理器相結合，對實(shí)現Femtocell來(lái)說(shuō)是一個(gè)頗具吸引力的解決方案。
本文小結
隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)設備供應商依賴(lài)FPGA實(shí)現了多種功能。在這激動(dòng)人心的發(fā)展過(guò)程中，Femtocell代表了又一個(gè)臺階，它也是無(wú)線(xiàn)技術(shù)革命的又一實(shí)例，在其最初的實(shí)施階段充分利用了當今低成本FPGA所提供的靈活性。這些優(yōu)點(diǎn)包括快速的產(chǎn)品上市時(shí)間，在不修改硬件的情況下適應規范的改變，靈活實(shí)現各種特性并將多種功能集成到一塊芯片上，同時(shí)其成本仍支持大批量、低成本的實(shí)施。
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