讓基站為LTE規(guī)范的實(shí)施做好準(zhǔn)備

求必須基于系統(tǒng)的吞吐量要求和產(chǎn)品成功所需要的長期成本考慮。隨著標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定，最初針對基站設(shè)計(jì)靈活性的要求應(yīng)該逐漸居于次要地位，與此同時(shí)，成本成為一個(gè)主要的成功因素。

選擇FPGA，就具備了一條向低成本的結(jié)構(gòu)化ASIC技術(shù)轉(zhuǎn)移的無風(fēng)險(xiǎn)的路徑，從而大幅度降低成本。例如，Altera公司的HardCopy II技術(shù)提供一種無縫無風(fēng)險(xiǎn)的從Stratix III FPGA向成本大幅度降低的HardCopy II結(jié)構(gòu)化ASIC轉(zhuǎn)移的路徑，與此同時(shí)，也提高了系統(tǒng)的性能并降低了功耗。

不斷進(jìn)化的設(shè)計(jì)

全球的無線運(yùn)營商目前正使用高速下行鏈路分組接入(HSDPA)，從而使通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)系統(tǒng)的成功部署成為可能。UMTS向HSDPA的升級類似于增強(qiáng)數(shù)據(jù)率GSM演進(jìn)(EDGE)，它被證明是向GSM網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)有效升級。

HSDPA鎖定的是移動(dòng)多媒體應(yīng)用，并能夠?qū)崿F(xiàn)縮短的延遲，在從基站到移動(dòng)終端的下行鏈路上，峰值數(shù)據(jù)率高達(dá)14Mbps。通過增加一個(gè)新的高速下行鏈路，并與依賴于傳輸參數(shù)快速自適應(yīng)的三個(gè)基本技術(shù)共享，就有可能做到這一點(diǎn)。那三個(gè)基本技術(shù)分別是：自適應(yīng)調(diào)制和編碼(AMC)、快速混合自動(dòng)重復(fù)請求(ARQ)和快速調(diào)度技術(shù)。

高速上行分組接入(HSUPA)不久將追隨HSDPA而步入實(shí)用，這兩種技術(shù)的組合被稱為高速分組接入(HSPA)。HSPA有望在21世紀(jì)頭十年剩余的時(shí)間內(nèi)成為占優(yōu)勢的移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。為了利用運(yùn)營商在HSPA中的投資，標(biāo)準(zhǔn)組織正調(diào)查一系列增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，以創(chuàng)造被稱為HSPA+的“HSPA演變”標(biāo)準(zhǔn)。

HSPA演變標(biāo)準(zhǔn)是W-CDMA標(biāo)準(zhǔn)的合乎邏輯的發(fā)展，為向全新的3GPP LTE無線電平臺(tái)的發(fā)展提供了一種有效的轉(zhuǎn)換。LTE在下行鏈路上采用OFDM，目標(biāo)是在2009年左右開始部署。

LTE利用最佳種類的無線電技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)超越實(shí)際CDMA方法的性能水平。LTE系統(tǒng)將與2G和3G系統(tǒng)共存，類似于3G與2G系統(tǒng)在一體化網(wǎng)絡(luò)中的共存。同時(shí)，OFDM通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)持續(xù)取得更大的進(jìn)展。OFDM是一種多載波調(diào)制方案，它把數(shù)據(jù)編碼到一個(gè)無線電頻率(RF)信號上。

與傳統(tǒng)的單載波調(diào)制方案不同，像幅度或頻率調(diào)制(AM/FM)利用一個(gè)無線電頻率一次僅僅發(fā)送一個(gè)信號。OFDM取而代之的是在專門計(jì)算的正交載波頻率上并發(fā)發(fā)送多個(gè)高速信號，結(jié)果，在噪聲和其它干擾期間，帶寬的使用效率更高，通信更為魯棒。

在下行鏈路上用于LTE的OFDMA非常適合于在高頻譜帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)高峰值數(shù)據(jù)率。W-CDMA無線電技術(shù)的效率與在5MHz的帶寬內(nèi)傳輸具有大約10Mbps的峰值數(shù)據(jù)率的OFDM系統(tǒng)的效率大致相同。

然而，以較寬的無線電信道實(shí)現(xiàn)100Mbps范圍的峰值數(shù)據(jù)率會(huì)導(dǎo)致終端高度復(fù)雜并且以現(xiàn)有的技術(shù)是不切實(shí)際的。正是在這里OFDM提供了一種實(shí)際的實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢。

在上行鏈路，純OFDMA方法導(dǎo)致高信號峰值對平均比(PAR)，從而折衷電源效率和最終的電池壽命。因此，LTE利用一種稱為單載波頻分多址(SC-FDMA)的方法，它與OFDMA有一定的相似性，但是，比其它技術(shù)如IEEE 802.16e所使用的OFDMA方法有2到6dB PAR的優(yōu)勢。

LTE的目標(biāo)包括：

在20MHz的帶寬內(nèi)具有最高100 Mbps的下行峰值數(shù)據(jù)率；

在20MHz的帶寬內(nèi)具有最高50 Mbps的上行峰值數(shù)據(jù)率；

工作于TDD和FDD模式；

可調(diào)節(jié)帶寬最高為20 MHz，在學(xué)習(xí)階段，覆蓋1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz和20 MHz。1.6 MHz寬的信道被用于不成對的頻段，在那里TDD方法將被使用；

把HSPA第6版的頻譜效率提高兩到四個(gè)因子；

把延遲縮短為10ms；把用戶設(shè)備和基站之間的往返時(shí)間縮短到小于100ms；縮短從待機(jī)到激活的轉(zhuǎn)換時(shí)間；

LTE有望滿足未來十年的市場需求。在那段時(shí)間之后，運(yùn)營商可能以LTE技術(shù)為基礎(chǔ)部署第四代(4G)網(wǎng)絡(luò)。目前，尚無針對4G的官方標(biāo)準(zhǔn)或正式定義，但是，初步研究的重點(diǎn)是能夠傳輸峰值速率為1Gbps的各種技術(shù)，這些技術(shù)完全基于IP協(xié)議，并支持不同類型的網(wǎng)絡(luò)—即4G到3G到WLAN等—之間的完全靈活的網(wǎng)絡(luò)移交。

期望下一個(gè)設(shè)計(jì)

從寬的視角來看，基站設(shè)計(jì)工程師必須提前進(jìn)行一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮。隨著他們進(jìn)入LTE領(lǐng)域，他們應(yīng)該意識到在無線電方面存在巨大的變化。作為向LTE轉(zhuǎn)移的一部分，W-CDMA信號調(diào)制將轉(zhuǎn)向OFDM調(diào)制，其特征是不同的。OFDM對于傳輸高吞吐量的數(shù)據(jù)更為魯棒，但是，與此同時(shí)，加強(qiáng)了基站的吞吐能力。

OFDM還改變了已調(diào)制信號的峰值對平均特性，該信號需要采用新的技術(shù)以實(shí)現(xiàn)峰值因數(shù)衰減(Crest Factor Reduction, CFR)。此外，對誤差向量幅度(EVM)存在更為嚴(yán)格的要求，因此，需要設(shè)計(jì)工程師特別注意的不僅僅是所使用的算法類型、而且包括實(shí)現(xiàn)該算法所采用的器件的類型。

在基帶方面，設(shè)計(jì)工程師必須考慮從W-CDMA轉(zhuǎn)向OFDM之后數(shù)據(jù)率不同的問題，因?yàn)樗枰耐掏铝肯喈?dāng)高。此外，雖然迄今為止WiMAX的用途一直是數(shù)據(jù)傳輸，尚未介入語音通信；但是，當(dāng)語音被引入時(shí)，設(shè)計(jì)工程師必須做好準(zhǔn)備；這類似于有線系統(tǒng)的情況，針對語音的服務(wù)質(zhì)量(QoS)跟針對數(shù)據(jù)的服務(wù)質(zhì)量是不同的。

因?yàn)榫髂芨傻幕驹O(shè)計(jì)工程師承認(rèn)LTE設(shè)計(jì)中所面臨的挑戰(zhàn)，他們將持續(xù)依賴于早期設(shè)計(jì)中已經(jīng)體驗(yàn)過的FPGA的靈活性，并將利用FPGA的更新進(jìn)展來克服這些令人畏懼的任務(wù)。

FPGA和DSP之間的任務(wù)劃分策略取決于處理要求、系統(tǒng)帶寬以及系統(tǒng)配置和發(fā)射及接收天線的數(shù)量。圖1所示為在基于OFDMA的系統(tǒng)—如WiMAX或LTE—中一個(gè)針對基帶物理層(PHY)功能的典型DSP/FPGA任務(wù)劃分圖。

圖1：針對OFDMA系統(tǒng)的DSP/FPGA任務(wù)劃分圖。

通過合并先進(jìn)的多天線技術(shù)，這樣一個(gè)系統(tǒng)所提供的吞吐量有望在75-100Mps之間?；鶐HY功能可以被清楚地分類為比特級處理和符號級處理功能。

本文下面部分將給出對這些功能的總的看法，并介紹如何利用FPGA補(bǔ)助DSP以實(shí)現(xiàn)比特級和符號級功能。

比特級處理

比特級模塊包括隨機(jī)化、前向糾錯(cuò)(FEC)、交錯(cuò)以及在發(fā)射方面映射到四相移鍵控(QPSK)和四幅度調(diào)制(QAM)的功能。

相應(yīng)地，接收處理的比特級模塊是符號去映射、去交錯(cuò)、FEC解碼和去隨機(jī)化。處理FEC解碼之外，所有的比特級功能都是比較簡單明了的并且計(jì)算強(qiáng)度不高。

例如，隨機(jī)化涉及把數(shù)據(jù)比特與簡單的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列發(fā)生器的輸出進(jìn)行模-2加運(yùn)算。雖然FPGA以固定的總線寬度提供比DSP更為靈活的比特處理能力，但是，低計(jì)算復(fù)雜性容許DSP管理這些功能。

相反，F(xiàn)EC解碼包括維特比解碼、透平卷積解碼、透平乘積解碼和LDPC解碼，它們的計(jì)算強(qiáng)度大，如果采用DSP來完成，就要消耗大量的帶寬。

FPGA被廣泛地用于卸載這些功能并把DSP解放出來以完成其它的功能。同一FPGA還可以被用于跟MAC層的接口，并實(shí)現(xiàn)某些低級MAC功能，如加密/解密和鑒權(quán)。例如，Altera的低成本Cyclone III FPGA就適合于這樣的DSP協(xié)處理功能。