以全新的多核SoC架構(gòu)進(jìn)行LTE開(kāi)發(fā)

LTE概述

蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)使用正迅速成長(zhǎng)，基礎(chǔ)設(shè)備廠商亦期待4G標(biāo)準(zhǔn)，以便為移動(dòng)用戶(hù)提供更大的容量及更好的使用體驗(yàn)。3GPP所開(kāi)發(fā)的LTE已被許多運(yùn)營(yíng)商選擇為無(wú)線基站及手機(jī)的新一代解決方案。LTE是3GPP標(biāo)準(zhǔn)第8版UMTS的提升。LTE一般稱(chēng)為4G標(biāo)準(zhǔn)，是目前無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的重大變革。

LTE采用OFDMA(正交頻分多址)技術(shù)，而3G技術(shù)則采用CDMA(碼分多址)技術(shù)，此一變革可透過(guò)多天線信號(hào)處理達(dá)到較高的頻譜效率，并為較寬譜頻帶寬提供更多支持。

在OFDMA中，快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)將可用頻寬分割成許多正交的較小頻寬?？焖俑盗⑷~逆轉(zhuǎn)換(IFFT)可重建頻帶。FFT及IFFT是經(jīng)過(guò)詳加定義的算法，當(dāng)其采樣數(shù)為2的乘冪時(shí)即可有效執(zhí)行。OFDM系統(tǒng)常見(jiàn)的FFT采樣數(shù)為512、1024及2048，較小的采樣則為128及256。支援的頻寬為5、10、15及20MHz。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是能簡(jiǎn)易地適用于不同的頻寬。

LTE也能夠使用先進(jìn)的多天線信號(hào)處理技術(shù)。其中兩項(xiàng)常用的技術(shù)為多入多出(MIMO)處理及波束成形。在MIMO中，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)從其中一個(gè)傳輸天線接收到的信號(hào)會(huì)與第二個(gè)天線接收到的信息有極大的差異，這在室內(nèi)或人口密集的大城市相當(dāng)常見(jiàn)，因?yàn)槭瞻l(fā)器及接收器之間有相當(dāng)多反射與多重路徑。在這樣的情況下，各個(gè)天線在相同頻率下會(huì)傳輸不同的信號(hào)，在經(jīng)由接收器信號(hào)處理即可復(fù)原。

LTE對(duì)于SoC架構(gòu)的影響

這些新的LTE特性顯現(xiàn)出基站必須以較短的延遲及較多的彈性支持較高的吞吐量。這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的許多層面形成極大的壓力。為了滿(mǎn)足這些需求，TI開(kāi)發(fā)出全新的SoC架構(gòu)，其中許多內(nèi)建的組件可滿(mǎn)足LTE蜂窩基站的需求(見(jiàn)圖1)。

圖1：德州儀器的多核SoC架構(gòu)。

TI全新的架構(gòu)采用先進(jìn)的DSP核技術(shù)，頻率高達(dá)1.2GHz，而且總處理能力達(dá)到256GMAC，遠(yuǎn)高于當(dāng)前市面的DSP(見(jiàn)圖2)。該內(nèi)核支持定點(diǎn)及浮點(diǎn)運(yùn)算，其中的指令集完全與TI的TMS320C64x+ DSP指令集向下兼容。定點(diǎn)及浮點(diǎn)運(yùn)作的處理速度均超過(guò)1GHz，顯示DSP領(lǐng)域出現(xiàn)真正的變化。開(kāi)發(fā)人員將不再需要在定點(diǎn)的原始速率及浮點(diǎn)的精度之間抉擇，如今已可兩者兼得，因?yàn)門(mén)I全新的架構(gòu)支持在定點(diǎn)及浮點(diǎn)指令之間切換。

圖2:德州儀器全新的架構(gòu)采用先進(jìn)的DSP內(nèi)核技術(shù)，頻率速度高達(dá)1.2GHz。

MIMO處理涉及針對(duì)相同頻譜的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼。相較于此一程序的算法，由于典型N變量的N是未知數(shù)，需要矩陣求逆法才能解決。將矩陣求逆引入處理鏈，對(duì)于定點(diǎn)處理器的性能深具影響。這是因?yàn)榫仃嚽竽嫒菀资艿骄认拗频挠绊?，?dǎo)致16位及32位定點(diǎn)運(yùn)作的性能不佳，甚至無(wú)法運(yùn)作。程序設(shè)計(jì)人員一般都必須使用虛擬浮點(diǎn)法來(lái)達(dá)到所需的精度，同時(shí)嘗試保留足夠的處理能力來(lái)執(zhí)行系統(tǒng)。

TI全新的架構(gòu)針對(duì)業(yè)界最高速DSP引進(jìn)原生浮點(diǎn)支持，可謂是一大突破。浮點(diǎn)處理器的速度一般比定點(diǎn)處理器慢，因此不適用于蜂窩基站這樣的高性能場(chǎng)合。結(jié)合原生浮點(diǎn)支持及領(lǐng)先業(yè)界的C64x+定點(diǎn)架構(gòu)后，TI帶來(lái)定點(diǎn)及浮點(diǎn)兩者的最高處理效能，進(jìn)而對(duì)LTE系統(tǒng)發(fā)揮影響。程序設(shè)計(jì)人員可使用優(yōu)化的16位程序代碼，其中精度不是影響的因素，而且對(duì)于需要高精度的算法可達(dá)到IEEE浮點(diǎn)精度，例如MIMO均衡器。這使得LTE系統(tǒng)架構(gòu)的效率相當(dāng)高，使得基站可達(dá)到最低的功耗、最高的效能及最大的輸出量。

浮點(diǎn)算法設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是能夠簡(jiǎn)易地開(kāi)發(fā)和升級(jí)算法，并導(dǎo)入實(shí)際的系統(tǒng)中。通信系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)流程是先根據(jù)計(jì)算機(jī)模型開(kāi)發(fā)算法，然后將其用于初始的系統(tǒng)部署。隨著部署的范圍及運(yùn)用不斷擴(kuò)大，工程人員需要收集實(shí)際數(shù)據(jù)提供給算法團(tuán)隊(duì)，以供提升系統(tǒng)性能。這些全新的算法通常是以本身是浮點(diǎn)運(yùn)作的MATLAB實(shí)現(xiàn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其中的難題在于將這些浮點(diǎn)MATLAB算法轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)DSP，同時(shí)維持算法及系統(tǒng)兩者的性能，因?yàn)椴混`活的算法會(huì)用盡系統(tǒng)資源，而降低整體的基站性能。

如果涉及復(fù)雜的矩陣處理，將程序代碼從MATLAB導(dǎo)入實(shí)際系統(tǒng)通常需要幾周或幾星期的時(shí)間。透過(guò)TI全新架構(gòu)的原生浮點(diǎn)支持，便不需要進(jìn)行這整個(gè)程序。透過(guò)使用浮點(diǎn)C語(yǔ)言程序代碼以及直接編譯于TI的DSP，即可從MATLAB導(dǎo)入程序代碼。

其重要性對(duì)于LTE系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員及程序設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，并非言過(guò)其實(shí)。隨著LTE演變?yōu)長(zhǎng)TE-A及未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)，浮點(diǎn)很可能在未來(lái)變得更加重要，因?yàn)槎嗵炀€信號(hào)處理的趨勢(shì)顯得日益復(fù)雜。