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）。