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處理器/DSP  

以多核心SoC架構進行LTE開發

上網時間: 2011年06月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:LTE  DSP  OFDMA  CDMA  3GPP 

Arnon Friedmann

策略暨技術行銷總監

TI無線基地台基礎設備業務部

LTE技術為求透過更有效的傳輸以提高資料速率,提供功能強大的新裝置來提升使用者手機使用的體驗。對於基地台廠商及其供應商而言,此一技術所需的變革出現新難題。

有效支援4G系統需要DSP設計的多項創新,這些創新促使業界採用SoC架構,以支援這類系統。本文將以德州儀器(TI)的全新架構為例,討論如何達到4G系統的關鍵功能。

LTE概觀

手機網路的資料使用正迅速成長,基礎設備廠商亦期待4G標準,以便為行動使用者提供更大的容量及更好的使用體驗。第3代合作夥伴計劃(3GPP)所開發的新一代手機技術LTE已被許多業者選擇為無線基地台及手機的新一代解決方案。LTE是3GPP標準第8版通用行動通訊技術(UMTS)的提升。LTE一般稱為4G標準,是目前無線傳輸資料的重大變革。

LTE採用正交分頻多工存取(OFDMA)技術,而前一代的3G技術採用分碼多工存取(CDMA)技術。此一變革可透過多天線訊號處理達到較高的頻譜效率,並提供較寬頻譜頻寬更多支援。

在OFDMA中,快速傅立葉轉換(FFT)將可用頻寬區分為許多正交的較小頻寬。反向快速傅立葉轉換(IFFT)可重建頻帶。FFT及IFFT是經過詳加定義的演算法,在加倍之後即可有效實作。OFDM系統的常見FFT容量為512、1,024及2,048,較小的容量則為128及256。支援的頻寬為5、10、15及20MHz。該技術的優點之一是能簡易地適用於不同的頻寬。

LTE也能夠使用進階的多天線訊號處理技術。其中兩項常用的技術為多重輸入多重輸出(MIMO)處理及波束成型。在MIMO中,系統發現從其中一個傳輸天線接收到的訊號會與第二個天線接收到的訊息有極大的差異,這在室內或人口密集的都會區相當常見,因為收發器及接收器之間有相當多反射與多重路徑。在這樣的情況下,各個天線在相同頻率下會傳輸不同的訊號,在經由接收器訊號處理即可復原。

LTE對於SoC架構的影響

這些新的LTE特性顯現出基地台必須以較短的延遲及較多的彈性支援較高的輸出量。這對於系統設計的許多層面形成極大的壓力。為了滿足這些需求,TI開發出全新SoC架構,以滿足LTE行動電話基地台的需求(圖1)。


圖1:德州儀器的多核心SoC架構。

TI的新架構採用進階DSP核心技術,時脈1.2GHz,總處理能力256GMAC。該核心支援定點及浮點運作,其中的指令集向下相容TI的TMS320C64x+ DSP。定點及浮點運作的處理速度均超過1GHz。未來開發人員將不再需要在定點的原始速率及浮點的精密度之間抉擇,因為這種新架構可支援在定點及浮點指令之間切換。

MIMO處理涉及針對相同頻譜的訊號進行資料解碼。相較於此一程序的演算法,由於典型N變數的N是未知數,需要矩陣求逆法才能解決。將矩陣求逆引入處理鏈,對於定點處理器的效能深具影響。這是因為矩陣求逆容易受到精密度限制的影響,導致16位元及32位元定點運作的效能不佳,甚至無法運作。程式設計人員一般都必須使用虛擬浮點法來達到所需的精密度,同時嘗試保留足夠的處理電力來執行系統。

TI新架構針對高速DSP引進原生浮點支援。浮點處理器的速度一般比定點處理器慢,因此不適用於手機基地台的高效能部份。結合原生浮點支援及領先業界的C64x+定點架構後,這種新架構推升了定點及浮點的處理效能,進而對LTE系統發揮影響。程式設計人員可使用優化的16位元程式碼,其中精密度不是影響的因素,而且對於需要高精密度的演算法可達到IEEE浮點精密度,例如MIMO等化器。這使得LTE系統架構的效率相當高,使得基地台可達到最低的功耗、最高的效能及最大的輸出量。

浮點演算法設計的另一項優點是能夠簡易地開發和升級演算法,並導入實際的系統中。通訊系統的一般設計流程是先根據電腦機型開發演算法,然後用於初始系統部署。隨著部署的範圍及運用不斷擴大,工程人員需要收集實際資料提供給演算法團隊,以供提升系統效能。這些全新的演算法通常是以本身是浮點運作的MATLAB實作進行開發。其中的難題在於將這些浮點MATLAB演算法轉換為定點DSP,同時維持演算法及系統兩者的效能,因為不靈活的演算法會用盡系統資源,而降低整體基地台效能。

例如,如果涉及複雜的矩陣處理,將程式碼從MATLAB導入實際系統通常需要幾週或幾星期的時間。但透過TI新架構的原生浮點支援,便不需要進行這整個程序。透過使用浮點C語言程式碼以及直接編譯於TI的DSP,即可從MATLAB導入程式碼。隨著LTE演變為LTE-A及未來的標準,浮點很可能在未來變得更加重要,因為多天線訊號處理的趨勢顯得日益複雜。


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