基于TI KeyStone SoC的多標準無(wú)線(xiàn)基站設計

　為了使自身具備強大的競爭優(yōu)勢，無(wú)線(xiàn)基站制造商需要支持部署在全球范圍內的各種模式和技術(shù)，從而彌合全球各地的各種區域差異。作為業(yè)界唯一一家無(wú)線(xiàn)基站SoC廠(chǎng)商，TI實(shí)現了精準而獨特的市場(chǎng)定位，能夠為需要在如此復雜多樣的環(huán)境中以低成本交付多標準解決方案的制造商提供通用平臺。本白皮書(shū)不僅深入探討了在滿(mǎn)足當今無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商的需求時(shí)OEM所面臨的眾多挑戰，同時(shí)還介紹了TIKeyStone多內核架構提供的平臺將如何推進(jìn)制造商不斷獲得成功。

　　雖然無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)從來(lái)沒(méi)有像現在這樣紛繁復雜、充滿(mǎn)挑戰，但也從未缺乏魅力和蓬勃發(fā)展的生機。隨著(zhù)對智能手機消費需求的日益增長(cháng)和平板電腦的悄然走俏，越來(lái)越多的用戶(hù)開(kāi)始接入移動(dòng)因特網(wǎng)，從而對移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的容量不斷提出更高的要求。同時(shí)GSM等2G技術(shù)仍然非常流行，因此運營(yíng)商在向新一代高速網(wǎng)絡(luò )技術(shù)進(jìn)軍的同時(shí)仍然必須支持向后兼容性。在目前的經(jīng)濟環(huán)境下，運營(yíng)商必須在限制資本支出、保障運營(yíng)成本平衡的同時(shí)，合理應對技術(shù)的發(fā)展和不斷變化的市場(chǎng)形勢。

　　每一家運營(yíng)商都具有其獨特的頻譜范圍，其用戶(hù)群也是如此。對于OEM廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，部署“一體通用”的基站是一項嚴峻的挑戰，因為每一項部署都可謂千差萬(wàn)別。另外，限于目前網(wǎng)絡(luò )部署策略的固有物理特點(diǎn)，智能手機的普及和通信數據量的激增都給有限的頻譜范圍造成了壓力。這就促使將宏模塊周?chē)皟炔康奈⑿⌒蛦卧砑拥浆F行的混合基站配置中，這也許會(huì )從根本上改變未來(lái)網(wǎng)絡(luò )的結構。對于無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商和無(wú)線(xiàn)基站制造商來(lái)說(shuō)，這將是一個(gè)前景不甚明朗、充滿(mǎn)風(fēng)險的領(lǐng)域，需要他們潛心探索。

　　運營(yíng)商夢(mèng)寐以求的解決方案

　　對于運營(yíng)商而言，理想的解決方案就是能夠擁有既可支持其客戶(hù)日新月異的應用需求，同時(shí)又能兼顧實(shí)現其資金和運營(yíng)目標的通用平臺。

　　多標準支持—運營(yíng)商面對著(zhù)雙重挑戰，既需要滿(mǎn)足采用各種技術(shù)的現有客戶(hù)，同時(shí)又要快速適應用戶(hù)隨時(shí)升級使用各種新技術(shù)。此外，運營(yíng)商還需要在戰略上向 4G升級以始終保持競爭優(yōu)勢。這就要求完成一項繁重而枯燥的任務(wù)，那就是在現有客戶(hù)的滿(mǎn)意度和收益，與為實(shí)現技術(shù)演進(jìn)發(fā)展而進(jìn)行的成本投資之間實(shí)現最佳平衡。

　　我們以某擁有GSM/EDGE客戶(hù)且積極向3G升級的運營(yíng)商為例。在該例中，2G用戶(hù)代表了客戶(hù)群中的絕大多數，隨著(zhù)時(shí)間的推移，這些用戶(hù)也將購買(mǎi)新的3G手機、智能電話(huà)以及平板電腦等。這意味著(zhù)擁有2G和3G設備的比例將不斷變化。眾多3G用戶(hù)又會(huì )在需要時(shí)購買(mǎi)4G設備，這就促使運營(yíng)商必須在同一基站發(fā)射塔中同時(shí)支持2G、3G和4G。

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　　如果網(wǎng)絡(luò )或者部分網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有4G信號覆蓋，那么4G手機將“返回”使用3G。如果網(wǎng)絡(luò )的特定區域僅有2G信號覆蓋，那么4G和3G手機都將“返回”使用 2G。運營(yíng)商必須讓2G信號覆蓋每個(gè)角落，因為這是所有客戶(hù)共同的最低限要求。對于眾多運營(yíng)商而言，這一多標準配置的局面在今后很長(cháng)一段時(shí)間內都將存在。

　　為能順利實(shí)現過(guò)渡，運營(yíng)商會(huì )在他們的網(wǎng)絡(luò )中持續收集各個(gè)蜂窩單元對2G、3G和4G業(yè)務(wù)的需求統計數據。通過(guò)遠程控制，運營(yíng)商希望能夠妥善地改變基站的混合容量以滿(mǎn)足上述流量需求，并最大限度地減少3G用戶(hù)返回使用2G或4G用戶(hù)返回使用3G的幾率。由于4G的頻譜效率優(yōu)于3G，而3G又相應地優(yōu)于 2G，運營(yíng)商非常希望能讓盡可能多的用戶(hù)使用更為高級的通信標準。這樣就能在他們所投資的寶貴的頻譜中最大化通信流量。

　　由于監管部門(mén)允許運營(yíng)商對頻譜進(jìn)行重復利用，因而這對他們而言可謂另一個(gè)至關(guān)重要的方面。通過(guò)了解其客戶(hù)群的使用量及發(fā)展趨勢，運營(yíng)商發(fā)現他們不僅能夠保持對現有2G服務(wù)的支持，同時(shí)還能將當前部分頻譜分配給更高級的3G或4G。例如，通過(guò)部署更高效的基站來(lái)對GSM頻譜進(jìn)行改造，能夠在單個(gè)載波中獲得額外的語(yǔ)音用戶(hù)，從而可將其他的載波分配給3G或4G業(yè)務(wù)。VAMOS(單時(shí)段中自適應多用戶(hù)通道的語(yǔ)音業(yè)務(wù))方案就是一個(gè)非常好的例證，其從本質(zhì)上使得3G系統中收發(fā)器的峰值容量實(shí)現了雙倍提升。

　　讓運營(yíng)及維護盡在掌控對于當今的無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商來(lái)說(shuō)，運營(yíng)及維護面臨的挑戰是雙重的。首先，為了能夠高效應對上述多標準支持帶來(lái)的挑戰，運營(yíng)商希望能夠遠程控制基站并可根據用戶(hù)狀態(tài)的變化迅速修改基站配置。由于資本性支出及加速上市進(jìn)程等原因，運營(yíng)商希望準備就緒的基站能夠快速獲得重新配置以適應標準在使用方面的變化。運營(yíng)商不僅能顯著(zhù)受惠于基站設備的重復利用，同時(shí)還能通過(guò)遠程配置大幅節省勞動(dòng)成本。無(wú)需更新即能重新配置的遠程無(wú)線(xiàn)電廣播終端的部署規模日益擴大，這使基站廠(chǎng)商承受了巨大壓力，其也需要支持遠程重配置功能。

　　由于具備軟件可升級性，基站目前的現場(chǎng)服務(wù)年限超過(guò)10年，從而顯著(zhù)相應優(yōu)化了運營(yíng)商的固定資產(chǎn)投入。部署那些具有線(xiàn)卡可配置且標準可擴展特性的通用基站平臺不僅能夠減少技術(shù)服務(wù)及維護成本，而且還能進(jìn)一步降低配件與庫存成本?，F場(chǎng)技術(shù)人員可為重要的成套設備建立專(zhuān)家團隊。就此而言，運行及維護成本也會(huì )大幅降低，從而既能優(yōu)化運營(yíng)管理成本又可節省固定資本的投入。
3　OEM廠(chǎng)商的回應

　　OEM廠(chǎng)商面臨著(zhù)嚴峻的挑戰，他們需要提供可支持各種無(wú)線(xiàn)標準的產(chǎn)品才能在上述應用方面為運營(yíng)商提供支持。他們需要提供可支持現有技術(shù)的基站，并擁有升級至未來(lái)標準的能力。他們必須為運營(yíng)商提供可高度擴展的遠程配置解決方案，同時(shí)相關(guān)的成本和功耗還需要全面滿(mǎn)足運營(yíng)商在成本支出和運營(yíng)支出方面設定的目標，這是個(gè)相當艱巨的挑戰。為了獲得成功，OEM廠(chǎng)商需要以低成本提供基站，且其研發(fā)和支持費用又需要滿(mǎn)足其各自的商業(yè)目標。

　　那么，OEM廠(chǎng)商將如何全面實(shí)現平衡呢?為各個(gè)標準和現場(chǎng)配置構建專(zhuān)有平臺并非解決之道。像大多數企業(yè)一樣，基站廠(chǎng)商也有商業(yè)盈利目標，那就是限制研發(fā)和產(chǎn)品支持費用并從資源的優(yōu)化配置中獲利。理想情況下，他們應擁有一套能從中生成多種配置以滿(mǎn)足不同運營(yíng)商需求的基站平臺設計。由于軟件是一項重要的投資，并占據基站設計中的很大一部分，因而擁有一套軟件可移植性和可重用性的解決方案至關(guān)重要。OEM廠(chǎng)商需要的通用硬件平臺能以極少的重復設計支持多種無(wú)線(xiàn)配置，從而能夠優(yōu)化研發(fā)成本、加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。為了應對這一挑戰，我們需要能大幅優(yōu)化軟件開(kāi)發(fā)及重用性的通用基站片上系統(SoC)平臺。

　　TI提供理想的解決方案

　　TI提供的通用SoC平臺使基站OEM廠(chǎng)商不僅能夠設計多標準平臺，而且還能創(chuàng )建特定于標準的平臺。TI在此方面擁有獨特的優(yōu)勢。TI功能強大的創(chuàng )新型KeyStone架構可為基于通用軟件/硬件平臺之上的多種器件，從而可支持各種通用的無(wú)線(xiàn)標準，非常適用于從微小型單元到宏單元配置的各種解決方案。 KeyStone平臺使OEM廠(chǎng)商能通過(guò)以下詳述的兩種方案實(shí)現運營(yíng)商的多標準目標。

　　KeyStone架構多標準支持的第一步即在于TI的KeyStone架構。該KeyStone架構采用可同時(shí)提供具有定點(diǎn)和浮點(diǎn)處理能力的高級 DSP內核(C66x)，從而使OEM廠(chǎng)商和運營(yíng)商無(wú)論在現在當前的部署中還是在將來(lái)的高級天線(xiàn)和算法配置中都能實(shí)現差異化功能。該款擁有通用I/O接口及SoC基礎架構的內核使軟件的重復使用和移植變得簡(jiǎn)單便捷。此平臺包含一套可優(yōu)化研發(fā)工作的通用工具，而且在通過(guò)單個(gè)解決方案平臺開(kāi)發(fā)多個(gè)產(chǎn)品時(shí)能夠顯著(zhù)加快上市進(jìn)程。KeyStone架構見(jiàn)圖1。

　　KeyStone多內核SoC架構在業(yè)界率先提供了完整的多核性能。KeyStone可為所有的處理內核、外設、協(xié)處理器和I/O接口提供非阻塞接入。部分能充分發(fā)揮多內核性能的創(chuàng )新功能包括：多內核導航器、TeraNet、多內核共享存儲器控制器(MSMC)和超連結。

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TIKeyStone多內核SoC架構

　　圖1–-TIKeyStone多內核SoC架構：理想適用于多標準實(shí)施

　　多內核導航器—TI多內核導航器是一款基于分組的創(chuàng )新型管理器，能夠控制8,192個(gè)隊列且能在各種子系統之間提取連接。多內核導航器擁有可實(shí)現通信、數據傳輸以及任務(wù)管理的統一接口以及“一次性零拷貝復制”范式，能夠以更少的中斷數和更低的軟件復雜度實(shí)現更高的系統性能。

　　我們以多內核導航器的運行原理為例，多內核導航器不僅能夠進(jìn)行任務(wù)調度，面且還能在無(wú)需外部管理的情況下指示下一個(gè)空閑的DSP內核讀取任務(wù)并進(jìn)行處理。其可從如下幾個(gè)方面簡(jiǎn)化軟件架構并提高基站的性能。

　　•動(dòng)態(tài)資源/負載共享

　　•跨子系統通信時(shí)可減輕CPU的開(kāi)銷(xiāo)/延遲

　　•基于硬件的任務(wù)優(yōu)先級排序

　　•動(dòng)態(tài)負載平衡

　　•適用于所有IP模塊(軟件、I/O和加速器)的通用通信方法

　　多內核導航器可在無(wú)需CPU干預的情況下控制數據流，從而釋放移動(dòng)數據所需的CPU周期，并能將片上通信速率提高達每秒20億條消息。此外，其還能大幅簡(jiǎn)化軟件架構，以使開(kāi)發(fā)周期更短、資源利用更合理。

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　　TeraNet—TeraNet采用層級交換結構，能夠在SoC內組合交付超過(guò)2Tb的數據傳輸帶寬。這從本質(zhì)上確保了內核或協(xié)處理器再也不會(huì )缺少數據，并能夠交付名符其實(shí)的處理能力。由于交換結構屬于層級式而非常平坦的縱橫式，因而整體功耗能夠在空閑狀態(tài)下大幅降低，并能以最小的時(shí)延提供非常高的性能，這也是新一代基站的關(guān)鍵要求。

　　多核共享存儲控制器(MSMC)–MSMC是一種可用于增強性能的獨特存儲器架構。MSMC允許內核在不使用任何TeraNet帶寬的條件下直接訪(fǎng)問(wèn)共享存儲器。MSMC可在各內核和其他IP模塊之間對共享存儲器的存取進(jìn)行判優(yōu)，從而消除了存儲器爭用的情況發(fā)生。DDR3外部存儲器接口(EMIF)可直接連接至MSMC，從而不僅可減少與外部存儲器獲取相關(guān)的時(shí)延，而且還能提高速度并支持基站應用的需求。

　　超鏈接—超鏈接是一個(gè)具有50Gbps總吞吐量的互連協(xié)議，其可實(shí)現高速度的低協(xié)議層通信以及與其他KeyStone、FPGA或ASIC設備的互連互通，并能夠提供從主器件到同伴器件的透明的存儲器映射接入。這就能夠大幅簡(jiǎn)化軟件編程，并為OEM廠(chǎng)商實(shí)現可擴展的解決方案提供了無(wú)縫路徑。

　　這一系列功能強大且高度靈活的SoC組件是設計高效率多標準基站的關(guān)鍵。鑒于2G、3G、4G系統之間存在各種復雜性，頻分復用系統對時(shí)分復用系統的挑戰性以及區域部署的多變性，若不從一個(gè)堅實(shí)的基礎開(kāi)始，想要在所有的平臺上使用通用的SoC等于紙上談兵。

　　TI的加速戰略為了多標準能成功實(shí)現，第二大關(guān)鍵因素就是是否能夠通過(guò)TI的加速戰略。DSP始終是無(wú)線(xiàn)基站基帶處理的關(guān)鍵元素。其對信號處理的優(yōu)化非常適用于無(wú)線(xiàn)應用領(lǐng)域。盡管如此，出于成本和功耗的原因，一些常規和標準定義的功能更適用于在硬件中實(shí)施。雖然這些可以在外部硬件邏輯器件中完成，但 TI還是為基站制造商提供了更低成本及更低功耗的備選方案，即在基于KeyStone的SoC中集成了這些功能。自2003以來(lái)，TI一直致力于為無(wú)線(xiàn)基站市場(chǎng)提供基于DSP的集成型SoC。隨著(zhù)硅芯片技術(shù)的不斷發(fā)展以及無(wú)線(xiàn)標準的不斷演進(jìn)，公司不斷推出新生代產(chǎn)品，從而可為OEM廠(chǎng)商提供能滿(mǎn)足運營(yíng)商需求的最具競爭優(yōu)勢的解決方案。
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　　圖2顯示了TI在無(wú)線(xiàn)基站SoC領(lǐng)域的發(fā)展歷程和領(lǐng)導地位。第一代SoC承擔了GSM和CDMA等早期2G技術(shù)的無(wú)線(xiàn)部署，其中包含了viterbi 和turbo解碼器。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)標準不斷進(jìn)步，超越語(yǔ)音服務(wù)而進(jìn)入數字時(shí)代，TI為實(shí)現更高容量增強了DSP及相關(guān)協(xié)處理器。第三代SoC能夠實(shí)現更豐富的功能，其中包括支持所有標準的第一代帶無(wú)線(xiàn)協(xié)處理器的多內核DSP，以及對集成了接收加速器的WCDMA(WCDMA在全球范圍內的應用不斷增加)的更全面支持。

　　當今的第四代和目前解決方案系列可為所有3G、4G添加一系列廣泛而強大的協(xié)處理器，從而加強現有無(wú)線(xiàn)標準的性能。這些協(xié)處理器包括多種特性，如 WCDMA的傳輸發(fā)射、所有標準的比特速率處理、快速傅里葉變換，以及功能更強大的turbo解碼等。除了支持物理層及所述標準中的第一層外，目前這一代 SoC還包括對第二層功能以及網(wǎng)絡(luò )協(xié)處理器的支持。

　　
TI的實(shí)施歷程

　　圖2–-TI的實(shí)施歷程：基站SoC中的無(wú)線(xiàn)標準

　　TITMS320TCI6618是一款最新推出的基站SoC，其基于KeyStone平臺之上，擁有DSP周期數相當于超過(guò)250GHz的專(zhuān)用標準可配置硬件加速器。這些加速器可支持現行的所有通用無(wú)線(xiàn)標準，其中包括GSM、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX以及LTE等。這些協(xié)處理器的實(shí)施是基于成熟且會(huì )消耗大量處理周期的標準功能而精心挑選的。如欲了解有關(guān)最新器件中加速功能的更多詳情，敬請參閱TI的白皮書(shū)《采用TI多標準基站SoC實(shí)現卓越的性能、效率和差異化功能》。

　　在技術(shù)發(fā)展的每一個(gè)階段，TI都始終穩居業(yè)界領(lǐng)先無(wú)線(xiàn)基站SoC供應商的地位。采用TI技術(shù)進(jìn)行高靈活性的可行部署，用戶(hù)能夠在縮短學(xué)習周期方面擁有獨特的優(yōu)勢。在每個(gè)最新發(fā)展的工藝節點(diǎn)，都離不開(kāi)新技術(shù)的推出，而且現有技術(shù)的增強都是基于現實(shí)世界的豐富經(jīng)驗及應用反饋進(jìn)行的。作為T(mén)I當前采用的 SoC，TCI6488已擁有數百萬(wàn)片的出貨量，而且被全球逾200家運營(yíng)商所廣泛采用。其是迄今為止，本行業(yè)領(lǐng)域內部署最廣泛的3G無(wú)線(xiàn)基站SoC。在提供作為SoC一部分且基于標準的現場(chǎng)固化加速器功能方面，TI擁有獨特的優(yōu)勢，能夠幫助OEM廠(chǎng)商顯著(zhù)降低風(fēng)險。

　　總結毋庸置疑，部署多標準基站是獲得成功至關(guān)重要的因素，能夠讓無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商所面臨的挑戰迎刃而解。這些通用平臺將使得在向未來(lái)新技術(shù)進(jìn)行升級時(shí)無(wú)需進(jìn)行重大改進(jìn)或重新進(jìn)行設備部署。不斷進(jìn)步的基站制造商在努力解決運營(yíng)商所遇困難的同時(shí)也在不斷實(shí)現其自己的業(yè)務(wù)目標。