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作者：德州儀器無(wú)線(xiàn)基站基礎設施戰略市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Zhihong Lin 介紹 在隨時(shí)隨地連接至任何設備需求的推動(dòng)下，無(wú)線(xiàn)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。智能手機和平板電腦的風(fēng)靡，以及從因特網(wǎng)向移動(dòng)設備下載視頻量的陡增，不斷刺激著(zhù)移動(dòng)數據通信以風(fēng)馳電掣的速度發(fā)展。滿(mǎn)足這種移動(dòng)通信的爆發(fā)性需求將為新一代移動(dòng)基礎設施帶來(lái)巨大挑戰，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(zhù)降低功耗，達到當前“綠色環(huán)�！钡哪康�。 迄今為止，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )多為同構，主要采用大型宏蜂窩基站。未來(lái)的蜂窩基礎設施將變?yōu)楫悩�。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設施中得到普及。最終無(wú)線(xiàn)基礎設施的用戶(hù)體驗將更趨云化。這種環(huán)境現已稱(chēng)為云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )，又稱(chēng) C-RAN[1]。 在為全球逾 200 家無(wú)線(xiàn)服務(wù)提供商及運營(yíng)商成功提供宏基站數字基帶部署的過(guò)去20年成功經(jīng)驗基礎之上，德州儀器 (TI) 百尺竿頭更進(jìn)一步，推出新一代 KeyStone II 架構，為未來(lái)異構“綠色環(huán)�！睙o(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現高度集成的可擴展型低功耗解決方案。 異構網(wǎng)絡(luò ) 雖然移動(dòng)數據使用呈指數級上升，但每用戶(hù)平均收入 (ARPU) 并未隨之增長(cháng)。改善這種狀況的途徑之一是降低運營(yíng)商成本。在未來(lái)異構網(wǎng)絡(luò )中，小型蜂窩將提高數據速率與容量，而較大型的宏蜂窩則將確保廣闊的覆蓋范圍。這種異構網(wǎng)絡(luò )要取得成功必須具有低成本優(yōu)勢，幫助運營(yíng)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(mǎn)足不斷增長(cháng)的數據通信需求。其它影響運營(yíng)商利潤的因素還有為適應未來(lái)技術(shù)演進(jìn)而進(jìn)行的可擴展開(kāi)放平臺的部署，其將有效產(chǎn)生可帶來(lái)新收入的業(yè)務(wù)。 運營(yíng)商實(shí)現低成本移動(dòng)連接的又一途徑是升級現有無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，支持更高數據率。這可能涉及重新部署頻譜，使用相同遠程射頻頭 (RRH) 及蜂窩站點(diǎn)基礎設施實(shí)現更高的頻率效率。此外，采用更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )架構與更高的頻譜效率部署 LTE/LTE-A 網(wǎng)絡(luò )，也能為致力于滿(mǎn)足定戶(hù)需求的運營(yíng)商帶來(lái)優(yōu)勢。這些變革將要求基礎設施硬件能夠支持多重 2G/3G/4G 無(wú)線(xiàn)接入標準。反之，這也將簡(jiǎn)化各代技術(shù)之間的升級。 僅由宏蜂窩構成的同構網(wǎng)絡(luò )要滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的數據吞吐量與廣范覆蓋范圍的需求極具挑戰性。為此，運營(yíng)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(lái)改善移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )總體性能，如下頁(yè)圖 1 所示。如果運營(yíng)商部署的是能從小型蜂窩輕松擴展至宏蜂窩且易于使用安裝的硬件，則在異構網(wǎng)絡(luò )中混合使用多種尺寸的蜂窩會(huì )非常容易。當然小型蜂窩會(huì )增加網(wǎng)絡(luò )中基站的數量，但它們也有改善基礎設施整體能源效率的潛力。如果運營(yíng)商部署的基站設備可共享一個(gè)低功耗高性能的可擴展架構，在各種網(wǎng)絡(luò )元素中實(shí)現軟硬件設計的重復使用，實(shí)現上述目標就會(huì )更加高效�？傊�，這些因素有助于運營(yíng)商在管理資本支出 (CAPEX) 與運營(yíng)支出 (OPEX) 的同時(shí)進(jìn)行擴容。 此外，基于開(kāi)放式平臺理念的基站設備還可為運營(yíng)商新增能產(chǎn)生新收入流的創(chuàng )新業(yè)務(wù)奠定堅實(shí)基礎。因此，該設備也必須采用能夠使用高級軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行編程的高靈活智能硬件，以便為運營(yíng)商設備投資實(shí)現最大回報。為實(shí)現這一目標，方法之一即是為運營(yíng)商開(kāi)發(fā)的應用在多內核片上系統 (SoC) 上預留一個(gè)或兩個(gè)內核。另一種方法則是實(shí)施可在開(kāi)放式平臺上支持高靈活多內核編程模型的應用。 
圖 1：異構網(wǎng)絡(luò )拓撲 KeyStone II 多內核架構 TI KeyStone II 高級多內核架構的創(chuàng )建是為了應對異構網(wǎng)絡(luò )挑戰。作為一款多內核架構，其可實(shí)現支持小型蜂窩至宏蜂窩的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )解決方案。KeyStone II 是首款移動(dòng)基礎設施處理器，集成四個(gè) ARM® Cortex™-A15 內核的群集，與傳統精簡(jiǎn)指令集計算 (RISC) 內核相比，可在提供高性能的同時(shí)功耗銳降 50%。這是未來(lái)綠色環(huán)保網(wǎng)絡(luò )基礎設施設備的一大要素。 首先，KeyStone II 將在 TI 即將推出的 28nm 基礎架構應用器件中實(shí)施。它具有穩健的硬件加速器 (AccelerationPacs)，可為多標準層 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 為獨立運行，可最大限度降低 DSP 和ARM 內核的工作量，減少時(shí)延。KeyStone II 架構經(jīng)擴展，可將其支持的 32 個(gè)內核配置為高速緩存一致性 ARM A15 群集（一個(gè)群集四個(gè)內核）與 TMS320C66x DSP 內核的任意組合。另外，KeyStone II 中的多內核導航器改進(jìn)后，支持 1.6 萬(wàn)個(gè)硬件隊列以及 100 萬(wàn)個(gè)描述符，并可為調度和負載均衡提供基于硬件的集成智能性。增強型共享存儲器控制器交換速率為 2.8Tbps，
圖 2：KeyStone II 片上基站架構 可為訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器提供低時(shí)延。2.2Tbps TeraNet 交換結構支持順暢的數據傳輸，也是 KeyStone II 架構的重要組成部分。這些創(chuàng )新技術(shù)綜合在一起，可為異構網(wǎng)絡(luò )解決方案提供所有所需的多內核功能。上圖 2 即為 KeyStone II 架構的功能圖。 TI KeyStone II 架構支持多種無(wú)線(xiàn)電標準，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)執行。該架構的符號速率無(wú)線(xiàn)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 的符號速率處理由支持 OFDM 處理和頻域均衡的 FFT 協(xié)處理器執行。KeyStone II 中包含的比特率無(wú)線(xiàn)協(xié)處理器（BCP、TCP3 與 VCP2）是多標準turbo解碼器／編碼器、速率匹配器／速率解匹配器、調制器／調制解調器、交錯器／解交錯器、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 的數字無(wú)線(xiàn)AccelerationPac 可加速數字上／下變頻轉換器 (DDUC)、振幅因數降低 (CFR) 與數字預失真 (DPD) 的執行，從而可最大限度提高功率放大器 (PA) 的效率，降低系統材料清單 (BOM) 成本與功耗。 除了用于層1無(wú)線(xiàn)硬件加速外，AccelerationPacs 還可用于層2、層3和傳輸處理。在無(wú)線(xiàn)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 相結合時(shí)，能夠在單芯片上實(shí)現具有多個(gè)網(wǎng)絡(luò ) RF 接口的完整基站。KeyStone II 部署了標準 ARM 內核，與標準 ARM 內核相比，內部互聯(lián)帶寬增大 3 倍，數據路徑（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器的智能芯片架構，包括每個(gè) C66x DSP 內核的專(zhuān)用 L2 存儲器與 ARM 內核群集的共享 L2 存儲器。另外，高達 6MB 的存儲器容量可在 DSP 內核與 ARM 內核之間共享，而其它存儲器則嵌入在 AccelerationPacs 及協(xié)處理器中�？傮w而言，KeyStone II 的片上存儲器可提供高性能應用所需的快速訪(fǎng)問(wèn)與高吞吐量。該片上存儲器支持極低的處理時(shí)延，這對實(shí)現無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商追求的更高質(zhì)量移動(dòng)用戶(hù)體驗至關(guān)重要。 KeyStone II 的最新共享存儲器控制器支持 2.8Tbps 的吞吐量及交換能力，可直接連接至外部 DDR3 存儲器。這不但可降低通常與外部存儲器訪(fǎng)問(wèn)有關(guān)的時(shí)延，而且還可避免將系統數據流量傳輸至架構的 TeraNet 中央交換架構。TeraNet 具有 2.2Tbps 的吞吐量，支持架構中各內核之間順暢的數據流。這意味著(zhù)各處理單元能在近乎滿(mǎn)負載下運行。由于內核不會(huì )因等待需要處理的數據而處于空閑狀態(tài)，因此不會(huì )浪費處理周期。多內核導航器改進(jìn)后，支持 1.6 萬(wàn)個(gè)硬件隊列，可為支持調度與負載均衡提供 8 個(gè)基于硬件的集成可編程單元。在多內核導航器的幫助下，可高效部署高級多內核編程模型，實(shí)現最大的多內核效率。此外，這些改進(jìn)還有助于簡(jiǎn)化軟件升級，加速業(yè)務(wù)添加，充分滿(mǎn)足新一代異構移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的需求。 KeyStone II 的輸入／輸出 (I/O) 子系統不但可為支持 KeyStone 架構器件的互連提供 100Gbps 的高速超鏈接接口，而且還可幫助設備制造商針對各種特定需求擴展解決方案。該超鏈接無(wú)需更多的復雜協(xié)議轉碼，即可實(shí)現芯片間的無(wú)縫互連。相鄰器件可通過(guò)快速高效的擴展存儲器映射機制輕松進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。另外，可配置為交換機的 6 鏈路天線(xiàn)接口 (AIF2) 不但可連接至遠程射頻頭，而且還可根據網(wǎng)絡(luò )拓撲的要求提供天線(xiàn)流量的匯聚與分配功能，因而可取消使用高成本外部天線(xiàn)交換機制。與網(wǎng)絡(luò )協(xié)處理器及 ARM 子系統相配合的，是作為 4 端口交換機實(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(wú)需采用高功耗外部網(wǎng)絡(luò )處理器及以太網(wǎng)交換機。這也可同時(shí)降低系統 BOM 成本與功耗。
圖 3：KeyStone II 支持異構網(wǎng)絡(luò ) KeyStone II 架構中 DSP 內核、ARM® 內核、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(guò)來(lái)，這些器件也可提供基站設備制造商所需的高性能與低成本，充分滿(mǎn)足小型及宏蜂窩基站以及圖 3 所示其它異構網(wǎng)絡(luò )單元的需求。 綠色環(huán)�；� 近期中國移動(dòng)公布的運營(yíng)數據表明，無(wú)線(xiàn)基站消耗的電力中僅有半數是無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò ) (RAN)基站消耗的，其余一半由空調 [2]消耗。由于異構網(wǎng)絡(luò )將主要由大量小型蜂窩基站構成，因而運營(yíng)商將要求這些基站具有節能性。 KeyStone II 具有低功耗 ARM® A15 RISC 內核、C66x DSP 內核及 AcclerationPacs，以及眾多高級電源管理功能。例如，每個(gè)子系統都有自己的時(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)閉系統分區。每個(gè)存儲器子系統都有“保持直至接入”(RTA) 功能，可顯著(zhù)降低存儲器功耗。KeyStone II 的可擴展電源域采用 TI SmartRefl ex™ 技術(shù)，支持動(dòng)態(tài)電壓及頻率擴展 (DVSF) 功能。這些可實(shí)現動(dòng)態(tài)電壓擴展，在實(shí)際輸入電壓最低時(shí)，也能實(shí)現最高性能。綜合使用這些智能電源技術(shù)，可將 SoC 功耗銳降 50%，為基站設計刷新電源效率。 基于 KeyStone II 架構的多個(gè)器件可通過(guò)超鏈接連接在一起，組成多內核 SoC 庫實(shí)現宏基站或云 RAN 目的。為快速適應不同的流量及應用條件，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)在不同的節能模式下運行。每個(gè)器件都可在工作、待機和休眠等任何工作電源模式下運行。在工作模式下，器件全力運行，所有內核、加速器和 I/O 都處于上電狀態(tài)。在待機模式下，內核處于空閑狀態(tài)，而大多數加速器則處 于時(shí)鐘禁用狀態(tài)。L2、MSMC 和 DDR3 存儲器以及以太網(wǎng)子系統處于工作狀態(tài)，以實(shí)現高速流量恢復。從待機模式喚醒的典型時(shí)長(cháng)不超過(guò) 25ms。在待機模式下運行可將工作功耗降低近 30%。在休眠模式下，內核處于靜態(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(mén)控狀態(tài)，只有 MSMC 處于工作狀態(tài)。由于之前的系統狀態(tài)可以保存在 MSMC 中供快速恢復，因此從休眠模式喚醒的典型時(shí)長(cháng)不超過(guò) 100ms。以休眠模式運行可將工作功耗降低近 50%。圖 4 是運行在不同節能模式下的 KeyStone II 庫。
圖 4：低流量狀態(tài)下的 KeyStone II 庫節電模式 結論 與上一代現場(chǎng)驗證 KeyStone 架構相比，KeyStone II 架構容量與性能均可提高 1 倍。該款新一代 KeyStone 架構具有當前最低成本，可應用于未來(lái)將主導無(wú)線(xiàn)產(chǎn)業(yè)的異構網(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)現綠色環(huán)�；�，將為打造更健康的地球環(huán)境助一臂之力。KeyStone II 的多內核導航器提供高級多內核編程范式，不但能夠通過(guò)支持高可擴展性與重復使用性的創(chuàng )新技術(shù)提高開(kāi)發(fā)效率，而且還可保持對常見(jiàn)多內核編程模型的兼容。隨著(zhù) KeyStone II 的推出，TI將繼續印證其一貫的承諾 —— 通過(guò)無(wú)與倫比的性能與功能集成為基站開(kāi)發(fā)人員不斷實(shí)現創(chuàng )新。 [1] Tom Flanagan，《采用 TI KeyStone 多內核架構創(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(shū)：http://labs.chinamobile.com/report/view_59826。 |
