以全新的多核SoC架構(gòu)進行LTE開發(fā)

LTE概述

蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)使用正迅速成長，基礎(chǔ)設(shè)備廠商亦期待4G標(biāo)準(zhǔn)，以便為移動用戶提供更大的容量及更好的使用體驗。3GPP所開發(fā)的LTE已被許多運營商選擇為無線基站及手機的新一代解決方案。LTE是3GPP標(biāo)準(zhǔn)第8版UMTS的提升。LTE一般稱為4G標(biāo)準(zhǔn)，是目前無線傳輸數(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)，此一變革可透過多天線信號處理達到較高的頻譜效率，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。快速傅立葉逆轉(zhuǎn)換(IFFT)可重建頻帶。FFT及IFFT是經(jīng)過詳加定義的算法，當(dāng)其采樣數(shù)為2的乘冪時即可有效執(zhí)行。OFDM系統(tǒng)常見的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)點之一是能簡易地適用于不同的頻寬。

LTE也能夠使用先進的多天線信號處理技術(shù)。其中兩項常用的技術(shù)為多入多出(MIMO)處理及波束成形。在MIMO中，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)從其中一個傳輸天線接收到的信號會與第二個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，因為收發(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，各個天線在相同頻率下會傳輸不同的信號，在經(jīng)由接收器信號處理即可復(fù)原。

LTE對于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。這對系統(tǒng)設(shè)計的許多層面形成極大的壓力。為了滿足這些需求，TI開發(fā)出全新的SoC架構(gòu)，其中許多內(nèi)建的組件可滿足LTE蜂窩基站的需求(見圖1)。

圖1：德州儀器的多核SoC架構(gòu)。

TI全新的架構(gòu)采用先進的DSP核技術(shù)，頻率高達1.2GHz，而且總處理能力達到256GMAC，遠高于當(dāng)前市面的DSP(見圖2)。該內(nèi)核支持定點及浮點運算，其中的指令集完全與TI的TMS320C64x+ DSP指令集向下兼容。定點及浮點運作的處理速度均超過1GHz，顯示DSP領(lǐng)域出現(xiàn)真正的變化。開發(fā)人員將不再需要在定點的原始速率及浮點的精度之間抉擇，如今已可兩者兼得，因為TI全新的架構(gòu)支持在定點及浮點指令之間切換。

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

MIMO處理涉及針對相同頻譜的信號進行數(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，對于定點處理器的性能深具影響。這是因為矩陣求逆容易受到精度限制的影響，導(dǎo)致16位及32位定點運作的性能不佳，甚至無法運作。程序設(shè)計人員一般都必須使用虛擬浮點法來達到所需的精度，同時嘗試保留足夠的處理能力來執(zhí)行系統(tǒng)。

TI全新的架構(gòu)針對業(yè)界最高速DSP引進原生浮點支持，可謂是一大突破。浮點處理器的速度一般比定點處理器慢，因此不適用于蜂窩基站這樣的高性能場合。結(jié)合原生浮點支持及領(lǐng)先業(yè)界的C64x+定點架構(gòu)后，TI帶來定點及浮點兩者的最高處理效能，進而對LTE系統(tǒng)發(fā)揮影響。程序設(shè)計人員可使用優(yōu)化的16位程序代碼，其中精度不是影響的因素，而且對于需要高精度的算法可達到IEEE浮點精度，例如MIMO均衡器。這使得LTE系統(tǒng)架構(gòu)的效率相當(dāng)高，使得基站可達到最低的功耗、最高的效能及最大的輸出量。

浮點算法設(shè)計的另一項優(yōu)點是能夠簡易地開發(fā)和升級算法，并導(dǎo)入實際的系統(tǒng)中。通信系統(tǒng)的一般設(shè)計流程是先根據(jù)計算機模型開發(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用不斷擴大，工程人員需要收集實際數(shù)據(jù)提供給算法團隊，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運作的MATLAB實現(xiàn)進行開發(fā)。其中的難題在于將這些浮點MATLAB算法轉(zhuǎn)換為定點DSP，同時維持算法及系統(tǒng)兩者的性能，因為不靈活的算法會用盡系統(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)入實際系統(tǒng)通常需要幾周或幾星期的時間。透過TI全新架構(gòu)的原生浮點支持，便不需要進行這整個程序。透過使用浮點C語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。

其重要性對于LTE系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計人員及程序設(shè)計人員來說，并非言過其實。隨著LTE演變?yōu)長TE-A及未來的標(biāo)準(zhǔn)，浮點很可能在未來變得更加重要，因為多天線信號處理的趨勢顯得日益復(fù)雜。