以全新的多核SoC架構進(jìn)行LTE開(kāi)發(fā)

LTE概述

蜂窩網(wǎng)絡(luò )的數據使用正迅速成長(cháng)，基礎設備廠(chǎng)商亦期待4G標準，以便為移動(dòng)用戶(hù)提供更大的容量及更好的使用體驗。3GPP所開(kāi)發(fā)的LTE已被許多運營(yíng)商選擇為無(wú)線(xiàn)基站及手機的新一代解決方案。LTE是3GPP標準第8版UMTS的提升。LTE一般稱(chēng)為4G標準，是目前無(wú)線(xiàn)傳輸數據的重大變革。

LTE采用OFDMA(正交頻分多址)技術(shù)，而3G技術(shù)則采用CDMA(碼分多址)技術(shù)，此一變革可透過(guò)多天線(xiàn)信號處理達到較高的頻譜效率，并為較寬譜頻帶寬提供更多支持。

在OFDMA中，快速傅立葉轉換(FFT)將可用頻寬分割成許多正交的較小頻寬?？焖俑盗⑷~逆轉換(IFFT)可重建頻帶。FFT及IFFT是經(jīng)過(guò)詳加定義的算法，當其采樣數為2的乘冪時(shí)即可有效執行。OFDM系統常見(jiàn)的FFT采樣數為512、1024及2048，較小的采樣則為128及256。支援的頻寬為5、10、15及20MHz。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是能簡(jiǎn)易地適用于不同的頻寬。

LTE也能夠使用先進(jìn)的多天線(xiàn)信號處理技術(shù)。其中兩項常用的技術(shù)為多入多出(MIMO)處理及波束成形。在MIMO中，系統發(fā)現從其中一個(gè)傳輸天線(xiàn)接收到的信號會(huì )與第二個(gè)天線(xiàn)接收到的信息有極大的差異，這在室內或人口密集的大城市相當常見(jiàn)，因為收發(fā)器及接收器之間有相當多反射與多重路徑。在這樣的情況下，各個(gè)天線(xiàn)在相同頻率下會(huì )傳輸不同的信號，在經(jīng)由接收器信號處理即可復原。

LTE對于SoC架構的影響

這些新的LTE特性顯現出基站必須以較短的延遲及較多的彈性支持較高的吞吐量。這對系統設計的許多層面形成極大的壓力。為了滿(mǎn)足這些需求，TI開(kāi)發(fā)出全新的SoC架構，其中許多內建的組件可滿(mǎn)足LTE蜂窩基站的需求(見(jiàn)圖1)。

圖1：德州儀器的多核SoC架構。

TI全新的架構采用先進(jìn)的DSP核技術(shù)，頻率高達1.2GHz，而且總處理能力達到256GMAC，遠高于當前市面的DSP(見(jiàn)圖2)。該內核支持定點(diǎn)及浮點(diǎn)運算，其中的指令集完全與TI的TMS320C64x+ DSP指令集向下兼容。定點(diǎn)及浮點(diǎn)運作的處理速度均超過(guò)1GHz，顯示DSP領(lǐng)域出現真正的變化。開(kāi)發(fā)人員將不再需要在定點(diǎn)的原始速率及浮點(diǎn)的精度之間抉擇，如今已可兩者兼得，因為T(mén)I全新的架構支持在定點(diǎn)及浮點(diǎn)指令之間切換。

圖2:德州儀器全新的架構采用先進(jìn)的DSP內核技術(shù)，頻率速度高達1.2GHz。

MIMO處理涉及針對相同頻譜的信號進(jìn)行數據譯碼。相較于此一程序的算法，由于典型N變量的N是未知數，需要矩陣求逆法才能解決。將矩陣求逆引入處理鏈，對于定點(diǎn)處理器的性能深具影響。這是因為矩陣求逆容易受到精度限制的影響，導致16位及32位定點(diǎn)運作的性能不佳，甚至無(wú)法運作。程序設計人員一般都必須使用虛擬浮點(diǎn)法來(lái)達到所需的精度，同時(shí)嘗試保留足夠的處理能力來(lái)執行系統。

TI全新的架構針對業(yè)界最高速DSP引進(jìn)原生浮點(diǎn)支持，可謂是一大突破。浮點(diǎn)處理器的速度一般比定點(diǎn)處理器慢，因此不適用于蜂窩基站這樣的高性能場(chǎng)合。結合原生浮點(diǎn)支持及領(lǐng)先業(yè)界的C64x+定點(diǎn)架構后，TI帶來(lái)定點(diǎn)及浮點(diǎn)兩者的最高處理效能，進(jìn)而對LTE系統發(fā)揮影響。程序設計人員可使用優(yōu)化的16位程序代碼，其中精度不是影響的因素，而且對于需要高精度的算法可達到IEEE浮點(diǎn)精度，例如MIMO均衡器。這使得LTE系統架構的效率相當高，使得基站可達到最低的功耗、最高的效能及最大的輸出量。

浮點(diǎn)算法設計的另一項優(yōu)點(diǎn)是能夠簡(jiǎn)易地開(kāi)發(fā)和升級算法，并導入實(shí)際的系統中。通信系統的一般設計流程是先根據計算機模型開(kāi)發(fā)算法，然后將其用于初始的系統部署。隨著(zhù)部署的范圍及運用不斷擴大，工程人員需要收集實(shí)際數據提供給算法團隊，以供提升系統性能。這些全新的算法通常是以本身是浮點(diǎn)運作的MATLAB實(shí)現進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其中的難題在于將這些浮點(diǎn)MATLAB算法轉換為定點(diǎn)DSP，同時(shí)維持算法及系統兩者的性能，因為不靈活的算法會(huì )用盡系統資源，而降低整體的基站性能。

如果涉及復雜的矩陣處理，將程序代碼從MATLAB導入實(shí)際系統通常需要幾周或幾星期的時(shí)間。透過(guò)TI全新架構的原生浮點(diǎn)支持，便不需要進(jìn)行這整個(gè)程序。透過(guò)使用浮點(diǎn)C語(yǔ)言程序代碼以及直接編譯于TI的DSP，即可從MATLAB導入程序代碼。

其重要性對于LTE系統的系統設計人員及程序設計人員來(lái)說(shuō)，并非言過(guò)其實(shí)。隨著(zhù)LTE演變?yōu)長(cháng)TE-A及未來(lái)的標準，浮點(diǎn)很可能在未來(lái)變得更加重要，因為多天線(xiàn)信號處理的趨勢顯得日益復雜。