白皮書
作者：Zhihong Lin
戰(zhàn)略市場營銷經(jīng)理
無線基站基礎(chǔ)設(shè)施
德州儀器

介紹

在隨時(shí)隨地連接至任何設(shè)備需求的推動(dòng)下,，無線移動(dòng)技術(shù)正逐漸成為個(gè)人通信及企業(yè)通信的主流,。智能手機(jī)和平板電腦的風(fēng)靡，以及從因特網(wǎng)向移動(dòng)設(shè)備下載視頻量的陡增,，不斷刺激著移動(dòng)數(shù)據(jù)通信以風(fēng)馳電掣的速度發(fā)展。滿足這種移動(dòng)通信的爆發(fā)性需求將為新一代移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施帶來巨大挑戰(zhàn)，其不但必須要能夠低成本地提供所需容量,、覆蓋范圍以及高性能，同時(shí)又要顯著降低功耗,，達(dá)到當(dāng)前“綠色環(huán)保”的目的,。

迄今為止，無線網(wǎng)絡(luò)多為同構(gòu),，主要采用大型宏蜂窩基站,。未來的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施將變?yōu)楫悩?gòu)。雖然宏蜂窩將仍然是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的組成部分,，但更小的蜂窩也將在基礎(chǔ)設(shè)施中得到普及,。最終無線基礎(chǔ)設(shè)施的用戶體驗(yàn)將更趨云化。這種環(huán)境現(xiàn)已稱為云無線接入網(wǎng)絡(luò),，又稱 C-RAN[1],。

在為全球逾 200 家無線服務(wù)提供商及運(yùn)營商成功提供宏基站數(shù)字基帶部署的過去20年成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，德州儀器 (TI) 百尺竿頭更進(jìn)一步,，推出新一代 KeyStone II 架構(gòu),，為未來異構(gòu)“綠色環(huán)保”無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高度集成的可擴(kuò)展型低功耗解決方案。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

雖然移動(dòng)數(shù)據(jù)使用呈指數(shù)級上升，但每用戶平均收入 (ARPU) 并未隨之增長,。改善這種狀況的途徑之一是降低運(yùn)營商成本,。在未來異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，小型蜂窩將提高數(shù)據(jù)速率與容量,，而較大型的宏蜂窩則將確保廣闊的覆蓋范圍,。這種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)要取得成功必須具有低成本優(yōu)勢，幫助運(yùn)營商在維持或提高盈利能力的同時(shí)還可輕松高效地升級網(wǎng)絡(luò),，滿足不斷增長的數(shù)據(jù)通信需求,。其它影響運(yùn)營商利潤的因素還有為適應(yīng)未來技術(shù)演進(jìn)而進(jìn)行的可擴(kuò)展開放平臺(tái)的部署，其將有效產(chǎn)生可帶來新收入的業(yè)務(wù),。

運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)低成本移動(dòng)連接的又一途徑是升級現(xiàn)有無線接入技術(shù),，支持更高數(shù)據(jù)率。這可能涉及重新部署頻譜,，使用相同遠(yuǎn)程射頻頭 (RRH) 及蜂窩站點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)更高的頻率效率,。此外，采用更簡單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與更高的頻譜效率部署 LTE/LTE-A 網(wǎng)絡(luò),，也能為致力于滿足定戶需求的運(yùn)營商帶來優(yōu)勢,。這些變革將要求基礎(chǔ)設(shè)施硬件能夠支持多重 2G/3G/4G 無線接入標(biāo)準(zhǔn)。反之,，這也將簡化各代技術(shù)之間的升級,。

僅由宏蜂窩構(gòu)成的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)要滿足不斷增長的數(shù)據(jù)吞吐量與廣范覆蓋范圍的需求極具挑戰(zhàn)性。為此,，運(yùn)營商正在考慮混合使用小型蜂窩,、蜂窩邊緣繼電器以及宏蜂窩來改善移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)總體性能,，如下頁圖 1 所示,。如果運(yùn)營商部署的是能從小型蜂窩輕松擴(kuò)展至宏蜂窩且易于使用安裝的硬件，則在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中混合使用多種尺寸的蜂窩會(huì)非常容易,。當(dāng)然小型蜂窩會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)中基站的數(shù)量,，但它們也有改善基礎(chǔ)設(shè)施整體能源效率的潛力,。如果運(yùn)營商部署的基站設(shè)備可共享一個(gè)低功耗高性能的可擴(kuò)展架構(gòu)，在各種網(wǎng)絡(luò)元素中實(shí)現(xiàn)軟硬件設(shè)計(jì)的重復(fù)使用,，實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)就會(huì)更加高效,。總之,，這些因素有助于運(yùn)營商在管理資本支出 (CAPEX) 與運(yùn)營支出 (OPEX) 的同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)容,。

此外，基于開放式平臺(tái)理念的基站設(shè)備還可為運(yùn)營商新增能產(chǎn)生新收入流的創(chuàng)新業(yè)務(wù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),。因此,，該設(shè)備也必須采用能夠使用高級軟件開發(fā)技術(shù)進(jìn)行編程的高靈活智能硬件，以便為運(yùn)營商設(shè)備投資實(shí)現(xiàn)最大回報(bào)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),，方法之一即是為運(yùn)營商開發(fā)的應(yīng)用在多內(nèi)核片上系統(tǒng) (SoC) 上預(yù)留一個(gè)或兩個(gè)內(nèi)核,。另一種方法則是實(shí)施可在開放式平臺(tái)上支持高靈活多內(nèi)核編程模型的應(yīng)用。


圖 1：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br />
KeyStone II 多內(nèi)核架構(gòu)

TI KeyStone II 高級多內(nèi)核架構(gòu)的創(chuàng)建是為了應(yīng)對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn),。作為一款多內(nèi)核架構(gòu),，其可實(shí)現(xiàn)支持小型蜂窩至宏蜂窩的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案。KeyStone II 是首款移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施處理器,，集成四個(gè) ARM® Cortex™-A15 內(nèi)核的群集,，與傳統(tǒng)精簡指令集計(jì)算 (RISC) 內(nèi)核相比，可在提供高性能的同時(shí)功耗銳降 50%,。這是未來綠色環(huán)保網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的一大要素,。

首先,，KeyStone II 將在 TI 即將推出的 28nm 基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)用器件中實(shí)施,。它具有穩(wěn)健的硬件加速器 (AccelerationPacs)，可為多標(biāo)準(zhǔn)層 1基帶,、層2與 層3網(wǎng)絡(luò)及安全功能以及傳輸功能加速,。AcclerationPacs 為獨(dú)立運(yùn)行，可最大限度降低 DSP 和ARM 內(nèi)核的工作量,，減少時(shí)延,。KeyStone II 架構(gòu)經(jīng)擴(kuò)展，可將其支持的 32 個(gè)內(nèi)核配置為高速緩存一致性 ARM A15 群集（一個(gè)群集四個(gè)內(nèi)核）與 TMS320C66x DSP 內(nèi)核的任意組合,。另外,，KeyStone II 中的多內(nèi)核導(dǎo)航器改進(jìn)后，支持 1.6 萬個(gè)硬件隊(duì)列以及 100 萬個(gè)描述符,，并可為調(diào)度和負(fù)載均衡提供基于硬件的集成智能性,。增強(qiáng)型共享存儲(chǔ)器控制器交換速率為 2.8Tbps，



圖 2：KeyStone II 片上基站架構(gòu)

可為訪問外部存儲(chǔ)器提供低時(shí)延,。2.2Tbps TeraNet 交換結(jié)構(gòu)支持順暢的數(shù)據(jù)傳輸,，也是 KeyStone II 架構(gòu)的重要組成部分。這些創(chuàng)新技術(shù)綜合在一起,，可為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)解決方案提供所有所需的多內(nèi)核功能,。上圖 2 即為 KeyStone II 架構(gòu)的功能圖。

TI KeyStone II 架構(gòu)支持多種無線電標(biāo)準(zhǔn),，如 LTE/LTE-A,、HSPA+、WCDMA,、WiMAX,、CMDA 以及 GSM。此外，還支持同步雙模式工作,，支持 LTE 和 WCDMA 等的同時(shí)執(zhí)行,。該架構(gòu)的符號(hào)速率無線協(xié)處理器包含 WCDMA 發(fā)送 (TAC) 與接收芯片速率加速 (RAC) 功能。LTE 的符號(hào)速率處理由支持 OFDM 處理和頻域均衡的 FFT 協(xié)處理器執(zhí)行,。KeyStone II 中包含的比特率無線協(xié)處理器（BCP,、TCP3 與 VCP2）是多標(biāo)準(zhǔn)turbo解碼器／編碼器、速率匹配器／速率解匹配器,、調(diào)制器／調(diào)制解調(diào)器,、交錯(cuò)器／解交錯(cuò)器、相關(guān)器與維特比解碼器,。這些硬件加速器能夠提供與 100 多個(gè) 1GHz DSP 等效的處理能力,。有了這樣的處理能力，就能夠在低功耗 SoC 中實(shí)現(xiàn)空間與成本差異化的同時(shí),，確保低時(shí)延處理功能,。KeyStone II 的數(shù)字無線AccelerationPac 可加速數(shù)字上／下變頻轉(zhuǎn)換器 (DDUC)、振幅因數(shù)降低 (CFR) 與數(shù)字預(yù)失真 (DPD) 的執(zhí)行,，從而可最大限度提高功率放大器 (PA) 的效率,，降低系統(tǒng)材料清單 (BOM) 成本與功耗。

除了用于層1無線硬件加速外,，AccelerationPacs 還可用于層2,、層3和傳輸處理。在無線接口加密與 IPSec 方面,，KeyStone 可使安全處理吞吐量速率較前代產(chǎn)品提升 1 倍,。KeyStone II 在與 ARM® A15 4 通道 CorePac 相結(jié)合時(shí)，能夠在單芯片上實(shí)現(xiàn)具有多個(gè)網(wǎng)絡(luò) RF 接口的完整基站,。KeyStone II 部署了標(biāo)準(zhǔn) ARM 內(nèi)核,，與標(biāo)準(zhǔn) ARM 內(nèi)核相比，內(nèi)部互聯(lián)帶寬增大 3 倍,，數(shù)據(jù)路徑（256 比特）提升 1 倍,，時(shí)鐘速率提高 1 倍。

KeyStone II 可實(shí)施支持大型片上存儲(chǔ)器的智能芯片架構(gòu),，包括每個(gè) C66x DSP 內(nèi)核的專用 L2 存儲(chǔ)器與 ARM 內(nèi)核群集的共享 L2 存儲(chǔ)器,。另外，高達(dá) 6MB 的存儲(chǔ)器容量可在 DSP 內(nèi)核與 ARM 內(nèi)核之間共享,，而其它存儲(chǔ)器則嵌入在 AccelerationPacs 及協(xié)處理器中,。總體而言,，KeyStone II 的片上存儲(chǔ)器可提供高性能應(yīng)用所需的快速訪問與高吞吐量,。該片上存儲(chǔ)器支持極低的處理時(shí)延,，這對實(shí)現(xiàn)無線運(yùn)營商追求的更高質(zhì)量移動(dòng)用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。

KeyStone II 的最新共享存儲(chǔ)器控制器支持 2.8Tbps 的吞吐量及交換能力,，可直接連接至外部 DDR3 存儲(chǔ)器,。這不但可降低通常與外部存儲(chǔ)器訪問有關(guān)的時(shí)延，而且還可避免將系統(tǒng)數(shù)據(jù)流量傳輸至架構(gòu)的 TeraNet 中央交換架構(gòu),。TeraNet 具有 2.2Tbps 的吞吐量,，支持架構(gòu)中各內(nèi)核之間順暢的數(shù)據(jù)流。這意味著各處理單元能在近乎滿負(fù)載下運(yùn)行,。由于內(nèi)核不會(huì)因等待需要處理的數(shù)據(jù)而處于空閑狀態(tài),，因此不會(huì)浪費(fèi)處理周期。多內(nèi)核導(dǎo)航器改進(jìn)后,，支持 1.6 萬個(gè)硬件隊(duì)列,，可為支持調(diào)度與負(fù)載均衡提供 8 個(gè)基于硬件的集成可編程單元。在多內(nèi)核導(dǎo)航器的幫助下,，可高效部署高級多內(nèi)核編程模型,，實(shí)現(xiàn)最大的多內(nèi)核效率。此外,，這些改進(jìn)還有助于簡化軟件升級,，加速業(yè)務(wù)添加,，充分滿足新一代異構(gòu)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的需求,。

KeyStone II 的輸入／輸出 (I/O) 子系統(tǒng)不但可為支持 KeyStone 架構(gòu)器件的互連提供 100Gbps 的高速超鏈接接口，而且還可幫助設(shè)備制造商針對各種特定需求擴(kuò)展解決方案,。該超鏈接無需更多的復(fù)雜協(xié)議轉(zhuǎn)碼,，即可實(shí)現(xiàn)芯片間的無縫互連。相鄰器件可通過快速高效的擴(kuò)展存儲(chǔ)器映射機(jī)制輕松進(jìn)行訪問,。另外,，可配置為交換機(jī)的 6 鏈路天線接口 (AIF2) 不但可連接至遠(yuǎn)程射頻頭，而且還可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊筇峁┨炀€流量的匯聚與分配功能,，因而可取消使用高成本外部天線交換機(jī)制,。與網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器及 ARM 子系統(tǒng)相配合的，是作為 4 端口交換機(jī)實(shí)施的 4 條外部以太網(wǎng)鏈路,，其可提供全功能網(wǎng)絡(luò)處理能力,。將這些功能與 KeyStone II 器件集成，無需采用高功耗外部網(wǎng)絡(luò)處理器及以太網(wǎng)交換機(jī),。這也可同時(shí)降低系統(tǒng) BOM 成本與功耗,。




圖 3：KeyStone II 支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

KeyStone II 架構(gòu)中 DSP 內(nèi)核、ARM® 內(nèi)核,、AccelerationPacs 以及 I/O 的高靈活配置,，可為創(chuàng)建 SoC 器件提供豐富的功能,。反過來，這些器件也可提供基站設(shè)備制造商所需的高性能與低成本,，充分滿足小型及宏蜂窩基站以及圖 3 所示其它異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)單元的需求,。

綠色環(huán)保基站

近期中國移動(dòng)公布的運(yùn)營數(shù)據(jù)表明,，無線基站消耗的電力中僅有半數(shù)是無線接入網(wǎng)絡(luò) (RAN)基站消耗的,，其余一半由空調(diào) ^[2]消耗。由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將主要由大量小型蜂窩基站構(gòu)成,，因而運(yùn)營商將要求這些基站具有節(jié)能性,。

KeyStone II 具有低功耗 ARM® A15 RISC 內(nèi)核、C66x DSP 內(nèi)核及 AcclerationPacs,，以及眾多高級電源管理功能,。例如，每個(gè)子系統(tǒng)都有自己的時(shí)鐘域與電源域,，因此在空閑或者低流量條件下可有效關(guān)閉系統(tǒng)分區(qū),。每個(gè)存儲(chǔ)器子系統(tǒng)都有“保持直至接入”(RTA) 功能，可顯著降低存儲(chǔ)器功耗,。KeyStone II 的可擴(kuò)展電源域采用 TI SmartRefl ex™ 技術(shù),，支持動(dòng)態(tài)電壓及頻率擴(kuò)展 (DVSF) 功能。這些可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓擴(kuò)展,，在實(shí)際輸入電壓最低時(shí),，也能實(shí)現(xiàn)最高性能。綜合使用這些智能電源技術(shù),，可將 SoC 功耗銳降 50%,，為基站設(shè)計(jì)刷新電源效率。

基于 KeyStone II 架構(gòu)的多個(gè)器件可通過超鏈接連接在一起,，組成多內(nèi)核 SoC 庫實(shí)現(xiàn)宏基站或云 RAN 目的,。為快速適應(yīng)不同的流量及應(yīng)用條件，進(jìn)而降低靜態(tài)及動(dòng)態(tài)功耗,，庫配置中的多個(gè)器件可采用不同的智能電源管理技術(shù)在不同的節(jié)能模式下運(yùn)行,。每個(gè)器件都可在工作、待機(jī)和休眠等任何工作電源模式下運(yùn)行,。在工作模式下,，器件全力運(yùn)行，所有內(nèi)核,、加速器和 I/O 都處于上電狀態(tài),。在待機(jī)模式下，內(nèi)核處于空閑狀態(tài),，而大多數(shù)加速器則處

于時(shí)鐘禁用狀態(tài),。L2,、MSMC 和 DDR3 存儲(chǔ)器以及以太網(wǎng)子系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)高速流量恢復(fù),。從待機(jī)模式喚醒的典型時(shí)長不超過 25ms,。在待機(jī)模式下運(yùn)行可將工作功耗降低近 30%。在休眠模式下,，內(nèi)核處于靜態(tài)電源關(guān)閉狀態(tài),，所有 IP 處于電源關(guān)閉或者時(shí)鐘門控狀態(tài)，只有 MSMC 處于工作狀態(tài),。由于之前的系統(tǒng)狀態(tài)可以保存在 MSMC 中供快速恢復(fù),，因此從休眠模式喚醒的典型時(shí)長不超過 100ms。以休眠模式運(yùn)行可將工作功耗降低近 50%,。圖 4 是運(yùn)行在不同節(jié)能模式下的 KeyStone II 庫,。



圖 4：低流量狀態(tài)下的 KeyStone II 庫節(jié)電模式

結(jié)論

與上一代現(xiàn)場驗(yàn)證 KeyStone 架構(gòu)相比，KeyStone II 架構(gòu)容量與性能均可提高 1 倍,。該款新一代 KeyStone 架構(gòu)具有當(dāng)前最低成本,，可應(yīng)用于未來將主導(dǎo)無線產(chǎn)業(yè)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元?；?TI SmartRefl ex 電源管理技術(shù)的高級電源性能可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)?；荆瑢榇蛟旄】档牡厍颦h(huán)境助一臂之力,。KeyStone II 的多內(nèi)核導(dǎo)航器提供高級多內(nèi)核編程范式,，不但能夠通過支持高可擴(kuò)展性與重復(fù)使用性的創(chuàng)新技術(shù)提高開發(fā)效率，而且還可保持對常見多內(nèi)核編程模型的兼容,。隨著 KeyStone II 的推出,，TI將繼續(xù)印證其一貫的承諾 —— 通過無與倫比的性能與功能集成為基站開發(fā)人員不斷實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新,。

[1] Tom Flanagan,，《采用 TI KeyStone 多內(nèi)核架構(gòu)創(chuàng)建云基站》：http://www.ti.com/lit/wp/spry183/spry183.pdf；
[2] 中國移動(dòng) C-RAN 白皮書：http://labs.chinamobile.com/report/view_59826,。