4G无线技术：SoC架构在演进还是转折？

　　下一步无线技术可能证明是多核嵌入式处理的转折点。
　　要 点
　　第四代无线业务（或 4G）对不同的人群有不同的意义。
　　设计者可以用当前的芯片架构实现部分功能。
　　成本约束与功耗约束最终将被迫催生出一些架构创新。
　　应用开发人员梦想的那种 4G 可能需要使用全新的架构。
　　
　　几乎神话般的第四代无线业务 4G 可能是考虑全新 SoC（单片系统）架构的起源。或者，它只是会推动今天基带无线 IC 的一次简单演化。它可能导致对消费客户的全新类型移动服务，也可能仅仅能更好地处理你的电子邮件。4G 的庞大工程挑战可能在 2015 年前成为现实，也可能发生在今后数年内。

　　要理解 4G 可能对 SoC 设计产生的影响，就必须深究一下人们使用这个词汇的意义，了解一些有关这种业务支持的计算挑战，并听听一些系统架构师如何应对这些挑战。

　　有关 4G 影响的很多不同观点都是一个来源：缺乏清晰的定义。德州仪器公司无线首席技术官 Bill Krenik 警告说 ："我们必须由定义开始。因为围绕名词存在大量的争议与混乱，已经使它几乎失去了意义。"

　　Krenik 说，很多人都认为 4G 表示一种到处存
在无线连接的新世界，真正在任意时刻和任何地点，并且意味着这种连接可以支持交互、基于地点以及丰富媒体的服务。假想你走在一个不熟悉城市的街道上，手里抓着手机，看着它实时地连续显示出前方街道的运动图像以及地图数据、建筑物标记以及感兴趣的地点、到达目标的路径，以及你的地址薄中人员的位置。或再想像一下，同一部手机还能把城市的街道变成一个多人视频游戏，你与其它游戏玩家的化身、三维怪兽和武器竞逐争斗，并能表现出虚拟搏斗的逼真损伤图像。

　　还有一些人通常把 4G 看成更具体的词汇，这些人必须实现该名词下的系统。Krenik 解释说："在 TI，我们不会试图给 4G 下一个教条定义，而是更愿意用各种真实的技术名词：HSPA+（高速分组接入 plus）、WiMax、LTE（长期演进）。到 3G 时美国提出了一个标准，而其它所有事情都还只是意见。"他继续说，最好有一个组织，负责推广 GSM （全球移动系统）通信的部署以及向 3G 的演进。

　　其它工程师则持有一种更定量的观点。Nokia Siemens Neetworks的高级射频产品经理Alan Brown说，这些工程师在定义LTE时同时推进 3GPP（第三代伙伴项目）方案，他们将4G构想成"对移动设备有100Mbps 峰值流量，对笔记本电脑等设备有1Gbps 峰值。"每种观点都对实现4G 手机的基带SoC提出了不同的期望。

　　发展基带 SoC

　　从最简单的预期开始（即 LTE 的预想），移动设备将以某种方式实现至少 100 Mbps 的峰值下载链路数据速率。飞思卡尔半导体公司副总裁兼高级研究员 Ken Hansen 说："它要求的基带在功能上与我们今天用于 UMTS（全球移动电信系统）的基本上没有区别。"功能块包括用于采样率功能的硬件加速器、执行 MAC（介质访问控制）的 CPU 核、一个安全引擎，以及一个主控接口。

　　来自射频的采样速率数据进入模数转换，经过一些前端数字处理，进入一个 FFT（快速傅里叶变换）引擎，它将 OFDM（正交频分复用）信号分离成多个组成频段。然后频域信号经过进一步数字调整，进入一个检波器，检波器对每个载波上的 64 QAM（正交幅度调制）信号作解码，从每个有效载波中生成一个符号。这些符号用增强的解码进行压缩。

　　在这种架构中，3G 与 4G 之间的区别在于量的差异，而不是种类。高通公司 CDMA 技术产品管理高级总监 Peter Carson 指出："在 3G 时，我们每赫兹带宽提取大约 1 bps。要实现 100Mbps 的流量，4G 基带必须做得远好于它：在更宽的频段上至少每赫兹提取 3 bps 或 4 bps。"

　　实际应用中，这种情况意味着在一个 20 MHz 信道上分布着更多的载波频率，如与 UMTS 900 使用的 5 MHz 信道相比。这也可能意味着在 MIMO（多输入/多输出）结构中使用多根天线。今天，MIMO结构通常用于信道均衡：找到一种将两根天线信号组合在一起的方法，以获得最好的接收效果。但4G还有一些其它东西：用波束形成算法，使每对基站天线和接收机天线成为一个独立信道，这样能使有效带宽倍增。Hansen 说："研究表明，在多接收机情况下，可以用两根天线获得1.75倍的数据速率。"

所有这些功能都需要硅片。较高的采样率和更宽的信道意味着一个更大、更耗电的ADC，以及一个更快、更宽的FFT引擎。但最大问题来自于提供一个100Mbps峰值流量的要求，这意味着更快的符号速率处理器、大量内存，以及一个用于MAC的更快处理器。Hansen说："我们看到进