基于DSP的3G LTE系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3G LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))是第三代伙伴計(jì)劃(3GPP)的一個(gè)高級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為廣域網(wǎng)提供下一代寬帶無(wú)線技術(shù)。

與以前各階段的3GPP相比，3G LTE的目標(biāo)是更高的吞吐量、更低的時(shí)延以及高效的IP回程，提供一種新的可以大規(guī)模部署的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，預(yù)示著一個(gè)富媒體和實(shí)時(shí)服務(wù)新時(shí)代的到來(lái)。

由于最近在HSPA與HSPA+技術(shù)上的提升，3G/UMTS必然在未來(lái)幾年內(nèi)仍具競(jìng)爭(zhēng)力，然而，通過(guò)3G LTE，3GPP和無(wú)線運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在朝著一種更新的、頻譜效率(spectral-efficient radio)更高、可擴(kuò)展、也更加高效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)。

最終，3G LTE將使移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商能夠更有力地與固定寬帶服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)并繼續(xù)推動(dòng)移動(dòng)對(duì)固網(wǎng)的替代。

為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，特別設(shè)立了3G LTE，以便廣泛改善無(wú)線和網(wǎng)絡(luò)通信，同時(shí)確保與現(xiàn)有的商業(yè)和監(jiān)管環(huán)境的兼容。頻率帶寬分配就是一個(gè)例子，其中，3G LTE必須能夠支持與WCDMA同樣的頻率和頻帶。但是，盡管WCDMA使用固定的5MHz帶寬，3G LTE的設(shè)計(jì)支持從1.25到20MHz的靈活的載波帶寬，以支持即將部署的更精細(xì)粒度的頻率。

為了進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)，推出了更多的特性，如用于提高帶寬的多天線技術(shù)(MIMO：多輸入多輸出)。利用MIMO技術(shù)，在20MHz頻段內(nèi)，峰值數(shù)據(jù)速率預(yù)期將達(dá)到下行300Mbps和上行150Mbps。

3G LTE既可被用于成對(duì)頻譜(FDD)也可被用于非成對(duì)頻譜(TDD)。對(duì)于FDD，上行和下行話務(wù)可以在單獨(dú)的頻段內(nèi)同步傳輸，而對(duì)于TDD，在同一個(gè)頻帶內(nèi)，上行和下行鏈路的傳輸是不連續(xù)的。

LTE TDD參數(shù)與FDD的參數(shù)非常接近，而對(duì)于FDD和TDD(濾波除外)，LTE L1層也非常類似。

即使不是全部，今天的大多數(shù)蜂窩系統(tǒng)使用FDD，而世界上90%以上的可用移動(dòng)頻率都在FDD之內(nèi)，剩下的10%主要位于最近中國(guó)采用的TD-SCDMA內(nèi)。

3G-LTE的高級(jí)技術(shù)目標(biāo)為：下行鏈路容量:20MHz帶寬的瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率高達(dá)300Mbps；上行鏈路容量：20MHz帶寬的瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率可達(dá)150Mbps；帶寬可擴(kuò)展至20MHz，覆蓋1.25MHz、1.6MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz；MIMO支持；FDD及TDD模式；時(shí)延：理想條件下，下行鏈路時(shí)延低于0.5ms；用戶吞吐量：相當(dāng)于HSPA+的4.5倍；移動(dòng)速率：經(jīng)過(guò)優(yōu)化，支持高達(dá)120km/h的速率，但是也支持350km/h的移動(dòng)速率。

飛思卡爾半導(dǎo)體的MSC8156 DSP

為了滿足對(duì)高級(jí)3G和4G服務(wù)的不斷增長(zhǎng)的需求，無(wú)線基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)備制造商越來(lái)越需要能夠提供卓越性能的芯片。通過(guò)提供近期基于下一代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，如3G LTE(TDD及FDD)、WiMAX和HSPA+的網(wǎng)絡(luò)部署所要求的靈活性、集成度和負(fù)擔(dān)能力，飛思卡爾基于StarCore技術(shù)的MSC8156 DSP滿足了這一需求。尤其是它的出眾的性能支持3G LTE基站對(duì)高速率、高吞吐量和低時(shí)延的要求。

MSC8156是一款基于飛思卡爾先進(jìn)的SC3850 StarCore DSP內(nèi)核技術(shù)的6核DSP，旨在大幅提升無(wú)線基站設(shè)備的性能。它提供業(yè)界領(lǐng)先的性能和節(jié)能水平，在一個(gè)高度集成的SoC內(nèi)，利用45nm處理技術(shù)提供與6GHz單核器件等效的性能。MSC8156 DSP把功能集成到以前要求多個(gè)獨(dú)立部件的單一器件內(nèi)，以此來(lái)降低系統(tǒng)成本。

該器件集成了6個(gè)完全可編程的SC3850 DSP內(nèi)核，每個(gè)都以1GHz運(yùn)行，其架構(gòu)經(jīng)過(guò)高度優(yōu)化，支持無(wú)線基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)用。由于采用片上集成，基于MAPLE-B的基帶加速器為Turbo和Viterbi通道以及DFT/iDFT和FFT/iFFT算法支持硬件加速。基于內(nèi)部RISC的QUICC Engine子系統(tǒng)支持多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以通過(guò)分組網(wǎng)絡(luò)幫助提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)從DSP內(nèi)核大幅分流處理負(fù)載。

MSC8156嵌入了大容量?jī)?nèi)存并支持多種高級(jí)的、高速接口類型，包括兩個(gè)RapidIO互聯(lián)技術(shù)接口、兩個(gè)用于通信的Gigabit以太網(wǎng)接口、一個(gè)PCI Express控制器、兩個(gè)支持高速、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存接口的DDR控制器和四個(gè)多通道TDM接口。

在開(kāi)發(fā)工具方面，CodeWarrior集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)利用Eclipse技術(shù)，提供一個(gè)高度綜合的多核開(kāi)發(fā)環(huán)境。它包括：C和C++編譯器、源語(yǔ)言調(diào)試器、內(nèi)核和器件模擬器、用于個(gè)性化配置和程序/數(shù)據(jù)跟蹤的軟件分析插件以及與經(jīng)過(guò)優(yōu)化的器件驅(qū)動(dòng)器一起提供的免版權(quán)費(fèi)的SmartDSP操作系統(tǒng)。

為了讓OEM廠商更快地把產(chǎn)品推向市場(chǎng)，飛思卡爾圍繞MSC8156開(kāi)發(fā)了一種綜合硬件和軟件參考包，其設(shè)計(jì)目的是為了讓系統(tǒng)更快地連接在一起，以便進(jìn)行*估和開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)板和3G LTE參考軟件組件詳述如下。

MSC8156AMC

基帶參考硬件是以MSC8156AMC為基礎(chǔ)的，MSC8156AMC后者是一種高密度、單寬全高Advanced MC Advanced Mezzanine Card(AMC) DSP平臺(tái)，構(gòu)建于三個(gè)MSC8156 DSP基礎(chǔ)之上，可插入緊湊型MicroTCA底板。

這種18GHz的處理能力與為無(wú)線基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)用高度優(yōu)化的架構(gòu)相結(jié)合，使其成為開(kāi)發(fā)基于下一代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，如(FDD-LTE、TDD-LTE、WiMAX和HSDPA+)的解決方案的理想平臺(tái)。

每個(gè)MSC8156 DSP有1GB的64位寬版DDR3內(nèi)存，分為兩個(gè)內(nèi)存庫(kù)。對(duì)于數(shù)據(jù)平面應(yīng)用，高吞吐量的3.125GHz x4 RapidIO鏈路把三個(gè)MSC8156 DSP互相連接起來(lái)并將其連接到數(shù)據(jù)背板。RapidIO接口通過(guò)IDT的高帶寬10端口(x4)CPS10Q串行RapidIO轉(zhuǎn)換器連接。數(shù)據(jù)/控制平面應(yīng)用由1G以太網(wǎng)接口處理。兩個(gè)1000 Base-X Gigabit接口通過(guò)一個(gè)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器把背板連接到DSP。每個(gè)DSP有兩個(gè)通過(guò)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器連接到背板的RGMII接口。在前面板上提供兩個(gè)額外的Gigabit以太網(wǎng)接口，用于測(cè)試和控制。板控制和熱插拔由基于Pigeon Point的模塊管理控制器提供。

為了有助于未來(lái)的開(kāi)發(fā)，圍繞“夾層”概念設(shè)計(jì)了高級(jí)夾層卡（AMC）。夾層為系統(tǒng)提供快速實(shí)現(xiàn)未來(lái)AMC原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的組成部件。

MSC8156AMC基帶L1處理器卡的特性包括：處理器：多達(dá)3個(gè)MSC8156 6核StarCore DSP，高達(dá)1.0GHz的容量，帶有集成串行RapidIO以及Gigabit以太網(wǎng)接口；運(yùn)行：?jiǎn)为?dú)或AMC插卡；內(nèi)存：每個(gè)MSC8156具備2 x 512MB的64bit寬版DDR3內(nèi)存；四個(gè)串行RapidIO(sRIO)接口以及兩個(gè)1000Base-X背板接口；1000Base-T、USB以及UART前面板接口；IPMC：板啟動(dòng)、溫度監(jiān)控、電子鍵控(E-Keying)以及狀態(tài)LED指示燈；外形：AMC單寬、全高：180.6mm×73.5mm

L1實(shí)時(shí)軟件子系統(tǒng)

飛思卡爾提供LTE L1支持軟件庫(kù)，包括一個(gè)定制操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器和主要信號(hào)處理功能。

LTE L1軟件包括3GPP標(biāo)準(zhǔn)中定義的物理基帶信道處理和無(wú)線傳輸信道功能。飛思卡爾提供一套綜合的內(nèi)核模塊，覆蓋物理下行鏈路共享信道和物理上行鏈路共享信道的L1處理。內(nèi)核被進(jìn)一步組合為上行鏈和下行鏈，它們以SmartDSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為參考實(shí)時(shí)運(yùn)行。所有以上提到的軟件在開(kāi)發(fā)上都能使用ANSI-C語(yǔ)言調(diào)用，而且提供完整的開(kāi)發(fā)文檔。

簡(jiǎn)而言之，物理層處理功能包括：調(diào)制、信道編碼、傳輸方案、復(fù)用、MIMO/分集、信道估測(cè)、均衡(3GPP范圍之外)。

更多詳細(xì)資料列舉如下：

L1軟件包包括

信號(hào)處理庫(kù)：包含LTE L1信號(hào)處理管理器和內(nèi)核庫(kù)功能。這種信號(hào)處理內(nèi)核是基本的處理單元，而信號(hào)處理管理器則是一系列內(nèi)核的鏈路集成，包括DL傳輸信道包、DL物理信道包、UL傳輸信道包、UL物理信道包。

MATLAB模型包：用于生成測(cè)試矢量的已編譯的Matlab參考鏈路。

多核MSC8156上的上行/下行鏈路功能集成(PDSCH/PUSCH)：采用SmartDSP OS實(shí)時(shí)運(yùn)行。

在一個(gè)典型 LTE 應(yīng)用中使用 MSC8156

MSC8156 DSP支持廣泛的配置組合。需考慮小區(qū)規(guī)模、上行和下行吞吐量、扇區(qū)數(shù)量、活躍/已連接用戶數(shù)量、信號(hào)處理算法復(fù)雜度(MMSE、SIC等)、天線數(shù)量等參數(shù)，以決定器件數(shù)量和它們的分區(qū)。

一個(gè)典型的20MHz LTE FDD基站示例將表明一個(gè)完整的L1解決方案如何映射到MSC8156上。

典型的基站宏參數(shù)考慮如下：一個(gè)扇區(qū)；小區(qū)規(guī)模：10km；下行鏈路 4×4 MIMO；上行鏈路 2×4 MIMO；4 RX 天線、4 TX 天線；數(shù)據(jù)速率：下行鏈路290Mbps，上行鏈路120Mbps；應(yīng)用上行鏈路的MMSE均衡器。

兩個(gè)MSC8156 DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)LTE物理信道的綜合支持。一個(gè)器件負(fù)責(zé)所有上行鏈路處理，而另外一個(gè)被分配負(fù)責(zé)所有下行鏈路處理。

下圖說(shuō)明了器件映射的原理。

MSC8156可以通過(guò)PCI Express控制器、Gigabit以太網(wǎng)或sRIO連接器連接。sRIO鏈路以一種串行方式使用，被稱為菊花鏈(daisy chaining)。這省去了對(duì)sRIO轉(zhuǎn)換器的需求。

無(wú)線頻率模塊通過(guò)CPRI鏈路連接。一個(gè)小型FPGA器件負(fù)責(zé)從CPRI到sRIO的轉(zhuǎn)換。這是系統(tǒng)中需要的唯一一個(gè)FPGA。然后就是鏈中的上行鏈路器件，接下來(lái)是下行鏈路器件。此器件被連接到L2器件，在這里被映射到一個(gè)QorIQ處理器上。

LTE信號(hào)處理任務(wù)可以在StarCore SC3850內(nèi)核或MAPLE-B協(xié)處理器上執(zhí)行。一個(gè)典型的分區(qū)如下所示：

上行鏈路器件：

3個(gè)內(nèi)核用于共享信道

1個(gè)內(nèi)核用于 隨機(jī)接入信道(RACH)和聲音

1個(gè)內(nèi)核用于控制信道

最后一個(gè)內(nèi)核用作主內(nèi)核，在其他內(nèi)核上安排和分配信號(hào)處理任務(wù)

下行鏈路器件：

3個(gè)內(nèi)核用于共享信道

1個(gè)內(nèi)核用于控制信道

1個(gè)內(nèi)核用于物理廣播信道(PBCH)、物理多播信道(PMCH)、物理控制格式指示信道(PCFICH)和物理HARQ指示符信道(PHICH)

最后一個(gè)內(nèi)核作為任務(wù)調(diào)度器

下行鏈路器件的負(fù)載通常低于上行鏈路器件的負(fù)載。

下列表格詳細(xì)列出了內(nèi)核與MAPLE-B在功能上的分工。

通過(guò)這種方法，內(nèi)核被專門用于預(yù)先確定的任務(wù)，但是如何分配任務(wù)則由調(diào)度器負(fù)責(zé)。為發(fā)揮器件能力以便實(shí)現(xiàn)1ms的時(shí)延要求，該模塊具有很高的重要性。

例如，在上行鏈路器件上，當(dāng)接收到參考信號(hào)的時(shí)候，信道估測(cè)將首選被分配到內(nèi)核1、2和3上。然后，當(dāng)接收到最后的數(shù)據(jù)符號(hào)的時(shí)候，可以在三個(gè)內(nèi)核上安排均衡處理。接下來(lái)是解映射/解擾以及解交織。通常在空閑時(shí)隙安排測(cè)量。

上行鏈路器件利用所有的MAPLE-B處理部件，而下行鏈路器件僅將其用于最后的快速傅立葉反變換(IFFT)。對(duì)于更高的上行鏈路吞吐量，上行鏈路器件能夠遠(yuǎn)程利用來(lái)自于下行鏈路器件的Turbo Viterbi處理部件(TVPE)。