LTE技术通过更有效的传输以提高数据速率，提供功能强大的新设备来提升移动用户的体验。对于基站厂商及其供应商而言，LTE变革的同时也提出了新的技术挑战。有效支持4G系统需要DSP设计的多项创新，这些创新促使业界采用SoC架构，以支持这类系统。本文将探讨德州仪器(TI)的全新SoC架构如何达到4G系统的关键功能。
LTE概述
蜂窝网络的数据使用正迅速成长，基础设备厂商亦期待4G标准，以便为移动用户提供更大的容量及更好的使用体验。3GPP所开发的LTE已被许多运营商选择为无线基站及手机的新一代解决方案。LTE是3GPP标准第8版UMTS的提升。LTE一般称为4G标准，是目前无线传输数据的重大变革。
LTE采用OFDMA(正交频分多址)技术，而3G技术则采用CDMA(码分多址)技术，此一变革可透过多天线信号处理达到较高的频谱效率，并为较宽谱频带宽提供更多支持。
在OFDMA中，快速傅立叶转换(FFT)将可用频宽分割成许多正交的较小频宽。快速傅立叶逆转换(IFFT)可重建频带。FFT及IFFT是经过详加定义的算法，当其采样数为2的乘幂时即可有效执行。OFDM系统常见的FFT采样数为512、1024及2048，较小的采样则为128及256。支援的频宽为5、10、15及20MHz。该技术的优点之一是能简易地适用于不同的频宽。
LTE也能够使用先进的多天线信号处理技术。其中两项常用的技术为多入多出(MIMO)处理及波束成形。在MIMO中，系统发现从其中一个传输天线接收到的信号会与第二个天线接收到的信息有极大的差异，这在室内或人口密集的大城市相当常见，因为收发器及接收器之间有相当多反射与多重路径。在这样的情况下，各个天线在相同频率下会传输不同的信号，在经由接收器信号处理即可复原。
LTE对于SoC架构的影响
这些新的LTE特性显现出基站必须以较短的延迟及较多的弹性支持较高的吞吐量。这对系统设计的许多层面形成极大的压力。为了满足这些需求，TI开发出全新的SoC架构，其中许多内建的组件可满足LTE蜂窝基站的需求(见图1)。
TI全新的架构采用先进的DSP核技术，频率高达1.2GHz，而且总处理能力达到256GMAC，远高于当前市面的DSP(见图2)。该内核支持定点及浮点运算，其中的指令集完全与TI的TMS320C64x+ DSP指令集向下兼容。定点及浮点运作的处理速度均超过1GHz，显示DSP领域出现真正的变化。开发人员将不再需要在定点的原始速率及浮点的精度之间抉择，如今已可两者兼得，因为TI全新的架构支持在定点及浮点指令之间切换。
图2:德州仪器全新的架构采用先进的DSP内核技术，频率速度高达1.2GHz。
TI全新的架构针对业界最高速DSP引进原生浮点支持，可谓是一大突破。浮点处理器的速度一般比定点处理器慢，因此不适用于蜂窝基站这样的高性能场合。结合原生浮点支持及领先业界的C64x+定点架构后，TI带来定点及浮点两者的最高处理效能，进而对LTE系统发挥影响。程序设计人员可使用优化的16位程序代码，其中精度不是影响的因素，而且对于需要高精度的算法可达到IEEE浮点精度，例如MIMO均衡器。这使得LTE系统架构的效率相当高，使得基站可达到最低的功耗、最高的效能及最大的输出量。
浮点算法设计的另一项优点是能够简易地开发和升级算法，并导入实际的系统中。通信系统的一般设计流程是先根据计算机模型开发算法，然后将其用于初始的系统部署。随着部署的范围及运用不断扩大，工程人员需要收集实际数据提供给算法团队，以供提升系统性能。这些全新的算法通常是以本身是浮点运作的MATLAB实现进行开发。其中的难题在于将这些浮点MATLAB算法转换为定点DSP，同时维持算法及系统两者的性能，因为不灵活的算法会用尽系统资源，而降低整体的基站性能。
如果涉及复杂的矩阵处理，将程序代码从MATLAB导入实际系统通常需要几周或几星期的时间。透过TI全新架构的原生浮点支持，便不需要进行这整个程序。透过使用浮点C语言程序代码以及直接编译于TI的DSP，即可从MATLAB导入程序代码。
其重要性对于LTE系统的系统设计人员及程序设计人员来说，并非言过其实。随着LTE演变为LTE-A及未来的标准，浮点很可能在未来变得更加重要，因为多天线信号处理的趋势显得日益复杂。
多核导航器
现今基站OEM面临的最大问题之一是开发出适用于基站的软件。大系统的软件开发会耗费长久的人力投入时间。TI全新的架构运用前几代多核及基站系统开发的经验，推出使用简便但功能强大的SoC。TI全新架构的基础组件是新的多核导航器(Multicore Navigator)。TI的多核导航器是能够在SoC中无缝地移动数据的系统组件。
一旦经过配置，TI的多核导航器即可处理封包传输、内存配置、加速器触发及多重目的地，任何DSP核都不会消耗单一周期。这能够释放算法系统层级处理所需的DSP资源，完全不会使数据移动停滞;以往数据移动需要多次中断及环境转换，导致系统性能降低。
举例来说，在LTE系统中，行动数据封包会到达天线接口(支持OBSAI及CPRI标准的专属高速接口)。这些封包会在经过队列后传送到FFT协同处理器(LTE L1处理的第1个步骤)进行处理，然后经过队列后传送到适当的DSP核进行下一个处理步骤，以上完全不需要任何CPU介入。同样地，数据可以从多个天线及多个区块同时传达，并且自动且适当地传送。数据可以在系统组件之间移动，完全不需要CPU介入，也不会造成不同核之间的竞用。
随着TI对于关键基站组件的了解加深，便从先前的系统设计组件改良推出多核导航器。多核导航器为封包化数据流提供极高的效率，相当适用于LTE与WiMAX等高速3G系统(HSPA)与4G系统的封包处理，另外也能够提供个别处理队列及数据串流的硬件机制，这表示同时进行的传输运作不会相互干扰。换句话说，个别DSP核不需要等候其它内核完成处理，而能够共享资源。
TeraNet2
数据经过系统外送到天线或进行传输时，SoC架构必须支持极高的外部及内部数据速率。支持这些速率需要许多不同层级的多种专用加速及可编程软件组件。
支持这些组件之间的数据移动是设计中的关键层面之一。TI的TeraNet2属于SoC层级片上网络的一部分，能够在内核、外围、内存及加速器等组件之间提供每秒2TB的高速数据传输速率。就系统层级而言，这表示所有组件能够同时独立执行，完全不需要等候其它组件完成处理或数据传输。在如同LTE基站的高度优化且复杂的系统中，这对于性能有极大的影响，系统开发人员得以完全发挥SoC的性能。
L2处理
使用MIMO不仅影响物理层处理，也影响L2调度，不过一般不需要极为复杂的算法。调度是基站决定各移动用户或设备在每帧中能获得多少无线频宽的过程。在LTE中，每隔1毫秒便会根据下列因素完成决定：
1.用户活动–语音、视频、游戏等
2.服务计划的类型
3.用户位置–高或低信号区域
这些因素会影响调度器如何决定帧分配。
MIMO使得其中的复杂度增加，因为基站需要一次将完全相同的频带分配给多位用户。若要这么做，基站必须根据从各个用户所测得的数据进行计算，因此决定多少用户可同时进行调度。这需要每毫秒针对各种可能的用户组合进行矩阵求逆，对于实时定点处理引擎而言，这是相当繁复的作业。不良的调度效能会导致昂贵的频谱使用欠佳，造成用户无法顺利处理作业。如同对于MIMO计算一般，TI全新架构中不可或缺的浮点支持可大幅简化及加速必要的处理，因为原生浮点支持十分有助于矩阵求逆。
多核共享内存控制器
另一项重要多核功能改进之处是TI全新的多核共享内存控制器。由于多核需要依序处理数据，从外部内存存取数据或在各内核的本地内存之间移动数据，会使实际性能大幅降低。在TI全新的架构中，多核共享内存控制器能够让内核有效存取共享内存，就如同专用的本地内存一般。如此便不需要进行任何数据传输，而且能够使各内核立即有效处理共享内存中储存的数据。
透过结合多核共享内存控制器、多核导航器与TeraNet2，TI能提供高效率的系统层级设计，使客户得以发挥绝佳的多核效用。
可扩展性
LTE使得无线数据速度及蜂窝网络拓朴展现崭新的境界。目前蜂窝网络主要采用宏蜂窝(macrocell)小区，极少采用微微蜂窝(picocell)及飞蜂窝(femtocell)小区。随着数据使用持续大幅飙长，经过提升的LTE频谱效率也无法再支持传统的大型网络拓朴。
3GPP标准团队注意到这一点，因此正开发在蜂窝网络中加入微微蜂窝小区和飞蜂窝小区的简化方法，以便形成由不同大小的蜂窝小区组成的异构网络，而不仅是由宏蜂窝小区组成的同构网络(见图3)。对于需要在各种基站架构运用研究及开发资源的系统设计人员而言，解决方案及架构的可扩展性是异构网络中相当重要的部份。
图3：宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝及飞蜂窝小区交错并协同工作将形成未来的异构网络。
透过多核导航器，TI全新的SoC架构使得软件重复使用及重新部署达到前所未有的层级。此一全新架构也支持各设备中不同数量的处理组件，这些处理组件可能是L1、L2、L3及传输功能的核心或协处理加速器。由于设备制造商能够通过异构网络的所有组件实现他们的系统，因此弹性软硬件设计的结合有助于缩短不同开发的上市时间、优化硬件成本，以及降低工程成本。
其中的关键在于多核导航器采用多核的概念，使得各内核能够依据硬件独立运作。因此，使用多核导航器开发的内核、协处理器及外围软件三者的概念仅需要最低程度的修改，因为硬件可依据异构网络中不同类型基站的性能需求加以调整。
本文小结
蜂窝网络的变化相当剧烈且深远;流经系统的数据量日益增加，营运商及基站制造商正不断地努力赶上。器件级别的创新将有助于提供所需的工具来维持和提升基础架构，以支持新一代无线设备，全新的SoC架构正是TI引领创新4G技术的其中一例。