采用TI多標(biāo)準(zhǔn)基站SoC實(shí)現(xiàn)性能、效率與差異化的全面提升

為進(jìn)一步改進(jìn)總體系統(tǒng)性能，滿足新一代 LTE 系統(tǒng)的要求，必須設(shè)計(jì)出具備良好均衡性且可擴(kuò)展的架構(gòu)，以便最大限度地發(fā)揮 SoC 的多內(nèi)核計(jì)算性能。這就要求最大限度地提高系統(tǒng)的互連吞吐量，并將存儲(chǔ)器存取與數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延降到最小。

通過(guò)對(duì) LTE 要求的總處理周期進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)增強(qiáng) DSP 內(nèi)核的信號(hào)處理能力，不僅能夠減少處理周期的總數(shù)量，而且還能增大系統(tǒng)容量、提升性能。最新推出的 C66x DSP 內(nèi)核通過(guò)將 C64x+ 的乘/累加 (MAC) 能力銳升四倍可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。此外，新內(nèi)核還同時(shí)集成了定點(diǎn)與浮點(diǎn)功能，并可為矢量處理與矩陣處理提供新的指令。

如快速傅里葉變換 (FFT) 與快速傅里葉逆變換 (IFFT) 等特定函數(shù)需要在 LTE 信號(hào)鏈上的許多地方執(zhí)行，并且用于在時(shí)域與頻域之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。FFT 與離散傅立葉變換 (DFT) 已屬成熟算法，因此它們有可能作為硬件加速的候選以用于釋放 CPU 周期，這樣 DSP 內(nèi)核就可用于執(zhí)行客戶差異化功能。

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LTE 的上行與下行比特率處理及其他無(wú)線技術(shù)包含眾多標(biāo)準(zhǔn)算法，適用于調(diào)制、解調(diào)、交錯(cuò)、解交錯(cuò)、速率匹配、解速率匹配、加擾與去擾等運(yùn)算。TI 新型比特率協(xié)處理器 (BCP) 是一種可為多種標(biāo)準(zhǔn)釋放所有比特率處理功能的加速器，它可大幅度提升系統(tǒng)容量，從而簡(jiǎn)化軟件編程、減少系統(tǒng)時(shí)延。

這些就是可以在 TCI6616 及 TCI6618 基站 SoC 中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新與性能飛躍提升的系統(tǒng)優(yōu)化機(jī)會(huì)的示例。

TI KeyStone 架構(gòu)
KeyStone 多內(nèi)核 SoC 架構(gòu)是業(yè)界同類架構(gòu)中率先可提供基礎(chǔ)局端以確保所有內(nèi)核都能得到充分利用的架構(gòu)。KeyStone 可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有處理內(nèi)核、外設(shè)、協(xié)處理器及 I/O 的非阻塞訪問?？蓪?shí)現(xiàn)這類多內(nèi)核能力的部分 KeyStone 創(chuàng)新技術(shù)包括：多內(nèi)核導(dǎo)航器、TeraNet、多內(nèi)核共享存儲(chǔ)控制器 (MSMC) 及超鏈接。

TI 多內(nèi)核導(dǎo)航器是一種基于分組的創(chuàng)新型管理器，能夠在提取不同子系統(tǒng)間連接的同時(shí)，控制 8,192 個(gè)隊(duì)列。它可為實(shí)現(xiàn)通信、數(shù)據(jù)傳輸及工作管理提供統(tǒng)一接口。通過(guò)采用“一次性完成，零復(fù)制”的設(shè)計(jì)理念，多內(nèi)核導(dǎo)航器能夠以更少的中斷及更低的軟件復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能。

舉例來(lái)說(shuō)，多內(nèi)核導(dǎo)航器能夠進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，且在無(wú)需外部管理的情況下即能指示下一個(gè)空閑 DSP 內(nèi)核讀取并處理任務(wù)。這樣通過(guò)提供下列功能，即可簡(jiǎn)化 SoC 軟件架構(gòu)，進(jìn)而提升基站的性能：
動(dòng)態(tài)資源/負(fù)載共享
減輕與子系統(tǒng)間通信相關(guān)的 CPU 開銷/延遲
基于硬件的任務(wù)優(yōu)先級(jí)排序
動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡
針對(duì)所有 IP 模塊（軟件、I/O 及加速器）的通用通信方法

多內(nèi)核導(dǎo)航器能夠在無(wú) CPU 干預(yù)的情況下控制數(shù)據(jù)流，可從移動(dòng)數(shù)據(jù)中釋放 CPU 周期并將片上通信速率提升至每秒 2,000 萬(wàn)條消息。此外，其還能夠使用更為簡(jiǎn)單的軟件架構(gòu)以縮短開發(fā)周期并提高資源利用率。

TeraNet 能夠提供層級(jí)交換結(jié)構(gòu)，可在 SoC 內(nèi)為數(shù)據(jù)傳輸提供超過(guò) 2 Tbit 的總帶寬。這樣幾乎可確保不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)核與協(xié)處理器沒有數(shù)據(jù)可處理的情況，從而使他們?cè)谌魏涡枰奈恢煤蜁r(shí)間都可以發(fā)揮其最大的處理功效。由于交換結(jié)構(gòu)采用了層級(jí)架構(gòu)而非扁平縱橫式結(jié)構(gòu)，因此總體功耗能在空閑狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)大幅度下降且能以最低時(shí)延實(shí)現(xiàn)高性能，從而充分滿足新一代基站的這種關(guān)鍵要求。

多內(nèi)核共享存儲(chǔ)控制器 (MSMC) 是一種可增強(qiáng)性能的獨(dú)特架構(gòu)。MSMC 可以讓內(nèi)核在不占用任何 TeraNet 帶寬的情況下直接訪問共享存儲(chǔ)器。MSMC 可以協(xié)調(diào)內(nèi)核及其他 IP 模塊對(duì)共享存儲(chǔ)器的訪問，以避免發(fā)生存儲(chǔ)器爭(zhēng)用的情況發(fā)生。DDR3 外部存儲(chǔ)器接口 (EMIF) 可直接連接至 MSMC，從而降低因發(fā)生外部存儲(chǔ)器存取而導(dǎo)致的時(shí)延，并為基站應(yīng)用提供所需的高速訪問與支持。

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超鏈接具有 50Gbps 的總吞吐能力，是一種互連機(jī)制，能夠以極少的協(xié)議實(shí)現(xiàn)與其它 KeyStone、FPGA 及 ASIC 器件的高速通信與連接。其可為主器件上的配套器件提供透明的存儲(chǔ)器映射訪問，從而不僅可大幅簡(jiǎn)化軟件編程，同時(shí)還能為 OEM 廠商提供實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展解決方案的無(wú)縫路徑。

全新 DSP 內(nèi)核
TCI66x SoC 解決方案包含性能顯著增強(qiáng)的全新處理內(nèi)核。其是業(yè)界首款同時(shí)集成了定點(diǎn)和浮點(diǎn)功能的基站 DSP 內(nèi)核。增強(qiáng)的性能可幫助 OEM 廠商構(gòu)建極富差異化功能的軟件，從而滿足高級(jí)操作人員的要求。

TMS320C66x 內(nèi)核
作為 TI 的新一代定點(diǎn)及浮點(diǎn) DSP，新型 C66x 內(nèi)核具備集成了 8 個(gè)功能單元和 64 個(gè)通用 32 位寄存器的高級(jí) VLIW 架構(gòu)。全新系列器件基于 TI 前代 C64x+ 內(nèi)核架構(gòu)之上，擁有屢獲殊榮的指令集架構(gòu)和眾多功能強(qiáng)大的特性，如每個(gè)周期能夠執(zhí)行 8 個(gè)指令，從而可實(shí)現(xiàn)高度的并行性能。

全新的 C66x DSP 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)眾多特性改進(jìn)，其中包括：
原生浮點(diǎn)處理，可逐指令地與定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫協(xié)作。通過(guò)以業(yè)界領(lǐng)先的定點(diǎn) DSP 速度提供原生浮點(diǎn)支持，實(shí)現(xiàn)了浮點(diǎn)處理領(lǐng)域的重大進(jìn)步；
MAC 實(shí)現(xiàn)了 4 倍的性能提升，每周期可提供 32 個(gè) 16x16 位 MAC；
專為復(fù)雜算法、線性代數(shù)和矩陣運(yùn)算而精心優(yōu)化；
全流水線雙精度浮點(diǎn)乘法器；
減少雙精度乘法時(shí)延。

所有這些改進(jìn)都能大幅提升 L1 和 L2 的總體處理性能。4G 基站解決方案具備 MIMO 和波束成形等算法，可充分利用多天線信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)性能提升。這些算法通常需要矩陣逆轉(zhuǎn)技術(shù)，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)非常容易遭受與定點(diǎn)處理相關(guān)的量化及擴(kuò)展問題的影響。這些多天線技術(shù)仍在不斷演進(jìn)發(fā)展，具備可幫助客戶實(shí)現(xiàn)差異化功能的實(shí)施靈活性至關(guān)重要。將最新的 C66x 增強(qiáng)功能用于矩陣運(yùn)算和浮點(diǎn)支持，能夠同時(shí)顯著提高系統(tǒng)的速度和準(zhǔn)確度，從而為移動(dòng)電話用戶帶來(lái)更精彩的體驗(yàn)。

采用 C66x 內(nèi)核增強(qiáng) MIMO 接收機(jī)
我們同時(shí)在 LTE 和 LTE-A 中采用了眾多高級(jí)接收機(jī)算法。例如，在 LTE-A 新技術(shù)中可實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的多用戶 MIMO (MU-MIMO) 預(yù)編碼方案。此外，單用戶 MIMO (SU-MIMO) 還可支持更高的數(shù)據(jù)速率。增強(qiáng)型 C66x 內(nèi)核不僅可幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在上述領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)差異化特性，而且最終還能幫助他們實(shí)現(xiàn)操作人員所需的高級(jí)特性。

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MIMO 解碼在算法上非常復(fù)雜，往往需要使用客戶 IP 來(lái)提升效率和性能。復(fù)雜度隨天線數(shù)量的增加而相應(yīng)增加。雖然大多數(shù)專家都一致認(rèn)為第二種傳輸天線至少在最近幾年都不會(huì)獲得廣泛使用，但當(dāng)前的系統(tǒng)仍以 2xN（2 路傳輸，N 路接收）配置為主。實(shí)施 MIMO 接收機(jī)算法的方式有很多種，其中包括較低復(fù)雜側(cè)的線性 MMSE 和較高復(fù)雜端的球狀解碼。在 OEM 廠商測(cè)試不同算法的時(shí)候，進(jìn)行高效率的軟件實(shí)施使他們能夠在部署 LTE 系統(tǒng)的同時(shí)適配并測(cè)試不同的構(gòu)想方案。這種高靈活性在基礎(chǔ)局端部署的最初幾年非常關(guān)鍵，直到新的網(wǎng)絡(luò)落實(shí)，工程師才能更好地理解問題所在。

C66x 架構(gòu)具備擴(kuò)展指令集，可用于加速 DSP 內(nèi)核的 MIMO 處理。浮點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)高效的矩陣反轉(zhuǎn)算法，從而較定點(diǎn)實(shí)施相比能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能，而且與硬件加速相比能夠?qū)崿F(xiàn)更高的靈活性。通過(guò)充分發(fā)揮浮點(diǎn)功能和 4 倍的 MAC 性能改進(jìn)，C66x DSP 內(nèi)核中的 MIMO 處理量與前代 DSP 相比降低了 5 倍。

全新的加速功能
通過(guò)分析 LTE 和 WCDMA 系統(tǒng)要求，我們已確定了一些需要改進(jìn)的功能，并按重要性進(jìn)行如下排序：
FFT/IFFT/DFT
下行鏈路比特率處理
上行鏈路比特率處理
上行鏈路控制通道接收機(jī)
MIMO 接收機(jī)
WCDMA 傳輸碼片率 IQ 采樣處理 (TAC)
WCDMA 接收碼片率 IQ 采樣處理 (RAC)
此外，4G 較高的數(shù)據(jù)速率和高速 3G 系統(tǒng)都需要大量的改進(jìn)才能完成 turbo 解碼功能。

TCI6616 AccelerationPacs
為了更好地滿足高速發(fā)展的 3G 和 4G 市場(chǎng)需求，TI 為 TCI6616 開發(fā)了眾多新的加速器。

傳輸碼片率協(xié)處理器 (TAC)
TAC 能為多達(dá) 256 個(gè)下行鏈路 WCDMA 用戶執(zhí)行傳輸碼片率擴(kuò)展運(yùn)算。該加速器可將符號(hào)率處理的數(shù)據(jù)作為輸入，然后再將芯片擴(kuò)展序列輸出到基站的各個(gè)天線輸出端。

TAC 能夠執(zhí)行下列運(yùn)算：
符號(hào)調(diào)制
開環(huán)分集處理，其中包括空間時(shí)間傳輸分集 (STTD) 和時(shí)間交換傳輸分集 (TSTD)

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閉環(huán)處理，其中包括閉環(huán)分集、用于 HSDPA 的 MIMO、下行鏈路功率控制、上行鏈路功率控制、隨機(jī)訪問采集指示傳輸、E-DCH 相對(duì)授權(quán)和混合 ARQ 指示傳輸
各個(gè)通道的增益應(yīng)用
支持壓縮模式
擴(kuò)展和加擾
功耗測(cè)量
媒體流失調(diào)和延遲
波束成型
媒體流匯總

TCA 支持所有 WCDMA 下行鏈路通道：
P-SCH：主同步通道
S-SCH：次同步通道
P-CPICH：主通用導(dǎo)頻通道
S-CPICH：次通用導(dǎo)頻通道
P-CCPCH：主通用控制物理通道
PICH：傳呼指示器通道
AICH：采集指示器通道
HS-SCCh：高速共享控制通道
HS-PDSCH：高速物理下行鏈路共享通道
E-AGCH：E-DCH 絕對(duì)授權(quán)通道
E-RGCH：E-DCH 相對(duì)授權(quán)通道
E-HICH：E-DCH 混合 ARQ 指示器通道
MICH：MBMS 指示器通道
DPCH：專用物理通道
F-DPCH：部分專用物理通道

如 RNC 和 Node-B 之間的 NBAP（Node-B 應(yīng)用部分）協(xié)議所示，TAC 可實(shí)現(xiàn)靈活的通道配置和重配置。