基于DSP的3G LTE系統(tǒng)設計

3G LTE(長期演進)是第三代伙伴計劃(3GPP)的一個高級標準，為廣域網(wǎng)提供下一代寬帶無線技術。

與以前各階段的3GPP相比，3G LTE的目標是更高的吞吐量、更低的時延以及高效的IP回程，提供一種新的可以大規(guī)模部署的移動網(wǎng)絡技術，預示著一個富媒體和實時服務新時代的到來。

由于最近在HSPA與HSPA+技術上的提升，3G/UMTS必然在未來幾年內仍具競爭力，然而，通過3G LTE，3GPP和無線運營商已經(jīng)在朝著一種更新的、頻譜效率(spectral-efficient radio)更高、可擴展、也更加高效的網(wǎng)絡架構演進。

最終，3G LTE將使移動運營商能夠更有力地與固定寬帶服務競爭并繼續(xù)推動移動對固網(wǎng)的替代。

為實現(xiàn)這些目標，特別設立了3G LTE，以便廣泛改善無線和網(wǎng)絡通信，同時確保與現(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的設計支持從1.25到20MHz的靈活的載波帶寬，以支持即將部署的更精細粒度的頻率。

為了進一步改進系統(tǒng)，推出了更多的特性，如用于提高帶寬的多天線技術(MIMO：多輸入多輸出)。利用MIMO技術，在20MHz頻段內，峰值數(shù)據(jù)速率預期將達到下行300Mbps和上行150Mbps。

3G LTE既可被用于成對頻譜(FDD)也可被用于非成對頻譜(TDD)。對于FDD，上行和下行話務可以在單獨的頻段內同步傳輸，而對于TDD，在同一個頻帶內，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%以上的可用移動頻率都在FDD之內，剩下的10%主要位于最近中國采用的TD-SCDMA內。

3G-LTE的高級技術目標為：下行鏈路容量:20MHz帶寬的瞬時數(shù)據(jù)速率高達300Mbps；上行鏈路容量：20MHz帶寬的瞬時數(shù)據(jù)速率可達150Mbps；帶寬可擴展至20MHz，覆蓋1.25MHz、1.6MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz；MIMO支持；FDD及TDD模式；時延：理想條件下，下行鏈路時延低于0.5ms；用戶吞吐量：相當于HSPA+的4.5倍；移動速率：經(jīng)過優(yōu)化，支持高達120km/h的速率，但是也支持350km/h的移動速率。

飛思卡爾半導體的MSC8156 DSP

為了滿足對高級3G和4G服務的不斷增長的需求，無線基礎架構設備制造商越來越需要能夠提供卓越性能的芯片。通過提供近期基于下一代無線標準，如3G LTE(TDD及FDD)、WiMAX和HSPA+的網(wǎng)絡部署所要求的靈活性、集成度和負擔能力，飛思卡爾基于StarCore技術的MSC8156 DSP滿足了這一需求。尤其是它的出眾的性能支持3G LTE基站對高速率、高吞吐量和低時延的要求。

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

該器件集成了6個完全可編程的SC3850 DSP內核，每個都以1GHz運行，其架構經(jīng)過高度優(yōu)化，支持無線基礎架構應用。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?；趦炔縍ISC的QUICC Engine子系統(tǒng)支持多個網(wǎng)絡協(xié)議，以通過分組網(wǎng)絡幫助提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，同時從DSP內核大幅分流處理負載。

MSC8156嵌入了大容量內存并支持多種高級的、高速接口類型，包括兩個RapidIO互聯(lián)技術接口、兩個用于通信的Gigabit以太網(wǎng)接口、一個PCI Express控制器、兩個支持高速、業(yè)界標準內存接口的DDR控制器和四個多通道TDM接口。

在開發(fā)工具方面，CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境(IDE)利用Eclipse技術，提供一個高度綜合的多核開發(fā)環(huán)境。它包括：C和C++編譯器、源語言調試器、內核和器件模擬器、用于個性化配置和程序/數(shù)據(jù)跟蹤的軟件分析插件以及與經(jīng)過優(yōu)化的器件驅動器一起提供的免版權費的SmartDSP操作系統(tǒng)。

為了讓OEM廠商更快地把產(chǎn)品推向市場，飛思卡爾圍繞MSC8156開發(fā)了一種綜合硬件和軟件參考包，其設計目的是為了讓系統(tǒng)更快地連接在一起，以便進行*估和開發(fā)。開發(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為基礎的，MSC8156AMC后者是一種高密度、單寬全高Advanced MC Advanced Mezzanine Card(AMC) DSP平臺，構建于三個MSC8156 DSP基礎之上，可插入緊湊型MicroTCA底板。

這種18GHz的處理能力與為無線基礎架構應用高度優(yōu)化的架構相結合，使其成為開發(fā)基于下一代無線標準，如(FDD-LTE、TDD-LTE、WiMAX和HSDPA+)的解決方案的理想平臺。

每個MSC8156 DSP有1GB的64位寬版DDR3內存，分為兩個內存庫。對于數(shù)據(jù)平面應用，高吞吐量的3.125GHz x4 RapidIO鏈路把三個MSC8156 DSP互相連接起來并將其連接到數(shù)據(jù)背板。RapidIO接口通過IDT的高帶寬10端口(x4)CPS10Q串行RapidIO轉換器連接。數(shù)據(jù)/控制平面應用由1G以太網(wǎng)接口處理。兩個1000 Base-X Gigabit接口通過一個以太網(wǎng)轉換器把背板連接到DSP。每個DSP有兩個通過以太網(wǎng)轉換器連接到背板的RGMII接口。在前面板上提供兩個額外的Gigabit以太網(wǎng)接口，用于測試和控制。板控制和熱插拔由基于Pigeon Point的模塊管理控制器提供。

為了有助于未來的開發(fā)，圍繞“夾層”概念設計了高級夾層卡（AMC）。夾層為系統(tǒng)提供快速實現(xiàn)未來AMC原型系統(tǒng)開發(fā)的組成部件。

MSC8156AMC基帶L1處理器卡的特性包括：處理器：多達3個MSC8156 6核StarCore DSP，高達1.0GHz的容量，帶有集成串行RapidIO以及Gigabit以太網(wǎng)接口；運行：單獨或AMC插卡；內存：每個MSC8156具備2 x 512MB的64bit寬版DDR3內存；四個串行RapidIO(sRIO)接口以及兩個1000Base-X背板接口；1000Base-T、USB以及UART前面板接口；IPMC：板啟動、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實時軟件子系統(tǒng)

飛思卡爾提供LTE L1支持軟件庫，包括一個定制操作系統(tǒng)、驅動器和主要信號處理功能。

LTE L1軟件包括3GPP標準中定義的物理基帶信道處理和無線傳輸信道功能。飛思卡爾提供一套綜合的內核模塊，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。內核被進一步組合為上行鏈和下行鏈，它們以SmartDSP實時操作系統(tǒng)為參考實時運行。所有以上提到的軟件在開發(fā)上都能使用ANSI-C語言調用，而且提供完整的開發(fā)文檔。

簡而言之，物理層處理功能包括：調制、信道編碼、傳輸方案、復用、MIMO/分集、信道估測、均衡(3GPP范圍之外)。

更多詳細資料列舉如下：

L1軟件包包括

信號處理庫：包含LTE L1信號處理管理器和內核庫功能。這種信號處理內核是基本的處理單元，而信號處理管理器則是一系列內核的鏈路集成，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實時運行。

在一個典型 LTE 應用中使用 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、信號處理算法復雜度(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)。

一個典型的20MHz LTE FDD基站示例將表明一個完整的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；應用上行鏈路的MMSE均衡器。

兩個MSC8156 DSP實現(xiàn)對LTE物理信道的綜合支持。一個器件負責所有上行鏈路處理，而另外一個被分配負責所有下行鏈路處理。

下圖說明了器件映射的原理。

MSC8156可以通過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sRIO轉換器的需求。

無線頻率模塊通過CPRI鏈路連接。一個小型FPGA器件負責從CPRI到sRIO的轉換。這是系統(tǒng)中需要的唯一一個FPGA。然后就是鏈中的上行鏈路器件，接下來是下行鏈路器件。此器件被連接到L2器件，在這里被映射到一個QorIQ處理器上。

LTE信號處理任務可以在StarCore SC3850內核或MAPLE-B協(xié)處理器上執(zhí)行。一個典型的分區(qū)如下所示：

上行鏈路器件：

3個內核用于共享信道

1個內核用于 隨機接入信道(RACH)和聲音

1個內核用于控制信道

最后一個內核用作主內核，在其他內核上安排和分配信號處理任務

下行鏈路器件：

3個內核用于共享信道

1個內核用于控制信道

1個內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)

最后一個內核作為任務調度器

下行鏈路器件的負載通常低于上行鏈路器件的負載。

下列表格詳細列出了內核與MAPLE-B在功能上的分工。

通過這種方法，內核被專門用于預先確定的任務，但是如何分配任務則由調度器負責。為發(fā)揮器件能力以便實現(xiàn)1ms的時延要求，該模塊具有很高的重要性。

例如，在上行鏈路器件上，當接收到參考信號的時候，信道估測將首選被分配到內核1、2和3上。然后，當接收到最后的數(shù)據(jù)符號的時候，可以在三個內核上安排均衡處理。接下來是解映射/解擾以及解交織。通常在空閑時隙安排測量。

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)。對于更高的上行鏈路吞吐量，上行鏈路器件能夠遠程利用來自于下行鏈路器件的Turbo Viterbi處理部件(TVPE)。