超3G无线通信技术领域的芯片设计发展趋势

　　自从第一次成功地实现移动电话呼叫以来，世界已经发生了翻天覆地的变化。随着越来越依赖移动电话，我们也成为了需求越来越旺盛的用户。通话功能不足以满足人们的需求。语音质量必须与有线电话媲美。用户需要100%的覆盖率和各种业务(如实时消息、定位、视频播放、互联网浏览等)。最后，人们希望回到家或在办公室的每一个角落、甚至是全世界的任何地方都能享受同样的服务。让人人都有手机，并通过一个无处不在的、能够负担得起的、具有足够带宽的网络，接入各种各样的业务，是移动通信的神圣使命。超3G(B3G)移动电话正在努力解决用户体验质量(QoE)，承诺用户得到理想的服务。

　　动机、驱动力和趋势

　　上一代和目前这一代移动电话在覆盖率、容量、语音质量、服务和效率上取得了非常大的进步(见图1)，但是，在满足消费者需求方面有时还有局限性。显而易见，有必要转向利用互联网协议(IP)的、具有语音、视频和数据融合以及无缝宽带业务产品的综合全数字网络。除了利用在频谱管理中取得的最新进展来优化成本之外，采用更为有效的调制方案也势在必行。

　　有线生态系统已经创建了一个永远连线的感觉，它让每一个用户成为一个内容创造者。最终用户利用xDSL会越来越熟悉宽带业务，并期望随着生活走向移动而拥有同样类型的服务。简单性和易用性是用户需求表上显示的另外一个问题。

　　我们应该设想现有的技术不会消失，无线世界将持续制订一系列的标准来提供不同的应用和服务。B3G不是要创建一个全新的“统治”技术，而是一个网中网概念，它支持所有现行的技术。用户将能够从一种无线通信标准自由漫游到另一种无线通信标准。这将对芯片设计工程师、软件和协议栈提供商及系统集成商施加巨大的压力，需把各种接入技术“挤进”图2所示的有限电路板空间上。

　　对于无缝漫游来说，以同一IP地址漫游的能力是极为重要的，并将刺激消费者接受新的应用。目前的3G网络数据传输率为384kbps，频谱效率很低。现在的HSDPA将下行链路峰值数据率扩展到了14Mbps(Category 10)，而HSUPA将上行链路峰值数据率扩展到了5Mbps。然而，B3G承诺把下行链路的移动数据率扩展到最高100Mbps，而把上行链路的移动数据率扩展到高达50Mbps(图3)。进一步的目标是：支持弹性带宽、采用像OFDM这样的新颖传输方案、大幅度降低延迟、采用通道质量检测的自适应调制和编码等等。

　　有待克服的挑战

　　无论在什么类型的网络中工作，移动终端平台都要具备可配置能力，以确保不间断的通信链路。此外，数据率更快、带宽需求更高的应用需要的处理能力比3G强大约10倍，这就使得功耗和硬件/软件分区之间的折衷面临更为严峻的挑战。

　　通过轻松快捷的通信、信息浏览和使应用直觉化的、易于操作的界面，B3G系统将进一步增强用户的体验。换言之，下一代平台将具备丰富的功能，使用方便且节省电。这意味着，这种利用45nm乃至更低节点以及低功率、高性能CMOS工艺技术的SoC将隐含着超常的复杂性。

　　图1：各代移动通信技术的功能演进

　　图2：在单板上同时实现多种接入技术

　　目前，已经有不少于25种标准投入商用，为人们提供移动通信业务，其中包括GSM、GPRS、EDGE、UMTS、CDMA2000、HSDPA、IEEE802.11a/b/g/n、DECT、蓝牙、UWB、T-DMB、DVB-T、DVB-H以及其它标准。最终所有标准都将整合到B3G的保护之下，以使不同的系统能够在全球范围及各种无线环境中工作。

　　表1：3G与超3G两种技术的比较

　　芯片供应商的观点

　　最终，下一代网络移动技术也都将由芯片来实现。像英飞凌科技这样的一些芯片提供商已经在支持未来移动技术的产品开发领域取得了长足进展，举几个例子来说，其中包括缩小芯片面积而实现更大的集成度、转向低功耗CMOS工艺、投入巨大努力开发具有通用接口的应用软件。

　　未来的无线通信系统必须支持多种无线标准并具有同时执行这些标准的能力。因此，除了芯片的面积和功耗的限制之外，灵活性和可编程性将是最重要的功能之一。根据所侧重的目标应用和业务，多标准收发系统的所有元器件之间，应该具有优化区分。换言之，芯片供应商要仔细设计射频和基带系统的所有元器件，并考虑所有元器件、硬件/软件之间的折衷。基带处理电路将由多个DSP内核和专用加速器构成，并将是完全软件可编程的。

　　原则上讲，利用可编程或可调谐元器件构建完全灵活的RF前端是可能的；然而，由于专用无线通信标准的极为严格的约束，使其在近期内难以实现(见图4)。

　　图4：集成多协议的多频带射频系统概览图

　　在给定功率和硅片面积预算的前提下，一种灵活且容易编程的解决方案就是由一簇单指令多数据(SIMD)DSP内核构成的架构。在这种架构中，利用了一簇SIMD核，配上用于编解码以及滤波的专用可编程处理器，还包括一个用来执行协议栈的CPU(见图5)。

　　图5：无线通信的一个基带平台架构实例

　　GSM的成功和3G的经验告诉我们，无线应用和业务的用户期待着经济的、可靠和安全的移动终端，希望这种终端使用方便简捷，而将复杂性隐藏起来。还有一件比较重要的事情是，看广播或视频播放不应该以牺牲用户终端的电池寿命或网络运营商的语音业务为代价。

　　网络的融合、技术的演进和三重播放业务正在引领市场向着概念更为复杂的B3G网络发展。面对B3G系统终端的诸多挑战，利用CMOS和RFCMOS工艺技术把所需要的处理能力集成到SoC中，是全球领先半导体制造商长期研究的课题。预期系统设计要到2010年才能完成。其中，英飞凌公司正在对新一代的无线接入概念、通信处理器和数字信号处理架构和技术进行评估。