基于LTE/4G的新型处理器架构满足无线处理的需求

引言

为了让现今的无线蜂窝网络满足日益增长的无线数据处理需求，全球加速向LTE/4G迁移的趋势已经日益明显。LTE或3.9G通过采用更有效的传输技术来提升数据速率，下一步，4G要提升到更高数据率，LTE、4G基础设施给半导体供应商提出的挑战是要用数字信号处理器（DSP）来满足更高的数据处理需求，这些新型DSP的性能要比我们今天所用的DSP高出几个数量级！

全球移动设备供应商协会（GSA）2010年4月的报告指出，全球已有31个国家承诺将部署64个LTE网络，预计到2010年底将有22个LTE网络交付使用，截止2011年年底将有39个或更多LTE网络交付使用；总计88个运营商已经承诺将在42个国家部署LTE系统，有的已经开始进行测试或进行其他规划活动。

半导体产业商机巨大但挑战并存，LTE的性能需求是现今3G网络性能需求的100到1000倍！相比目前在3G使用的CDMA无线技术，LTE采用的OFDMA技术采用多天线信号处理可以实现更高的频谱效率，并可以支持更宽的频谱。不过，OFDMA技术也更为复杂，需要的计算量比CDMA技术大得多。如图1所示，从GSM迁移到UMTS/HSDPA再迁移到LTE，计算量需求要提升4、5个数量级DD从大约10个MOPS（每秒百万次运算）提高到10万甚至1百万MOPS，如此才可以提供LTE所要求的10到100 Mbps数据传输性能。

图1、从GSM迁移到UMTS/HSDPA再到LTE，计算量需求要提升4、5个数量级

LTE还采用了先进的多天线信号处理技术，涉及到两种最流行的技术MIMO（多输入多输出）编程和波束形成，同样，这也都是高度密集计算型应用，需要新一代优化的专用DSP解决方案。

1 所需的DSP性能达到新高

LTE的运算处理要求如此巨大，因此对DSP的性能提升要求也是巨大的 DD单个通用DSP不能满足这样的性能需求，我们需要多颗DSP来实现LTE系统，而且这些DSP必须非常高效。以往的“通用”DSP将无法满足数据处理要求。半导体供应商和IP供应商都在努力打造全新一代DSP，其性能可以满足运营商新建基础设施的需求。

要开发这些新的DSP，我们所面临的挑战是难以想像的，它无法通过提升DSP时钟频率来实现DD这样做会大幅增加功耗。我们需要针对运算任务优化的全新架构，这不仅意味着硬件层面的开发，也需要开发配套的软件DD因为越来越多的处理正在通过软件来完成。

早期在开发软件定义无线电（SDR）方面的尝试令人失望，因为他们大多基于单一的DSP，其性能无法跟上运算需求的增长。而将密集运算交给RTL模块的方法从根本上违背了软件无线电的初衷，因为RTL模块是不可编程的。然而我们可以用多颗DSP处理器来实现无线射频系统DD多颗针对不同任务进行优化设计的专用DSP。这些全新定制的专用DSP内核在设计之初就是从整个系统的角度出发，完全可以满足LTE的运算性能需求。

2 所需的处理类型

一个典型的现代通信收发机可以划分为三个计算域：

信号域：实现复数或实数数据的优化运算，包括FFT、滤波、同步以及矩阵运算等靠近系统中RF一侧的运算。

比特软值域（soft bit domain）：包括从软件解映射模块到前向纠错（FEC）解码模块等靠近接收端MAC一侧的运算。

比特域：通常是在发送端靠近MAC一侧，包括CRC编码、加扰、FEC编码和比特交织等操作。

这三种根本不同的计算需求需要不同类型的DSP内核（IP内核是必要的，因为从功耗和面积效率的角度看，所有这些功能必须在单芯片而不是分开的芯片上实现）。

3 LTE基带子系统分析

图2展示了一个LTE基带子系统的功能模块图。该图上方显示了LTE接收端的信号处理通道。有天线连接到接收端RF模块，它很可能是MIMO配置的多天线系统。RF接收模块将信号输出到前端滤波模块，该模块驱动随后的OFDM信道估计和MIMO检测模块，这个模块将来自多天线的信号合并起来而且可以改善接收端的带宽和信号保真度，信号合并后会进行复数的解调，然后是前向纠错，最终直接给LTE MAC层提供用于高层协议处理的比特流。在发射端，来自MAC层的比特流通过卷积编码以及各种频域变换后、输出整形，然后送给发射端RF模块、功率放大器和天线。

　　图2 LTE基带模块方框图

针对LTE的ConnX ATLAS参考架构

ConnX ATLAS参考架构是专为满足从RF一侧的前端滤波到MAC一侧的传输模块处理需求而开发的，ATLAS参考架构基于LTE 的UE CAT-4系统，支持一个发射天线，两个接收天线和20MHz带宽。也可以提供 10MHz及5MHz的ATLAS系统。图3为ConnX ATLAS UE（用户设备）的功能方框图。

图3 ATLAS LTE用户设备方框图

接收链路（图3底端）接收来自前端滤波器的数据并为MAC生成传输数据块，它包含控制器和三个计算域：信号处理域（接收信号处理器或