使用 TI KeyStone SoC 實現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)無線基站
2011-08-04
作者：Debbie Greenstreet
來源：TI北美地區(qū)無線基站基礎(chǔ)局端 業(yè)務(wù)營銷總監(jiān)
序言
自從無線技術(shù)誕生以來，這一市場領(lǐng)域就一直呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的態(tài)勢。起初，業(yè)界將側(cè)重于語音業(yè)務(wù)的用戶增長作為衡量市場增長的尺度，如今則按數(shù)據(jù)速率和吞吐量的提高來衡量。毋庸置疑，對于運營商而言，無線頻譜彌為珍貴。就此而論，運營商最基本的量尺是每赫茲頻譜所傳輸?shù)谋忍財?shù)。向 LTE 的升級預(yù)示著將以最低成本實現(xiàn)業(yè)界最高的頻譜效率和前所未有的傳輸能力。盡管 LTE 擁有光明的前景，但在規(guī)劃和實施其最終的 4G 升級時，運營商仍必須一如既往地在現(xiàn)有技術(shù)部署的基礎(chǔ)上支持當(dāng)前的客戶，同時還需要優(yōu)化使用他們現(xiàn)有的頻譜。
為了使自身具備強大的競爭優(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)今無線運營商的需求時 OEM 所面臨的眾多挑戰(zhàn)，同時還介紹了 TI KeyStone 多內(nèi)核架構(gòu)提供的平臺將如何推進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。隨著對智能手機消費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，因此運營商在向新一代高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進軍的同時仍然必須支持向后兼容性。在目前的經(jīng)濟環(huán)境下，運營商必須在限制資本支出、保障運營成本平衡的同時，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。
運營商夢寐以求的解決方案
對于運營商而言，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)其資金和運營目標(biāo)的通用平臺。
多標(biāo)準(zhǔn)支持 — 運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)演進發(fā)展而進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、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，這就促使運營商必須在同一基站發(fā)射塔中同時支持 2G、3G 和 4G。
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 手機都將“返回”使用 2G。運營商必須讓 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)管部門允許運營商對頻譜進行重復(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。
讓運營及維護盡在掌控
對于當(dāng)今的無線運營商來說，運營及維護面臨的挑戰(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程等原因，運營商希望準(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)及維護成本，而且還能進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)備建立專家團隊。就此而言，運行及維護成本也會大幅降低，從而既能優(yōu)化運營管理成本又可節(jié)省固定資本的投入。
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。他們必須為運營商提供可高度擴展的遠(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營商在成本支出和運營支出方面設(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)。
圖 1 –－ TI KeyStone 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)航器的運行原理為例，多內(nèi)核導(dǎo)航器不僅能夠進行任務(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。
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)可擴展的解決方案提供了無縫路徑。
這一系列功能強大且高度靈活的 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，公司不斷推出新生代產(chǎn)品，從而可為 OEM 廠商提供能滿足運營商需求的最具競爭優(yōu)勢的解決方案。
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)不斷進步，超越語音服務(wù)而進入數(shù)字時代，TI 為實現(xiàn)更高容量增強了 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大的協(xié)處理器，從而加強現(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。
圖 2 –－ TI 的實施歷程：基站 SoC 中的無線標(biāo)準(zhǔn)
TI TMS320TCI6618 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)的增強都是基于現(xiàn)實世界的豐富經(jīng)驗及應(yīng)用反饋進行的。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)進行升級時無需進行重大改進或重新進行設(shè)備部署。不斷進步的基站制造商在努力解決運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)。
他們成功的關(guān)鍵在于擁有一套通用的無線基站 SoC 平臺，既能同時支持宏單元和微小型單元，又能支持當(dāng)前及未來部署的各種無線技術(shù)。對于 OEM 廠商而言，要想加快產(chǎn)品上市進程并達(dá)成商業(yè)目標(biāo)，擁有能隨標(biāo)準(zhǔn)演進發(fā)展而相應(yīng)具備軟件可擴展性，同時又能隨新解決方案推出而具有軟件可移植性的結(jié)構(gòu)是必不可少的因素。充分利用在全球范圍內(nèi)進行數(shù)代產(chǎn)品部署而積累的、業(yè)經(jīng)驗證的豐富經(jīng)驗和專業(yè)知識，TI 可通過 KeyStone 平臺在滿足上述所有需求和多標(biāo)準(zhǔn)采用方面為基站制造商提供支持。
如欲了解有關(guān) TI KeyStone 架構(gòu)和基站 SoC的更多詳情，敬請訪問 www.ti.com/c66multicore。
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