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基站运营商标准使用 TI KeyStone SoC 实现多标准无线基站

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自从无线技术诞生以来,这一市场领域就一直呈现迅猛发展的态势。起初,业界将侧重于语音业务的用户增长作为衡量市场增长的尺度,如今则按数据速率和吞吐量的提高来衡量。毋庸置疑,对于运营商而言,无线频谱弥为珍贵。就此而论,运营商最基本的量尺是每赫兹频谱所传输的比特数。向 LTE 的升级预示着将以最低成本实现业界最高的频谱效率和前所未有的传输能力。尽管 LTE 拥有光明的前景,但在规划和实施其最终的 4G 升级时,运营商仍必须一如既往地在现有技术部署的基础上支持当前的客户,同时还需要优化使用他们现有的频谱。

为了使自身具备强大的竞争优势,无线基站制造商需要支持部署在全球范围内的各种模式和技术,从而弥合全球各地的各种区域差异。作为业界唯一一家无线基站 SoC 厂商,TI 实现了精准而独特的市场定位,能够为需要在如此复杂多样的环境中以低成本交付多标准解决方案的制造商提供通用平台。本白皮书不仅深入探讨了在满足当今无线运营商的需求时 OEM 所面临的众多挑战,同时还介绍了 TI KeyStone 多内核架构提供的平台将如何推进制造商不断获得成功。

虽然无线通信市场从来没有像现在这样纷繁复杂、充满挑战,但也从未缺乏魅力和蓬勃发展的生机。随着对智能手机消费需求的日益增长和平板电脑的悄然走俏,越来越多的用户开始接入移动因特网,从而对移动网络的容量不断提出更高的要求。同时 GSM 等 2G 技术仍然非常流行,因此运营商在向新一代高速网络技术进军的同时仍然必须支持向后兼容性。在目前的经济环境下,运营商必须在限制资本支出、保障运营成本平衡的同时,合理应对技术的发展和不断变化的市场形势。

每一家运营商都具有其独特的频谱范围,其用户群也是如此。对于 OEM 厂商来说,部署“一体通用”的基站是一项严峻的挑战,因为每一项部署都可谓千差万别。另外,限于目前网络部署策略的固有物理特点,智能手机的普及和通信数据量的激增都给有限的频谱范围造成了压力。这就促使将宏模块周围及内部的微小型单元添加到现行的混合基站配置中,这也许会从根本上改变未来网络的结构。对于无线运营商和无线基站制造商来说,这将是一个前景不甚明朗、充满风险的领域,需要他们潜心探索。

运营商梦寐以求的解决方案
对于运营商而言,理想的解决方案就是能够拥有既可支持其客户日新月异的应用需求,同时又能兼顾实现其资金和运营目标的通用平台。

多标准支持 — 运营商面对着双重挑战,既需要满足采用各种技术的现有客户,同时又要快速适应用户随时升级使用各种新技术。此外,运营商还需要在战略上向 4G 升级以始终保持竞争优势。这就要求完成一项繁重而枯燥的任务,那就是在现有客户的满意度和收益,与为实现技术演进发展而进行的成本投资之间实现最佳平衡。

我们以某拥有 GSM/EDGE 客户且积极向 3G 升级的运营商为例。在该例中,2G 用户代表了客户群中的绝大多数,随着时间的推移,这些用户也将购买新的 3G 手机、智能电话以及平板电脑等。这意味着拥有 2G 和 3G 设备的比例将不断变化。众多 3G 用户又会在需要时购买 4G 设备,这就促使运营商必须在同一基站发射塔中同时支持 2G、3G 和 4G。

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如果网络或者部分网络没有 4G 信号覆盖,那么 4G 手机将“返回”使用 3G。如果网络的特定区域仅有 2G 信号覆盖,那么 4G 和 3G 手机都将“返回”使用 2G。运营商必须让 2G 信号覆盖每个角落,因为这是所有客户共同的最低限要求。对于众多运营商而言,这一多标准配置的局面在今后很长一段时间内都将存在。

为能顺利实现过渡,运营商会在他们的网络中持续收集各个蜂窝单元对 2G、3G 和 4G 业务的需求统计数据。通过远程控制,运营商希望能够妥善地改变基站的混合容量以满足上述流量需求,并最大限度地减少 3G 用户返回使用 2G 或 4G 用户返回使用 3G 的几率。由于 4G 的频谱效率优于 3G,而 3G 又相应地优于 2G,运营商非常希望能让尽可能多的用户使用更为高级的通信标准。这样就能在他们所投资的宝贵的频谱中最大化通信流量。

由于监管部门允许运营商对频谱进行重复利用,因而这对他们而言可谓另一个至关重要的方面。通过了解其客户群的使用量及发展趋势,运营商发现他们不仅能够保持对现有 2G 服务的支持,同时还能将当前部分频谱分配给更高级的 3G 或 4G。例如,通过部署更高效的基站来对 GSM 频谱进行改造,能够在单个载波中获得额外的语音用户,从而可将其他的载波分配给 3G 或 4G 业务。VAMOS(单时段中自适应多用户通道的语音业务)方案就是一个非常好的例证,其从本质上使得 3G 系统中收发器的峰值容量实现了双倍提升。

让运营及维护尽在掌控对于当今的无线运营商来说,运营及维护面临的挑战是双重的。首先,为了能够高效应对上述多标准支持带来的挑战,运营商希望能够远程控制基站并可根据用户状态的变化迅速修改基站配置。由于资本性支出及加速上市进程等原因,运营商希望准备就绪的基站能够快速获得重新配置以适应标准在使用方面的变化。运营商不仅能显著受惠于基站设备的重复利用,同时还能通过远程配置大幅节省劳动成本。无需更新即能重新配置的远程无线电广播终端的部署规模日益扩大,这使基站厂商承受了巨大压力,其也需要支持远程重配置功能。

由于具备软件可升级性,基站目前的现场服务年限超过 10 年,从而显著相应优化了运营商的固定资产投入。部署那些具有线卡可配置且标准可扩展特性的通用基站平台不仅能够减少技术服务及维护成本,而且还能进一步降低配件与库存成本。现场技术人员可为重要的成套设备建立专家团队。就此而言,运行及维护成本也会大幅降低,从而既能优化运营管理成本又可节省固定资本的投入。

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OEM 厂商的回应
OEM 厂商面临着严峻的挑战,他们需要提供可支持各种无线标准的产品才能在上述应用方面为运营商提供支持。他们需要提供可支持现有技术的基站,并拥有升级至未来标准的能力。他们必须为运营商提供可高度扩展的远程配置解决方案,同时相关的成本和功耗还需要全面满足运营商在成本支出和运营支出方面设定的目标,这是个相当艰巨的挑战。为了获得成功,OEM 厂商需要以低成本提供基站,且其研发和支持费用又需要满足其各自的商业目标。

那么,OEM 厂商将如何全面实现平衡呢?为各个标准和现场配置构建专有平台并非解决之道。像大多数企业一样,基站厂商也有商业盈利目标,那就是限制研发和产品支持费用并从资源的优化配置中获利。理想情况下,他们应拥有一套能从中生成多种配置以满足不同运营商需求的基站平台设计。由于软件是一项重要的投资,并占据基站设计中的很大一部分,因而拥有一套软件可移植性和可重用性的解决方案至关重要。OEM 厂商需要的通用硬件平台能以极少的重复设计支持多种无线配置,从而能够优化研发成本、加速产品上市进程。为了应对这一挑战,我们需要能大幅优化软件开发及重用性的通用基站片上系统 (SoC) 平台。

TI 提供理想的解决方案
TI 提供的通用 SoC 平台使基站 OEM 厂商不仅能够设计多标准平台,而且还能创建特定于标准的平台。TI 在此方面拥有独特的优势。TI 功能强大的创新型 KeyStone 架构可为基于通用软件/硬件平台之上的多种器件,从而可支持各种通用的无线标准,非常适用于从微小型单元到宏单元配置的各种解决方案。KeyStone 平台使 OEM 厂商能通过以下详述的两种方案实现运营商的多标准目标。

KeyStone架构多标准支持的第一步即在于 TI 的 KeyStone 架构。该 KeyStone 架构采用可同时提供具有定点和浮点处理能力的高级 DSP 内核(C66x),从而使 OEM 厂商和运营商无论在现在当前的部署中还是在将来的高级天线和算法配置中都能实现差异化功能。该款拥有通用 I/O 接口及 SoC 基础架构的内核使软件的重复使用和移植变得简单便捷。此平台包含一套可优化研发工作的通用工具,而且在通过单个解决方案平台开发多个产品时能够显著加快上市进程。KeyStone 架构见图 1。

KeyStone 多内核 SoC 架构在业界率先提供了完整的多核性能。KeyStone 可为所有的处理内核、外设、协处理器和I/O 接口提供非阻塞接入。部分能充分发挥多内核性能的创新功能包括:多内核导航器、TeraNet、多内核共享存储器控制器 (MSMC) 和超连结。

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图 1 –- TI KeyStone 多内核 SoC 架构:理想适用于多标准实施

多内核导航器 — TI 多内核导航器是一款基于分组的创新型管理器,能够控制 8,192 个队列且能在各种子系统之间提取连接。多内核导航器拥有可实现通信、数据传输以及任务管理的统一接口以及“一次性零拷贝复制”范式,能够以更少的中断数和更低的软件复杂度实现更高的系统性能。

我们以多内核导航器的运行原理为例,多内核导航器不仅能够进行任务调度,面且还能在无需外部管理的情况下指示下一个空闲的 DSP 内核读取任务并进行处理。其可从如下几个方面简化软件架构并提高基站的性能。
• 动态资源/负载共享
• 跨子系统通信时可减轻 CPU 的开销/延迟
• 基于硬件的任务优先级排序
• 动态负载平衡
• 适用于所有 IP 模块(软件、I/O 和加速器)的通用通信方法

多内核导航器可在无需 CPU 干预的情况下控制数据流,从而释放移动数据所需的 CPU 周期,并能将片上通信速率提高达每秒20 亿条消息。此外,其还能大幅简化软件架构,以使开发周期更短、资源利用更合理。


使用 TI KeyStone SoC 实现多标准无线基站 2011 年 2 月

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TeraNet — TeraNet 采用层级交换结构,能够在 SoC 内组合交付超过 2Tb 的数据传输带宽。这从本质上确保了内核或协处理器再也不会缺少数据,并能够交付名符其实的处理能力。由于交换结构属于层级式而非常平坦的纵横式,因而整体功耗能够在空闲状态下大幅降低,并能以最小的时延提供非常高的性能,这也是新一代基站的关键要求。

多核共享存储控制器 (MSMC) – MSMC 是一种可用于增强性能的独特存储器架构。MSMC 允许内核在不使用任何 TeraNet 带宽的条件下直接访问共享存储器。MSMC 可在各内核和其他 IP 模块之间对共享存储器的存取进行判优,从而消除了存储器争用的情况发生。DDR3 外部存储器接口 (EMIF) 可直接连接至 MSMC,从而不仅可减少与外部存储器获取相关的时延,而且还能提高速度并支持基站应用的需求。

超链接 — 超链接是一个具有 50Gbps 总吞吐量的互连协议,其可实现高速度的低协议层通信以及与其他 KeyStone、FPGA 或 ASIC 设备的互连互通,并能够提供从主器件到同伴器件的透明的存储器映射接入。这就能够大幅简化软件编程,并为 OEM 厂商实现可扩展的解决方案提供了无缝路径。

这一系列功能强大且高度灵活的 SoC 组件是设计高效率多标准基站的关键。鉴于 2G、3G、4G 系统之间存在各种复杂性,频分复用系统对时分复用系统的挑战性以及区域部署的多变性,若不从一个坚实的基础开始,想要在所有的平台上使用通用的 SoC 等于纸上谈兵。

TI 的加速战略为了多标准能成功实现,第二大关键因素就是是否能够通过 TI 的加速战略。DSP 始终是无线基站基带处理的关键元素。其对信号处理的优化非常适用于无线应用领域。尽管如此,出于成本和功耗的原因,一些常规和标准定义的功能更适用于在硬件中实施。虽然这些可以在外部硬件逻辑器件中完成,但 TI 还是为基站制造商提供了更低成本及更低功耗的备选方案,即在基于 KeyStone 的 SoC 中集成了这些功能。自 2003 以来,TI 一直致力于为无线基站市场提供基于 DSP 的集成型 SoC。随着硅芯片技术的不断发展以及无线标准的不断演进,公司不断推出新生代产品,从而可为 OEM 厂商提供能满足运营商需求的最具竞争优势的解决方案。


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图 2 显示了 TI 在无线基站 SoC 领域的发展历程和领导地位。第一代 SoC 承担了 GSM 和 CDMA 等早期 2G 技术的无线部署,其中包含了 viterbi 和 turbo 解码器。随着无线标准不断进步,超越语音服务而进入数字时代,TI 为实现更高容量增强了 DSP 及相关协处理器。第三代 SoC 能够实现更丰富的功能,其中包括支持所有标准的第一代带无线协处理器的多内核 DSP,以及对集成了接收加速器的WCDMA(WCDMA 在全球范围内的应用不断增加)的更全面支持。
当今的第四代和目前解决方案系列可为所有 3G、4G 添加一系列广泛而强大的协处理器,从而加强现有无线标准的性能。这些协处理器包括多种特性,如 WCDMA 的传输发射、所有标准的比特速率处理、快速傅里叶变换,以及功能更强大的 turbo 解码等。除了支持物理层及所述标准中的第一层外,目前这一代 SoC 还包括对第二层功能以及网络协处理器的支持。

TI TMS320TCI6618 是一款最新推出的基站 SoC,其基于 KeyStone平台之上,拥有 DSP 周期数相当于超过 250GHz 的专用标准可配置硬件加速器。这些加速器可支持现行的所有通用无线标准,其中包括GSM、WCDMA、TD-SCDMAWiMAX 以及 LTE 等。这些协处理器的实施是基于成熟且会消耗大量处理周期的标准功能而精心挑选的。如欲了解有关最新器件中加速功能的更多详情,敬请参阅 TI 的白皮书《采用 TI 多标准基站 SoC 实现卓越的性能、效率和差异化功能》。

在技术发展的每一个阶段,TI 都始终稳居业界领先无线基站 SoC 供应商的地位。采用 TI 技术进行高灵活性的可行部署,用户能够在缩短学习周期方面拥有独特的优势。在每个最新发展的工艺节点,都离不开新技术的推出,而且现有技术的增强都是基于现实世界的丰富经验及应用反馈进行的。作为 TI 当前采用的 SoC,TCI6488 已拥有数百万片的出货量,而且被全球逾 200 家运营商所广泛采用。其是迄今为止,本行业领域内部署最广泛的 3G 无线基站 SoC。在提供作为 SoC 一部分且基于标准的现场固化加速器功能方面,TI 拥有独特的优势,能够帮助 OEM 厂商显著降低风险。
总结毋庸置疑,部署多标准基站是获得成功至关重要的因素,能够让无线运营商所面临的挑战迎刃而解。这些通用平台将使得在向未来新技术进行升级时无需进行重大改进或重新进行设备部署。不断进步的基站制造商在努力解决运营商所遇困难的同时也在不断实现其自己的业务目标。

他们成功的关键在于拥有一套通用的无线基站 SoC 平台,既能同时支持宏单元和微小型单元,又能支持当前及未来部署的各种无线技术。对于 OEM 厂商而言,要想加快产品上市进程并达成商业目标,拥有能随标准演进发展而相应具备软件可扩展性,同时又能随新解决方案推出而具有软件可移植性的结构是必不可少的因素。充分利用在全球范围内进行数代产品部署而积累的、业经验证的丰富经验和专业知识,TI 可通过 KeyStone 平台在满足上述所有需求和多标准采用方面为基站制造商提供支持。

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