4G无线基频的演进进程 - 全文

在4G无线基频的演进中，目前仍有两大技术阵营竞逐领导地位，亦即长期演进(LTE)和全球微波互联接入(WiMAX)。虽然两大阵营的技术应用领域有其重叠之处，但就其发展过程而言，两者还是有些许差异。

例如WiMAX的主要定位是为各种运算装置提供无线宽频存取，亦是机器对机器(M2M)通讯应用的首选技术。此外，为有线宽频尚未成熟的地区提供固定式的无线连线网络，也是其一大应用市场。相较之下，LTE则与全球无线通讯系统(GSM)一脉相传，以为手机提供宽频接取为其主要应用目标。

除了应用目标有所差异外，两种技术的支持厂商也有显著不同。 WiMAX的主要支持者为英特尔(Intel)与其他资通讯产业大厂所领导的WiMAX论坛，LTE的支持者则主要来自手机产业链，包括高通 (Qualcomm)、意法-易利信(ST-Ericsson )、威瑞森(Verizon)、沃达丰(Vodafone)等在内的众多基频原始设备制造商(OEM)和电信业者。

多模共存势在必行  基频设计考验加剧

虽然目前对于第四代无线通讯(4G)江山谁属的讨论，支持LTE的声浪已日益高涨，但由于两者的应用目标仍有部分未重叠的市场，因此最终结果极有可能是两者共存，在不同地区服务不同的用户群。为了确保两个标准都为4G数据机所支援，市场便需要一种能够同时满足在两种技术发展蓝图的灵活解决方案。

移动数据机的发展所面对的限制，不单限于越来越复杂无线标准。今天的智慧型电话必须支援多个无线介面。除WiMAX和LTE之外，4G 移动设备还须支援大量无线介面，如GSM、整体封包无线电服务(GPRS)、增强数据率GSM演进(EDGE)、宽频分码多重存取(WCMDA)、高速封包存取(HSPA)和最新推出的强化版高速封包存取(HSPA+)等。对数据机芯片供应商而言，这些主流标准都是必须支援的标准项目。

由于无线基频市场的未来不可预见，芯片供应商所面临的环境十分严酷。日益高昂的芯片开发成本和标准本身仍持续演变的现实，均使终端数据机的传统硬体线路设计方法要面对更大的风险。譬如供应商可能押错宝，使得芯片瞄准错误的标准，最终导致解决方案在发表之前就惨遭淘汰。更重要的是，硬体线路很难在不进行大量设计变更的前提下支援所有标准，故其成本高昂、体积笨重且功耗大。

这自然催生了具有足够灵活性，支援多个标准并能缩短开发周期的可编程解决方案的需求。

混合式/SDR架构将成主流

虽然如此，在新一代移动基频芯片的设计中，硬体线路方案还是三大主流之一，因为这种方案具备可让首批芯片快速上市的优势。此外，针对某个特定标准而设计的硬体，通常可确保最低功耗。但由于缺乏灵活性，也不能因应标准更新做出快速的反应，因此提供另两种方案崛起的机会。

目前移动宽频数据机芯片市场上，为了解决纯硬体方案弹性不足的缺点，已发展出混合式方案和软体定义无线电(SDR)两种以弹性见长的设计方式。混合式架构是将硬体线路设计与可程式设计处理器结合在一起，数据机中须保持设计弹性的部分，以嵌入式数位讯号处理器(DSP)核心和软体演算法来实现。只有运算密集和灵活性较小的数据机部分，如傅立叶变换(FFT)，才利用硬体线路的作法来实现。

软体定义无线电则是一种完全的「软体数据机」实现方案，可在同一块芯片上以软体同时支援多个无线标准。这种方案采用完全可编程设计解决方案，具有全面的灵活性，能够处理多个现有或未来的标准，而毋须对芯片进行重新设计。然而这类方案并非十全十美，其主要问题在于，和所支援标准而优化的硬体线路方案相比，软体定义无线电芯片的设计工作较复杂，功耗通常也较硬体线路方案高，因此若要采取软体无线电来开发数据机芯片，则低功耗与简化设计将是两大重点。

由于采用纯硬体方案存在高风险性，无法满足当前不可预测的市场需求，所以现阶段大多数供应商不太可能选择完全硬体化的设计架构。因此，在新一代移动宽频数据机芯片市场上，后两种可编程设计方案才是各家供应商选用的主流开发策略。

高性能DSP核心扮演关键角色

为了在新一代移动宽频数据机芯片中保持一定弹性，高效能的通用型DSP核心所扮演的角色，将日益吃重。目前在各种移动和无线应用中的数据机芯片已内建数量不等的DSP核心。这类高效能DSP核心均采用混合了超长指令集(VLIW)和单指令多资料(SIMD)架构的混合式架构。

VLIW允许以高阶语言(如C语言)撰写的程式码进行平行指令处理，从而提供更佳的平行运算能力，并有助降低芯片的功耗。以高阶C语言来进行程式设计，可大幅减少研发团队的设计时间，并降低开发成本，缩短上市时间。图1为此类DSP核心的典型功能方块图。

以CEVA-X1641的DSP核心为例，这是一款具备四个乘累加器(MAC)单元的嵌入式DSP，由四个资料宽度为16位元的MAC单元组成。若芯片制造商以65奈米制程来实现此一核心，即便是在最差的条件下，该核心的运行时脉也能高达700MHz。

这种高性能且易于使用的DSP针对移动数据机系统单芯片(SoC)提供多个软硬体分区。不同的基频客户能在自己的数据机设计中，采用从单核心到多核心的不同实现方案和分区，并结合不同的硬体加速器来完成数据机功能。

SDR设计考验DSP核心

除了前文所提的混合式架构外，目前业界也开始出现软体定义无线电概念的实作芯片方案。如果要开发出在功耗、成本、尺寸等各个面向上均具备市场竞争力的软体定义无线电数据机，则必须更小心地评估其所采用的DSP核心。因为在此架构下，数据机的所有核心功能都是透过DSP和软体演算法来实现的。

若选择软体定义无线电架构，其芯片所采用的DSP核心通常必须针对先进的无线通讯而设计与最佳化，以确保其运算能力可以支援各种不同移动宽频标准。

目前在DSP核心授权市场上，已有足堪担此重任的DSP核心问世，可支援要求最严苛的4G移动标准如第五类LTE(LTE Cat. 5)和IEEE 802.16m，而且也能同时兼容现有的3G与3.5G无线通讯标准。也唯有采用能满足上述标准所立下的效能门槛的DSP核心，芯片供应商才能同时在单一架构中支援多种无线介面，实现真正的软体式数据机。

这类DSP核心是以单一引擎来完成所有无线处理工作，毋须仰赖多颗基频辅助处理器。对于软体定义无线电数据机的商品化而言，至关重要，因为以往的软体定义无线电方案通常是以一颗主DSP芯片搭配基频辅助处理器的方式实现。

这类分散式架构除采用多颗处理器外，还必须采用额外的记忆体、资料缓冲器等元件，因此整个系统的功耗和尺寸相当可观，成本亦过于高昂。

事实上，软体无线电架构以往只有军事或航太通讯产品采用，与系统尺寸过大、功耗太高、价格高昂这三项因素有密不可分的关系。若软体定义无线电技术要应用在移动数据机等消费性市场上，势必要设法妥善解决这三大难题。

为了解决上述三大缺陷，专为软体定义无线电通讯应用所设计和最佳化的DSP核心中，除了部分DSP功能区块外，还整合了数量不等的向量通讯单元(Vector Communications Unit)。每个向量单元是一个256位元SIMD引擎，采用三路VLIW和大量16位元MAC、演算法、逻辑及位移单元。

透过这些向量通讯单元的帮助，这些特殊化的DSP核心可以满足4G无线数据机的要求，包括矩阵处理、多重输入多重输出(MIMO)检测器、复杂滤波、资料交换和位元流处理。图2为内建向量通讯单元的DSP核心功能方块图。

弹性化设计势在必行

随着无线通讯产业朝向4G发展，因开发成本和多个变化标准的问题，使传统以硬体线路为基础的设计方案的风险大增。所以，设计一个能够迅速适应不断变化的标准，并可在多代产品上重复使用的灵活解决方案至关重要。

以混合式方案或全软体式数据机为基础的可编程设计解决方案，正式因应此一趋势而诞生的产物。可编程方案能让设计团队轻松地套用先前所完成的设计，并确保产品能快速上市。

无线基频领导厂商早已认可转向可程式设计解决方案的发展趋势，而投入DSP架构标准化的工作。在DSP核心标准化后，芯片厂商可以更轻松地根据其系统架构和灵活性水准选择正确的DSP核心。而且，最新的节能和制程几何尺寸缩小技术，也使得这些可编程设计方案渐渐成为多种应用中实现4G方案的首选方法。