基于TI KeyStone SoC的多標(biāo)準(zhǔn)無線基站設(shè)計

　為了使自身具備強(qiáng)大的競爭優(yōu)勢，無線基站制造商需要支持部署在全球范圍內(nèi)的各種模式和技術(shù)，從而彌合全球各地的各種區(qū)域差異。作為業(yè)界唯一一家無線基站SoC廠商，TI實現(xiàn)了精準(zhǔn)而獨特的市場定位，能夠為需要在如此復(fù)雜多樣的環(huán)境中以低成本交付多標(biāo)準(zhǔn)解決方案的制造商提供通用平臺。本白皮書不僅深入探討了在滿足當(dāng)今無線運(yùn)營商的需求時OEM所面臨的眾多挑戰(zhàn)，同時還介紹了TIKeyStone多內(nèi)核架構(gòu)提供的平臺將如何推進(jìn)制造商不斷獲得成功。

　　雖然無線通信市場從來沒有像現(xiàn)在這樣紛繁復(fù)雜、充滿挑戰(zhàn)，但也從未缺乏魅力和蓬勃發(fā)展的生機(jī)。隨著對智能手機(jī)消費(fèi)需求的日益增長和平板電腦的悄然走俏，越來越多的用戶開始接入移動因特網(wǎng)，從而對移動網(wǎng)絡(luò)的容量不斷提出更高的要求。同時GSM等2G技術(shù)仍然非常流行，因此運(yùn)營商在向新一代高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)軍的同時仍然必須支持向后兼容性。在目前的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，運(yùn)營商必須在限制資本支出、保障運(yùn)營成本平衡的同時，合理應(yīng)對技術(shù)的發(fā)展和不斷變化的市場形勢。

　　每一家運(yùn)營商都具有其獨特的頻譜范圍，其用戶群也是如此。對于OEM廠商來說，部署“一體通用”的基站是一項嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因為每一項部署都可謂千差萬別。另外，限于目前網(wǎng)絡(luò)部署策略的固有物理特點，智能手機(jī)的普及和通信數(shù)據(jù)量的激增都給有限的頻譜范圍造成了壓力。這就促使將宏模塊周圍及內(nèi)部的微小型單元添加到現(xiàn)行的混合基站配置中，這也許會從根本上改變未來網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。對于無線運(yùn)營商和無線基站制造商來說，這將是一個前景不甚明朗、充滿風(fēng)險的領(lǐng)域，需要他們潛心探索。

　　運(yùn)營商夢寐以求的解決方案

　　對于運(yùn)營商而言，理想的解決方案就是能夠擁有既可支持其客戶日新月異的應(yīng)用需求，同時又能兼顧實現(xiàn)其資金和運(yùn)營目標(biāo)的通用平臺。

　　多標(biāo)準(zhǔn)支持—運(yùn)營商面對著雙重挑戰(zhàn)，既需要滿足采用各種技術(shù)的現(xiàn)有客戶，同時又要快速適應(yīng)用戶隨時升級使用各種新技術(shù)。此外，運(yùn)營商還需要在戰(zhàn)略上向 4G升級以始終保持競爭優(yōu)勢。這就要求完成一項繁重而枯燥的任務(wù)，那就是在現(xiàn)有客戶的滿意度和收益，與為實現(xiàn)技術(shù)演進(jìn)發(fā)展而進(jìn)行的成本投資之間實現(xiàn)最佳平衡。

　　我們以某擁有GSM/EDGE客戶且積極向3G升級的運(yùn)營商為例。在該例中，2G用戶代表了客戶群中的絕大多數(shù)，隨著時間的推移，這些用戶也將購買新的3G手機(jī)、智能電話以及平板電腦等。這意味著擁有2G和3G設(shè)備的比例將不斷變化。眾多3G用戶又會在需要時購買4G設(shè)備，這就促使運(yùn)營商必須在同一基站發(fā)射塔中同時支持2G、3G和4G。

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　　如果網(wǎng)絡(luò)或者部分網(wǎng)絡(luò)沒有4G信號覆蓋，那么4G手機(jī)將“返回”使用3G。如果網(wǎng)絡(luò)的特定區(qū)域僅有2G信號覆蓋，那么4G和3G手機(jī)都將“返回”使用 2G。運(yùn)營商必須讓2G信號覆蓋每個角落，因為這是所有客戶共同的最低限要求。對于眾多運(yùn)營商而言，這一多標(biāo)準(zhǔn)配置的局面在今后很長一段時間內(nèi)都將存在。

　　為能順利實現(xiàn)過渡，運(yùn)營商會在他們的網(wǎng)絡(luò)中持續(xù)收集各個蜂窩單元對2G、3G和4G業(yè)務(wù)的需求統(tǒng)計數(shù)據(jù)。通過遠(yuǎn)程控制，運(yùn)營商希望能夠妥善地改變基站的混合容量以滿足上述流量需求，并最大限度地減少3G用戶返回使用2G或4G用戶返回使用3G的幾率。由于4G的頻譜效率優(yōu)于3G，而3G又相應(yīng)地優(yōu)于 2G，運(yùn)營商非常希望能讓盡可能多的用戶使用更為高級的通信標(biāo)準(zhǔn)。這樣就能在他們所投資的寶貴的頻譜中最大化通信流量。

　　由于監(jiān)管部門允許運(yùn)營商對頻譜進(jìn)行重復(fù)利用，因而這對他們而言可謂另一個至關(guān)重要的方面。通過了解其客戶群的使用量及發(fā)展趨勢，運(yùn)營商發(fā)現(xiàn)他們不僅能夠保持對現(xiàn)有2G服務(wù)的支持，同時還能將當(dāng)前部分頻譜分配給更高級的3G或4G。例如，通過部署更高效的基站來對GSM頻譜進(jìn)行改造，能夠在單個載波中獲得額外的語音用戶，從而可將其他的載波分配給3G或4G業(yè)務(wù)。VAMOS(單時段中自適應(yīng)多用戶通道的語音業(yè)務(wù))方案就是一個非常好的例證，其從本質(zhì)上使得3G系統(tǒng)中收發(fā)器的峰值容量實現(xiàn)了雙倍提升。

　　讓運(yùn)營及維護(hù)盡在掌控對于當(dāng)今的無線運(yùn)營商來說，運(yùn)營及維護(hù)面臨的挑戰(zhàn)是雙重的。首先，為了能夠高效應(yīng)對上述多標(biāo)準(zhǔn)支持帶來的挑戰(zhàn)，運(yùn)營商希望能夠遠(yuǎn)程控制基站并可根據(jù)用戶狀態(tài)的變化迅速修改基站配置。由于資本性支出及加速上市進(jìn)程等原因，運(yùn)營商希望準(zhǔn)備就緒的基站能夠快速獲得重新配置以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)在使用方面的變化。運(yùn)營商不僅能顯著受惠于基站設(shè)備的重復(fù)利用，同時還能通過遠(yuǎn)程配置大幅節(jié)省勞動成本。無需更新即能重新配置的遠(yuǎn)程無線電廣播終端的部署規(guī)模日益擴(kuò)大，這使基站廠商承受了巨大壓力，其也需要支持遠(yuǎn)程重配置功能。

　　由于具備軟件可升級性，基站目前的現(xiàn)場服務(wù)年限超過10年，從而顯著相應(yīng)優(yōu)化了運(yùn)營商的固定資產(chǎn)投入。部署那些具有線卡可配置且標(biāo)準(zhǔn)可擴(kuò)展特性的通用基站平臺不僅能夠減少技術(shù)服務(wù)及維護(hù)成本，而且還能進(jìn)一步降低配件與庫存成本?，F(xiàn)場技術(shù)人員可為重要的成套設(shè)備建立專家團(tuán)隊。就此而言，運(yùn)行及維護(hù)成本也會大幅降低，從而既能優(yōu)化運(yùn)營管理成本又可節(jié)省固定資本的投入。
3　OEM廠商的回應(yīng)

　　OEM廠商面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，他們需要提供可支持各種無線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能在上述應(yīng)用方面為運(yùn)營商提供支持。他們需要提供可支持現(xiàn)有技術(shù)的基站，并擁有升級至未來標(biāo)準(zhǔn)的能力。他們必須為運(yùn)營商提供可高度擴(kuò)展的遠(yuǎn)程配置解決方案，同時相關(guān)的成本和功耗還需要全面滿足運(yùn)營商在成本支出和運(yùn)營支出方面設(shè)定的目標(biāo)，這是個相當(dāng)艱巨的挑戰(zhàn)。為了獲得成功，OEM廠商需要以低成本提供基站，且其研發(fā)和支持費(fèi)用又需要滿足其各自的商業(yè)目標(biāo)。

　　那么，OEM廠商將如何全面實現(xiàn)平衡呢?為各個標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場配置構(gòu)建專有平臺并非解決之道。像大多數(shù)企業(yè)一樣，基站廠商也有商業(yè)盈利目標(biāo)，那就是限制研發(fā)和產(chǎn)品支持費(fèi)用并從資源的優(yōu)化配置中獲利。理想情況下，他們應(yīng)擁有一套能從中生成多種配置以滿足不同運(yùn)營商需求的基站平臺設(shè)計。由于軟件是一項重要的投資，并占據(jù)基站設(shè)計中的很大一部分，因而擁有一套軟件可移植性和可重用性的解決方案至關(guān)重要。OEM廠商需要的通用硬件平臺能以極少的重復(fù)設(shè)計支持多種無線配置，從而能夠優(yōu)化研發(fā)成本、加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，我們需要能大幅優(yōu)化軟件開發(fā)及重用性的通用基站片上系統(tǒng)(SoC)平臺。

　　TI提供理想的解決方案

　　TI提供的通用SoC平臺使基站OEM廠商不僅能夠設(shè)計多標(biāo)準(zhǔn)平臺，而且還能創(chuàng)建特定于標(biāo)準(zhǔn)的平臺。TI在此方面擁有獨特的優(yōu)勢。TI功能強(qiáng)大的創(chuàng)新型KeyStone架構(gòu)可為基于通用軟件/硬件平臺之上的多種器件，從而可支持各種通用的無線標(biāo)準(zhǔn)，非常適用于從微小型單元到宏單元配置的各種解決方案。 KeyStone平臺使OEM廠商能通過以下詳述的兩種方案實現(xiàn)運(yùn)營商的多標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)。

　　KeyStone架構(gòu)多標(biāo)準(zhǔn)支持的第一步即在于TI的KeyStone架構(gòu)。該KeyStone架構(gòu)采用可同時提供具有定點和浮點處理能力的高級 DSP內(nèi)核(C66x)，從而使OEM廠商和運(yùn)營商無論在現(xiàn)在當(dāng)前的部署中還是在將來的高級天線和算法配置中都能實現(xiàn)差異化功能。該款擁有通用I/O接口及SoC基礎(chǔ)架構(gòu)的內(nèi)核使軟件的重復(fù)使用和移植變得簡單便捷。此平臺包含一套可優(yōu)化研發(fā)工作的通用工具，而且在通過單個解決方案平臺開發(fā)多個產(chǎn)品時能夠顯著加快上市進(jìn)程。KeyStone架構(gòu)見圖1。

　　KeyStone多內(nèi)核SoC架構(gòu)在業(yè)界率先提供了完整的多核性能。KeyStone可為所有的處理內(nèi)核、外設(shè)、協(xié)處理器和I/O接口提供非阻塞接入。部分能充分發(fā)揮多內(nèi)核性能的創(chuàng)新功能包括：多內(nèi)核導(dǎo)航器、TeraNet、多內(nèi)核共享存儲器控制器(MSMC)和超連結(jié)。

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TIKeyStone多內(nèi)核SoC架構(gòu)

　　圖1–-TIKeyStone多內(nèi)核SoC架構(gòu)：理想適用于多標(biāo)準(zhǔn)實施

　　多內(nèi)核導(dǎo)航器—TI多內(nèi)核導(dǎo)航器是一款基于分組的創(chuàng)新型管理器，能夠控制8,192個隊列且能在各種子系統(tǒng)之間提取連接。多內(nèi)核導(dǎo)航器擁有可實現(xiàn)通信、數(shù)據(jù)傳輸以及任務(wù)管理的統(tǒng)一接口以及“一次性零拷貝復(fù)制”范式，能夠以更少的中斷數(shù)和更低的軟件復(fù)雜度實現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能。

　　我們以多內(nèi)核導(dǎo)航器的運(yùn)行原理為例，多內(nèi)核導(dǎo)航器不僅能夠進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，面且還能在無需外部管理的情況下指示下一個空閑的DSP內(nèi)核讀取任務(wù)并進(jìn)行處理。其可從如下幾個方面簡化軟件架構(gòu)并提高基站的性能。

　　•動態(tài)資源/負(fù)載共享

　　•跨子系統(tǒng)通信時可減輕CPU的開銷/延遲

　　•基于硬件的任務(wù)優(yōu)先級排序

　　•動態(tài)負(fù)載平衡

　　•適用于所有IP模塊(軟件、I/O和加速器)的通用通信方法

　　多內(nèi)核導(dǎo)航器可在無需CPU干預(yù)的情況下控制數(shù)據(jù)流，從而釋放移動數(shù)據(jù)所需的CPU周期，并能將片上通信速率提高達(dá)每秒20億條消息。此外，其還能大幅簡化軟件架構(gòu)，以使開發(fā)周期更短、資源利用更合理。

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　　TeraNet—TeraNet采用層級交換結(jié)構(gòu)，能夠在SoC內(nèi)組合交付超過2Tb的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。這從本質(zhì)上確保了內(nèi)核或協(xié)處理器再也不會缺少數(shù)據(jù)，并能夠交付名符其實的處理能力。由于交換結(jié)構(gòu)屬于層級式而非常平坦的縱橫式，因而整體功耗能夠在空閑狀態(tài)下大幅降低，并能以最小的時延提供非常高的性能，這也是新一代基站的關(guān)鍵要求。

　　多核共享存儲控制器(MSMC)–MSMC是一種可用于增強(qiáng)性能的獨特存儲器架構(gòu)。MSMC允許內(nèi)核在不使用任何TeraNet帶寬的條件下直接訪問共享存儲器。MSMC可在各內(nèi)核和其他IP模塊之間對共享存儲器的存取進(jìn)行判優(yōu)，從而消除了存儲器爭用的情況發(fā)生。DDR3外部存儲器接口(EMIF)可直接連接至MSMC，從而不僅可減少與外部存儲器獲取相關(guān)的時延，而且還能提高速度并支持基站應(yīng)用的需求。

　　超鏈接—超鏈接是一個具有50Gbps總吞吐量的互連協(xié)議，其可實現(xiàn)高速度的低協(xié)議層通信以及與其他KeyStone、FPGA或ASIC設(shè)備的互連互通，并能夠提供從主器件到同伴器件的透明的存儲器映射接入。這就能夠大幅簡化軟件編程，并為OEM廠商實現(xiàn)可擴(kuò)展的解決方案提供了無縫路徑。

　　這一系列功能強(qiáng)大且高度靈活的SoC組件是設(shè)計高效率多標(biāo)準(zhǔn)基站的關(guān)鍵。鑒于2G、3G、4G系統(tǒng)之間存在各種復(fù)雜性，頻分復(fù)用系統(tǒng)對時分復(fù)用系統(tǒng)的挑戰(zhàn)性以及區(qū)域部署的多變性，若不從一個堅實的基礎(chǔ)開始，想要在所有的平臺上使用通用的SoC等于紙上談兵。

　　TI的加速戰(zhàn)略為了多標(biāo)準(zhǔn)能成功實現(xiàn)，第二大關(guān)鍵因素就是是否能夠通過TI的加速戰(zhàn)略。DSP始終是無線基站基帶處理的關(guān)鍵元素。其對信號處理的優(yōu)化非常適用于無線應(yīng)用領(lǐng)域。盡管如此，出于成本和功耗的原因，一些常規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)定義的功能更適用于在硬件中實施。雖然這些可以在外部硬件邏輯器件中完成，但 TI還是為基站制造商提供了更低成本及更低功耗的備選方案，即在基于KeyStone的SoC中集成了這些功能。自2003以來，TI一直致力于為無線基站市場提供基于DSP的集成型SoC。隨著硅芯片技術(shù)的不斷發(fā)展以及無線標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進(jìn)，公司不斷推出新生代產(chǎn)品，從而可為OEM廠商提供能滿足運(yùn)營商需求的最具競爭優(yōu)勢的解決方案。
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　　圖2顯示了TI在無線基站SoC領(lǐng)域的發(fā)展歷程和領(lǐng)導(dǎo)地位。第一代SoC承擔(dān)了GSM和CDMA等早期2G技術(shù)的無線部署，其中包含了viterbi 和turbo解碼器。隨著無線標(biāo)準(zhǔn)不斷進(jìn)步，超越語音服務(wù)而進(jìn)入數(shù)字時代，TI為實現(xiàn)更高容量增強(qiáng)了DSP及相關(guān)協(xié)處理器。第三代SoC能夠?qū)崿F(xiàn)更豐富的功能，其中包括支持所有標(biāo)準(zhǔn)的第一代帶無線協(xié)處理器的多內(nèi)核DSP，以及對集成了接收加速器的WCDMA(WCDMA在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用不斷增加)的更全面支持。

　　當(dāng)今的第四代和目前解決方案系列可為所有3G、4G添加一系列廣泛而強(qiáng)大的協(xié)處理器，從而加強(qiáng)現(xiàn)有無線標(biāo)準(zhǔn)的性能。這些協(xié)處理器包括多種特性，如 WCDMA的傳輸發(fā)射、所有標(biāo)準(zhǔn)的比特速率處理、快速傅里葉變換，以及功能更強(qiáng)大的turbo解碼等。除了支持物理層及所述標(biāo)準(zhǔn)中的第一層外，目前這一代 SoC還包括對第二層功能以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器的支持。

　　
TI的實施歷程

　　圖2–-TI的實施歷程：基站SoC中的無線標(biāo)準(zhǔn)

　　TITMS320TCI6618是一款最新推出的基站SoC，其基于KeyStone平臺之上，擁有DSP周期數(shù)相當(dāng)于超過250GHz的專用標(biāo)準(zhǔn)可配置硬件加速器。這些加速器可支持現(xiàn)行的所有通用無線標(biāo)準(zhǔn)，其中包括GSM、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX以及LTE等。這些協(xié)處理器的實施是基于成熟且會消耗大量處理周期的標(biāo)準(zhǔn)功能而精心挑選的。如欲了解有關(guān)最新器件中加速功能的更多詳情，敬請參閱TI的白皮書《采用TI多標(biāo)準(zhǔn)基站SoC實現(xiàn)卓越的性能、效率和差異化功能》。

　　在技術(shù)發(fā)展的每一個階段，TI都始終穩(wěn)居業(yè)界領(lǐng)先無線基站SoC供應(yīng)商的地位。采用TI技術(shù)進(jìn)行高靈活性的可行部署，用戶能夠在縮短學(xué)習(xí)周期方面擁有獨特的優(yōu)勢。在每個最新發(fā)展的工藝節(jié)點，都離不開新技術(shù)的推出，而且現(xiàn)有技術(shù)的增強(qiáng)都是基于現(xiàn)實世界的豐富經(jīng)驗及應(yīng)用反饋進(jìn)行的。作為TI當(dāng)前采用的 SoC，TCI6488已擁有數(shù)百萬片的出貨量，而且被全球逾200家運(yùn)營商所廣泛采用。其是迄今為止，本行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)部署最廣泛的3G無線基站SoC。在提供作為SoC一部分且基于標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場固化加速器功能方面，TI擁有獨特的優(yōu)勢，能夠幫助OEM廠商顯著降低風(fēng)險。

　　總結(jié)毋庸置疑，部署多標(biāo)準(zhǔn)基站是獲得成功至關(guān)重要的因素，能夠讓無線運(yùn)營商所面臨的挑戰(zhàn)迎刃而解。這些通用平臺將使得在向未來新技術(shù)進(jìn)行升級時無需進(jìn)行重大改進(jìn)或重新進(jìn)行設(shè)備部署。不斷進(jìn)步的基站制造商在努力解決運(yùn)營商所遇困難的同時也在不斷實現(xiàn)其自己的業(yè)務(wù)目標(biāo)。