超3G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)領(lǐng)域的芯片設計發(fā)展趨勢

　　自從第一次成功地實(shí)現移動(dòng)電話(huà)呼叫以來(lái)，世界已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化。隨著(zhù)越來(lái)越依賴(lài)移動(dòng)電話(huà)，我們也成為了需求越來(lái)越旺盛的用戶(hù)。通話(huà)功能不足以滿(mǎn)足人們的需求。語(yǔ)音質(zhì)量必須與有線(xiàn)電話(huà)媲美。用戶(hù)需要100%的覆蓋率和各種業(yè)務(wù)(如實(shí)時(shí)消息、定位、視頻播放、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽等)。最后，人們希望回到家或在辦公室的每一個(gè)角落、甚至是全世界的任何地方都能享受同樣的服務(wù)。讓人人都有手機，并通過(guò)一個(gè)無(wú)處不在的、能夠負擔得起的、具有足夠帶寬的網(wǎng)絡(luò )，接入各種各樣的業(yè)務(wù)，是移動(dòng)通信的神圣使命。超3G(B3G)移動(dòng)電話(huà)正在努力解決用戶(hù)體驗質(zhì)量(QoE)，承諾用戶(hù)得到理想的服務(wù)。

　　動(dòng)機、驅動(dòng)力和趨勢

　　上一代和目前這一代移動(dòng)電話(huà)在覆蓋率、容量、語(yǔ)音質(zhì)量、服務(wù)和效率上取得了非常大的進(jìn)步(見(jiàn)圖1)，但是，在滿(mǎn)足消費者需求方面有時(shí)還有局限性。顯而易見(jiàn)，有必要轉向利用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)的、具有語(yǔ)音、視頻和數據融合以及無(wú)縫寬帶業(yè)務(wù)產(chǎn)品的綜合全數字網(wǎng)絡(luò )。除了利用在頻譜管理中取得的最新進(jìn)展來(lái)優(yōu)化成本之外，采用更為有效的調制方案也勢在必行。

　　有線(xiàn)生態(tài)系統已經(jīng)創(chuàng )建了一個(gè)永遠連線(xiàn)的感覺(jué)，它讓每一個(gè)用戶(hù)成為一個(gè)內容創(chuàng )造者。最終用戶(hù)利用xDSL會(huì )越來(lái)越熟悉寬帶業(yè)務(wù)，并期望隨著(zhù)生活走向移動(dòng)而擁有同樣類(lèi)型的服務(wù)。簡(jiǎn)單性和易用性是用戶(hù)需求表上顯示的另外一個(gè)問(wèn)題。

　　我們應該設想現有的技術(shù)不會(huì )消失，無(wú)線(xiàn)世界將持續制訂一系列的標準來(lái)提供不同的應用和服務(wù)。B3G不是要創(chuàng )建一個(gè)全新的“統治”技術(shù)，而是一個(gè)網(wǎng)中網(wǎng)概念，它支持所有現行的技術(shù)。用戶(hù)將能夠從一種無(wú)線(xiàn)通信標準自由漫游到另一種無(wú)線(xiàn)通信標準。這將對芯片設計工程師、軟件和協(xié)議棧提供商及系統集成商施加巨大的壓力，需把各種接入技術(shù)“擠進(jìn)”圖2所示的有限電路板空間上。

　　對于無(wú)縫漫游來(lái)說(shuō)，以同一IP地址漫游的能力是極為重要的，并將刺激消費者接受新的應用。目前的3G網(wǎng)絡(luò )數據傳輸率為384kbps，頻譜效率很低?，F在的HSDPA將下行鏈路峰值數據率擴展到了14Mbps(Category 10)，而HSUPA將上行鏈路峰值數據率擴展到了5Mbps。然而，B3G承諾把下行鏈路的移動(dòng)數據率擴展到最高100Mbps，而把上行鏈路的移動(dòng)數據率擴展到高達50Mbps(圖3)。進(jìn)一步的目標是：支持彈性帶寬、采用像OFDM這樣的新穎傳輸方案、大幅度降低延遲、采用通道質(zhì)量檢測的自適應調制和編碼等等。

　　有待克服的挑戰

　　無(wú)論在什么類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )中工作，移動(dòng)終端平臺都要具備可配置能力，以確保不間斷的通信鏈路。此外，數據率更快、帶寬需求更高的應用需要的處理能力比3G強大約10倍，這就使得功耗和硬件/軟件分區之間的折衷面臨更為嚴峻的挑戰。

　　通過(guò)輕松快捷的通信、信息瀏覽和使應用直覺(jué)化的、易于操作的界面，B3G系統將進(jìn)一步增強用戶(hù)的體驗。換言之，下一代平臺將具備豐富的功能，使用方便且節省電。這意味著(zhù)，這種利用45nm乃至更低節點(diǎn)以及低功率、高性能CMOS工藝技術(shù)的SoC將隱含著(zhù)超常的復雜性。

　　圖1：各代移動(dòng)通信技術(shù)的功能演進(jìn)

　　圖2：在單板上同時(shí)實(shí)現多種接入技術(shù)

　　目前，已經(jīng)有不少于25種標準投入商用，為人們提供移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，其中包括GSM、GPRS、EDGE、UMTS、CDMA2000、HSDPA、IEEE802.11a/b/g/n、DECT、藍牙、UWB、T-DMB、DVB-T、DVB-H以及其它標準。最終所有標準都將整合到B3G的保護之下，以使不同的系統能夠在全球范圍及各種無(wú)線(xiàn)環(huán)境中工作。

　　表1：3G與超3G兩種技術(shù)的比較

　　芯片供應商的觀(guān)點(diǎn)

　　最終，下一代網(wǎng)絡(luò )移動(dòng)技術(shù)也都將由芯片來(lái)實(shí)現。像英飛凌科技這樣的一些芯片提供商已經(jīng)在支持未來(lái)移動(dòng)技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)領(lǐng)域取得了長(cháng)足進(jìn)展，舉幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)，其中包括縮小芯片面積而實(shí)現更大的集成度、轉向低功耗CMOS工藝、投入巨大努力開(kāi)發(fā)具有通用接口的應用軟件。

　　未來(lái)的無(wú)線(xiàn)通信系統必須支持多種無(wú)線(xiàn)標準并具有同時(shí)執行這些標準的能力。因此，除了芯片的面積和功耗的限制之外，靈活性和可編程性將是最重要的功能之一。根據所側重的目標應用和業(yè)務(wù)，多標準收發(fā)系統的所有元器件之間，應該具有優(yōu)化區分。換言之，芯片供應商要仔細設計射頻和基帶系統的所有元器件，并考慮所有元器件、硬件/軟件之間的折衷?；鶐幚黼娐穼⒂啥鄠€(gè)DSP內核和專(zhuān)用加速器構成，并將是完全軟件可編程的。

　　原則上講，利用可編程或可調諧元器件構建完全靈活的RF前端是可能的；然而，由于專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信標準的極為嚴格的約束，使其在近期內難以實(shí)現(見(jiàn)圖4)。

　　圖4：集成多協(xié)議的多頻帶射頻系統概覽圖

　　在給定功率和硅片面積預算的前提下，一種靈活且容易編程的解決方案就是由一簇單指令多數據(SIMD)DSP內核構成的架構。在這種架構中，利用了一簇SIMD核，配上用于編解碼以及濾波的專(zhuān)用可編程處理器，還包括一個(gè)用來(lái)執行協(xié)議棧的CPU(見(jiàn)圖5)。

　　圖5：無(wú)線(xiàn)通信的一個(gè)基帶平臺架構實(shí)例

　　GSM的成功和3G的經(jīng)驗告訴我們，無(wú)線(xiàn)應用和業(yè)務(wù)的用戶(hù)期待著(zhù)經(jīng)濟的、可靠和安全的移動(dòng)終端，希望這種終端使用方便簡(jiǎn)捷，而將復雜性隱藏起來(lái)。還有一件比較重要的事情是，看廣播或視頻播放不應該以犧牲用戶(hù)終端的電池壽命或網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的語(yǔ)音業(yè)務(wù)為代價(jià)。

　　網(wǎng)絡(luò )的融合、技術(shù)的演進(jìn)和三重播放業(yè)務(wù)正在引領(lǐng)市場(chǎng)向著(zhù)概念更為復雜的B3G網(wǎng)絡(luò )發(fā)展。面對B3G系統終端的諸多挑戰，利用CMOS和RFCMOS工藝技術(shù)把所需要的處理能力集成到SoC中，是全球領(lǐng)先半導體制造商長(cháng)期研究的課題。預期系統設計要到2010年才能完成。其中，英飛凌公司正在對新一代的無(wú)線(xiàn)接入概念、通信處理器和數字信號處理架構和技術(shù)進(jìn)行評估。