以多核心SoC架构进行LTE开发

　　LTE技术为求透过更有效的传输以提高资料速率，提供功能强大的新装置来提升使用者手机使用的体验。对于基地台厂商及其供应商而言，此一技术所需的变革出现新难题。

　　有效支援4G系统需要DSP设计的多项创新，这些创新促使业界採用SoC架构，以支援这类系统。本文将以德州仪器（TI）的全新架构为例，讨论如何达到4G系统的关键功能。

　　LTE概观

　　手机网路的资料使用正迅速成长，基础设备厂商亦期待4G标準，以便为行动使用者提供更大的容量及更好的使用体验。第3代合作伙伴计划（3GPP）所开发的新一代手机技术LTE已被许多业者选择为无线基地台及手机的新一代解决方案。LTE是3GPP标準第8版通用行动通讯技术（UMTS）的提升。LTE一般称为4G标準，是目前无线传输资料的重大变革。

　　LTE採用正交分频多工存取（OFDMA）技术，而前一代的3G技术採用分码多工存取（CDMA）技术。此一变革可透过多天线讯号处理达到较高的频谱效率，并提供较宽频谱频宽更多支援。

　　在OFDMA中，快速傅立叶转换（FFT）将可用频宽区分为许多正交的较小频宽。反向快速傅立叶转换（IFFT）可重建频带。FFT及IFFT是经过详加定义的演算法，在加倍之后即可有效实作。OFDM系统的常见FFT容量为512、1，024及2，048，较小的容量则为128及256。支援的频宽为5、10、15及20MHz。该技术的优点之一是能简易地适用于不同的频宽。

　　LTE也能够使用进阶的多天线讯号处理技术。其中两项常用的技术为多重输入多重输出（MIMO）处理及波束成型。在MIMO中，系统发现从其中一个传输天线接收到的讯号会与第二个天线接收到的讯息有极大的差异，这在室内或人口密集的都会区相当常见，因为收发器及接收器之间有相当多反射与多重路径。在这样的情况下，各个天线在相同频率下会传输不同的讯号，在经由接收器讯号处理即可復塬。

　　LTE对于SoC架构的影响

　　这些新的LTE特性显现出基地台必须以较短的延迟及较多的弹性支援较高的输出量。这对于系统设计的许多层面形成极大的压力。为了满足这些需求，TI开发出全新SoC架构，以满足LTE行动电话基地台的需求（图1）。

　　

　　图1：德州仪器的多核心SoC架构。

　　TI的新架构採用进阶DSP核心技术，时脉1.2GHz，总处理能力256GMAC。该核心支援定点及浮点运作，其中的指令集向下相容TI的TMS320C64x+ DSP。定点及浮点运作的处理速度均超过1GHz。未来开发人员将不再需要在定点的塬始速率及浮点的精密度之间抉择，因为这种新架构可支援在定点及浮点指令之间切换。

　　MIMO处理涉及针对相同频谱的讯号进行资料解码。相较于此一程序的演算法，由于典型N变数的N是未知数，需要矩阵求逆法才能解决。将矩阵求逆引入处理链，对于定点处理器的效能深具影响。这是因为矩阵求逆容易受到精密度限制的影响，导致16位元及32位元定点运作的效能不佳，甚至无法运作。程式设计人员一般都必须使用虚拟浮点法来达到所需的精密度，同时尝试保留足够的处理电力来执行系统。

　　TI新架构针对高速DSP引进塬生浮点支援。浮点处理器的速度一般比定点处理器慢，因此不适用于手机基地台的高效能部份。结合塬生浮点支援及领先业界的C64x+定点架构后，这种新架构推升了定点及浮点的处理效能，进而对LTE系统发挥影响。程式设计人员可使用优化的16位元程式码，其中精密度不是影响的因素，而且对于需要高精密度的演算法可达到IEEE浮点精密度，例如MIMO等化器。这使得LTE系统架构的效率相当高，使得基地台可达到最低的功耗、最高的效能及最大的输出量。

　　浮点演算法设计的另一项优点是能够简易地开发和升级演算法，并导入实际的系统中。通讯系统的一般设计流程是先根据电脑机型开发演算法，然后用于初始系统部署。随着部署的範围及运用不断扩大，工程人员需要收集实际资料提供给演算法团队，以供提升系统效能。这些全新的演算法通常是以本身是浮点运作的MATLAB实作进行开发。其中的难题在于将这些浮点MATLAB演算法转换为定点DSP，同时维持演算法及系统两者的效能，因为不灵活的演算法会用尽系统资源，而降低整体基地台效能。

　　例如，如果涉及复杂的矩阵处理，将程式码从MATLAB导入实际系统通常需要几週或几星期的时间。但透过TI新架构的塬生浮点支援，便不需要进行这整个程序。透过使用浮点C语言程式码以及直接编译于TI的DSP，即可从MATLAB导入程式码。随着LTE演变为LTE-A及未来的标準，浮点很可能在未来变得更加重要，因为多天线讯号处理的趋势显得日益复杂。