基于LTE/4G的新型處理器架構(gòu)滿足無線處理的需求

引言

　　為了讓現(xiàn)今的無線蜂窩網(wǎng)絡滿足日益增長的無線數(shù)據(jù)處理需求，全球加速向LTE/4G遷移的趨勢已經(jīng)日益明顯。LTE或3.9G通過采用更有效的傳輸技術(shù)來提升數(shù)據(jù)速率，下一步，4G要提升到更高數(shù)據(jù)率，LTE、4G基礎設施給半導體供應商提出的挑戰(zhàn)是要用數(shù)字信號處理器（DSP）來滿足更高的數(shù)據(jù)處理需求，這些新型DSP的性能要比我們今天所用的DSP高出幾個數(shù)量級！

　　全球移動設備供應商協(xié)會（GSA）2010年4月的報告指出，全球已有31個國家承諾將部署64個LTE網(wǎng)絡，預計到2010年底將有22個LTE網(wǎng)絡交付使用，截止2011年年底將有39個或更多LTE網(wǎng)絡交付使用；總計88個運營商已經(jīng)承諾將在42個國家部署LTE系統(tǒng)，有的已經(jīng)開始進行測試或進行其他規(guī)劃活動。

　　半導體產(chǎn)業(yè)商機巨大但挑戰(zhàn)并存，LTE的性能需求是現(xiàn)今3G網(wǎng)絡性能需求的100到1000倍！相比目前在3G使用的CDMA無線技術(shù)，LTE采用的OFDMA技術(shù)采用多天線信號處理可以實現(xiàn)更高的頻譜效率，并可以支持更寬的頻譜。不過，OFDMA技術(shù)也更為復雜，需要的計算量比CDMA技術(shù)大得多。如圖1所示，從GSM遷移到UMTS/HSDPA再遷移到LTE，計算量需求要提升4、5個數(shù)量級DD從大約10個MOPS（每秒百萬次運算）提高到10萬甚至1百萬MOPS，如此才可以提供LTE所要求的10到100 Mbps數(shù)據(jù)傳輸性能。

　　圖1、從GSM遷移到UMTS/HSDPA再到LTE，計算量需求要提升4、5個數(shù)量級

　　LTE還采用了先進的多天線信號處理技術(shù)，涉及到兩種最流行的技術(shù)MIMO（多輸入多輸出）編程和波束形成，同樣，這也都是高度密集計算型應用，需要新一代優(yōu)化的專用DSP解決方案。

　　1 所需的DSP性能達到新高

　　LTE的運算處理要求如此巨大，因此對DSP的性能提升要求也是巨大的 DD單個通用DSP不能滿足這樣的性能需求，我們需要多顆DSP來實現(xiàn)LTE系統(tǒng)，而且這些DSP必須非常高效。以往的“通用”DSP將無法滿足數(shù)據(jù)處理要求。半導體供應商和IP供應商都在努力打造全新一代DSP，其性能可以滿足運營商新建基礎設施的需求。

　　要開發(fā)這些新的DSP，我們所面臨的挑戰(zhàn)是難以想像的，它無法通過提升DSP時鐘頻率來實現(xiàn)DD這樣做會大幅增加功耗。我們需要針對運算任務優(yōu)化的全新架構(gòu)，這不僅意味著硬件層面的開發(fā)，也需要開發(fā)配套的軟件DD因為越來越多的處理正在通過軟件來完成。

　　早期在開發(fā)軟件定義無線電（SDR）方面的嘗試令人失望，因為他們大多基于單一的DSP，其性能無法跟上運算需求的增長。而將密集運算交給RTL模塊的方法從根本上違背了軟件無線電的初衷，因為RTL模塊是不可編程的。然而我們可以用多顆DSP處理器來實現(xiàn)無線射頻系統(tǒng)DD多顆針對不同任務進行優(yōu)化設計的專用DSP。這些全新定制的專用DSP內(nèi)核在設計之初就是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，完全可以滿足LTE的運算性能需求。

　　2 所需的處理類型

　　一個典型的現(xiàn)代通信收發(fā)機可以劃分為三個計算域：

　　信號域：實現(xiàn)復數(shù)或?qū)崝?shù)數(shù)據(jù)的優(yōu)化運算，包括FFT、濾波、同步以及矩陣運算等靠近系統(tǒng)中RF一側(cè)的運算。

　　比特軟值域（soft bit domain）：包括從軟件解映射模塊到前向糾錯（FEC）解碼模塊等靠近接收端MAC一側(cè)的運算。

　　比特域：通常是在發(fā)送端靠近MAC一側(cè)，包括CRC編碼、加擾、FEC編碼和比特交織等操作。

　　這三種根本不同的計算需求需要不同類型的DSP內(nèi)核（IP內(nèi)核是必要的，因為從功耗和面積效率的角度看，所有這些功能必須在單芯片而不是分開的芯片上實現(xiàn)）。