1. 引言
長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE） [1]蜂窩標(biāo)準(zhǔn)是3GPP 3G演進(jìn)的兩個(gè)組成部分之一，另外一個(gè)是HSPA演進(jìn)。如圖1.0所示。LTE無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）規(guī)范被安排在2008年初完成，隨后，一致性測(cè)試規(guī)范預(yù)計(jì)在2008年8月準(zhǔn)備就緒。
圖1.0 3GPP向 UMTS的演化路線
LTE有許多目標(biāo)[2],LTE的重點(diǎn)是在整個(gè)10年期間內(nèi)超越UMTS而滿足無(wú)線用戶的各種需要。這包括降低無(wú)線用戶以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的成本；另一方面，以服務(wù)差異化的形式提供更佳的各種服務(wù)，同時(shí)提供更低的延時(shí)并提高數(shù)據(jù)速率。
以服務(wù)差異化的形式所提供的各種更佳服務(wù)可以通過(guò)基于QOS概念的鏈路自適應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在LTE中，鏈路自適應(yīng)超越HSDPA能夠提供什么，盡管HSDPA能夠在時(shí)域上提供鏈路自適應(yīng)以響應(yīng)不斷變化的信道條件，但是，LTE也能夠提供頻率自適應(yīng)。
在數(shù)據(jù)速率領(lǐng)域，LTE預(yù)期提供100Mbps的峰值下行鏈路（DL）速率以及50Mbps的峰值上行鏈路（UL）速率，分別提供5 bit/s/Hz和2.5 bit/s/Hz的頻譜效率，這可以利用OFDM與補(bǔ)充的MIMO技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。較低的延時(shí)通過(guò)扁平的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。所采用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于IP （Internet Protocol）以及更短的PHY處理時(shí)間，如圖2.0所示，另外還具有在LTE的eNodeB （eNB）中實(shí)現(xiàn)的各種更高層功能。與UMTS相比，LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)把沿著數(shù)據(jù)路徑的節(jié)點(diǎn)數(shù)量從4減少至2.
圖2.0 經(jīng)演化的UTRAN 概觀
2. LTE的關(guān)鍵要素
對(duì)于上行鏈路來(lái)說(shuō)，LTE無(wú)線接入將基于單載波頻分多址（SC-FDMA）[5].SC-FDMA波形所具有的良好的峰值與平均功率比（PAPR）推動(dòng)上行鏈路采用SC-FDMA.利用較低的PAPR,射頻功率放大器（RFPA）的操作可以獲得更高的效率，從而使手機(jī)的電池壽命更長(zhǎng)。對(duì)于下行鏈路來(lái)說(shuō)，可以采用經(jīng)典的OFDMA方案。
除了調(diào)制之外，另外一個(gè)關(guān)鍵要素就是依賴于調(diào)度的信道條件的可用性。這容許在共享信道中的時(shí)頻資源在用戶之間動(dòng)態(tài)共享。調(diào)度間隔-正如間接提到的-是基于1ms的時(shí)分以及180KHz的頻分。同樣地，在MAC層的調(diào)度器的實(shí)現(xiàn)是確保下行鏈路性能的關(guān)鍵要素，因?yàn)樗鼪Q定每一個(gè)鏈路所采用的速率。像存在于MAC層的HSDPA混合ARQ一樣，要以多個(gè)并行停止和等待ARQ處理的形式采用軟組合?；旌螦RQ方案是基于針對(duì)再次發(fā)射的增量冗余（IR），除了上述關(guān)鍵要素之外，LTE將把多天線支持作為該規(guī)范不可分割的組成部分。接收和發(fā)射分集方案、波束形成以及空間復(fù)用都將得到支持。
LTE系統(tǒng)的目標(biāo)之一就是，它需要允許從2G/3G向LTE的靈活升級(jí)。正因?yàn)槿绱?，跨?.25 MHz至20
MHz的靈活的頻譜分配要可用，且LTE系統(tǒng)應(yīng)該能夠在450 MHz到2.6GHz之間工作。換言之，LTE規(guī)范的帶寬是不可知的 （Bandwidth agnostic） .
另一點(diǎn)值得一提的是，與UMTS不同，LTE提供FDD/TDD組合和TDD方案、基于單一OFDMA無(wú)線接入技術(shù)的。TDD方案被稱為幀結(jié)構(gòu)2,支持與TD-SCDMA的共存。
3. LTE 物理層的關(guān)鍵要素
LTE在利用通用無(wú)線接入技術(shù)的10ms無(wú)線幀的基礎(chǔ)上提供兩類幀結(jié)構(gòu)。這兩類幀結(jié)構(gòu)分別是被稱為類型1的FDD/半FDD以及被稱為類型2的TDD,它們均基于10ms的無(wú)線幀，每一無(wú)線幀具有20個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙占用0.5 ms.類型2幀結(jié)構(gòu)被提供為與TD-SCDMA共存，如圖3.0所示。注意，TD-SCDMA幀結(jié)構(gòu)在5ms的子幀內(nèi)具有10個(gè)時(shí)隙。這10個(gè)時(shí)隙當(dāng)中的3個(gè)-DwPTS、GP和UpPTS-是專用時(shí)隙，它們?cè)贚TE幀結(jié)構(gòu)類型2中被復(fù)制。
圖3.0 TDD 類型 2 幀結(jié)構(gòu)
在時(shí)域和頻域中提供鏈路自適應(yīng)的LTE系統(tǒng)的能力就是針對(duì)下行鏈路采用OFDMA方案。這意味著下行鏈路物理資源是根據(jù)一個(gè)OFDM子載波以及一個(gè)OFDM符號(hào)周期來(lái)定義的，這就被稱為資源要素（RE）?？倲?shù)84個(gè)RE構(gòu)成一個(gè)資源模塊（RB），這個(gè)資源模塊由具有7個(gè)OFDM符號(hào)的一個(gè)時(shí)隙（0.5ms）周期上的12個(gè)子載波組成。正因?yàn)槿绱?，下行鏈路傳輸信?hào)根據(jù)如圖4.0所描繪的資源柵格（RG）被定義為每一個(gè)用戶擁有對(duì)應(yīng)于兩個(gè)時(shí)隙（1ms）的兩個(gè)RE.
圖4.0用于LTE的下行鏈路資源柵格
表1.0所描述的關(guān)鍵物理層參數(shù)是所分配的頻率帶寬的函數(shù)。
表1.0 DL物理層關(guān)鍵參數(shù)
4. LTE基帶處理的重要特征
針對(duì)Tx和Rx的下行鏈路物理層如圖3.0所示。注意，它可以被分解為兩類處理，即符號(hào)率處理和采樣率處理。從圖3.0可見(jiàn)，與基于WCDMA的UMTS標(biāo)準(zhǔn)相比，符號(hào)率處理比較簡(jiǎn)單。
圖5.0 3GPP LTE 下行鏈路處理
正如在UMTS中一樣，LTE基站設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)在于上行鏈路的處理。在LTE的情形下，這進(jìn)一步結(jié)合了短的處理時(shí)間要求，以實(shí)現(xiàn)較低的延時(shí)，與此同時(shí)，在Node B具有較之于RNC更高層的功能。
在這一節(jié)我們將從微觀和宏觀兩個(gè)方面回顧各種挑戰(zhàn)以及解決方案。
在微觀層面，特別是對(duì)于如圖6.0所示的上行鏈路信號(hào)鏈來(lái)說(shuō)，LTE延遲預(yù)算主要由HARQ往返的8ms延時(shí)來(lái)定義，也就是說(shuō)，初傳輸與再次傳輸之間的時(shí)間。要考慮兩倍1ms的傳輸時(shí)間，剛好把6ms留給發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。那意味著LTE上行鏈路處理必須在3 ms以內(nèi)滿足由下列功能提出的延遲預(yù)算。它們分別是：
信道估計(jì)延遲；
解調(diào)；
速率匹配和IR組合；
透平（Turbo）解碼；
MAC/RLC處理；
圖 6.0 LTE 上行鏈路信號(hào)鏈
假定需要短的處理時(shí)間，因此，至關(guān)重要的是諸如iDFT這樣的、在SC-FDMA解調(diào)中所使用的重要模塊，以及透平解碼必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成。賽靈思提供IP核解決方案，使基站設(shè)計(jì)工程師能夠達(dá)到iDFT以及透平解碼（Turbo Decoding）應(yīng)用的目標(biāo)。
以如圖7.0所示的iDFT處理為例，經(jīng)過(guò)信道估值，在壞情形下iDFT處理可用的處理時(shí)間是40us.賽靈思的iDFT解決方案使所有12的倍數(shù)的點(diǎn)長(zhǎng)具有由2、3和5構(gòu)成的素因子，能夠滿足處理時(shí)間的要求。除了FFT/iFFT之外-兩個(gè)處理用DSP或FPGA均有效，在FPGA中做iDFT有明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镈SP的比特反向?qū)ぶ穬H僅適合于基數(shù)2.類似地，為了有效地并行實(shí)現(xiàn)解碼，賽靈思面向具有QPP交織器的LTE的透平解碼IP 核，利用400MHz的時(shí)鐘速度對(duì)如圖8.0所示的代碼模塊長(zhǎng)度進(jìn)行8次迭代的情形僅僅花40us的解碼時(shí)間。
圖7.0 LTE 上行鏈路 iDFT處理要求
圖8.0賽靈思透平解碼器的性能與模塊大小及處理單元數(shù)量的比較
因?yàn)閷?duì)滿足上行鏈路處理要求有著更大的影響，你必須考慮宏觀層面的基站設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)，如何對(duì)基站的基帶設(shè)計(jì)進(jìn)行劃分。目前，基站供應(yīng)商可以采用FPGA作為協(xié)處理器以執(zhí)行透平編碼來(lái)滿足吞吐量要求。作為iDFT或RACH預(yù)檢測(cè)的其它相關(guān)模塊如圖9.0所示。
圖9.0 FPGA 作為用于LTE的協(xié)處理器
然而，在這里存在的挑戰(zhàn)在于因FPGA和DSP之間的互連引起的延遲。我們將采用一個(gè)基于常用的SRIO接口的上行鏈路例子來(lái)證明，這個(gè)例子具有下列參數(shù)：
10 MHz帶寬、短CP、單一扇；
無(wú)重發(fā)；
4 HARQ處理；
無(wú)空間復(fù)用；
基于估計(jì)的透平解碼持續(xù)時(shí)間；
SRIO: 3.125 Gb、1x通道、8/10編碼、每個(gè)拾取器25比特開銷；
針對(duì)DDR2
存儲(chǔ)器、200 MHz、32比特只讀的傳輸時(shí)間。
如表2.0中所示為對(duì)不同服務(wù)-遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于壞的情形-進(jìn)行計(jì)算的例子，其中，包括必須不超過(guò)1000us總時(shí)間的編碼時(shí)間以及sRIO傳輸?shù)难舆t。
表2.0 上行鏈路處理時(shí)間例子
從上表我們可以總結(jié)如下：
在SRIO傳輸中發(fā)生了重大的延遲；
需要并行實(shí)現(xiàn)透平編碼。
這里的主要問(wèn)題在于，延時(shí)和數(shù)據(jù)速率要求特別地給利用單一SRIO鏈路的協(xié)處理方法帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)閷?duì)于20MHz帶寬的情形它招致高達(dá)400us的延遲，這已經(jīng)是可用處理時(shí)間的40%。
為了解決延遲問(wèn)題，采用基于FPGA的預(yù)處理方法來(lái)取代FPGA作為協(xié)處理器方法。這意味著需要在FPGA中實(shí)現(xiàn)完整的PHY層處理，而DSP處理器擔(dān)當(dāng)控制器并完成更高層的各種功能。如圖10.0所示。利用對(duì)DSP處理器的預(yù)處理方法，DSP處理器會(huì)取代網(wǎng)絡(luò)處理器或把網(wǎng)絡(luò)處理器功能減少至僅僅做集中的PDCP處理以及回程接口。采用這一方法的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是FPGA可以被用于MAC加速功能以補(bǔ)償在DSP上存在的低控制代碼性能。另外的方法就是采用FPGA作為對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理器的預(yù)處理器，如圖11.0所示。
圖10.0 利用DSP架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的FPGA預(yù)處理
圖11.0 利用網(wǎng)絡(luò)處理器架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的FPGA預(yù)處理
總而言之，這兩種方法除了克服延遲問(wèn)題之外，具有若干優(yōu)勢(shì)，如為將來(lái)規(guī)范的各種變化做好準(zhǔn)備。
5. Xilinx LTE基帶參考解決方案
賽靈思近在巴塞羅納舉行的Mobile World Congress 2008上演示了面向PDSCH的、符合3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)的LTE基帶下行鏈路解決方案。
該參考解決方案由各種相關(guān)的賽靈思LTE IP核組成，包括透平編碼/解碼、速率匹配、具有循環(huán)前綴插入以及QAM映射器和去映射器的FFT/iFFT.該參考解決方案的下行發(fā)送和接收鏈如圖5.0所示。這一參考解決方案也適合對(duì)面向LTE的、業(yè)已開發(fā)完成的各種IP核[3]提供系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證。
在高于10 MHz的帶寬上，賽靈思成功地演示了遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于100Mbps的視頻流。這一成功的演示所采用的面向視頻流的參考應(yīng)用，是基于運(yùn)行在一臺(tái)個(gè)人電腦主機(jī)上的開放源視頻局域網(wǎng)服務(wù)器（VideoLan Server）。LTE基帶參考解決方案位于兩個(gè)近發(fā)布的ML507板上。每一塊板通過(guò)千兆位以太網(wǎng)鏈路與主PC通信。由主PC發(fā)出的UDP數(shù)據(jù)包首先由三態(tài)以太網(wǎng)MAC模塊（TEMAC）處理，隨后經(jīng)過(guò)輕量IP堆棧（LWIP），才進(jìn)入LTE基站參考解決方案的發(fā)射（TX）模塊。來(lái)自TX模塊的I/Q 數(shù)據(jù)通過(guò)用于處理的Aurora鏈路，被輸出至具有LTE接收（RX）功能鏈的另一塊ML507板上。
圖12.0顯示了在MWC 2008上的設(shè)置，而圖13.0描繪了賽靈思LTE基帶參考設(shè)計(jì)演示平臺(tái)的各個(gè)模塊。
圖12.0 賽靈思LTE基帶參考設(shè)計(jì)演示
隨著LTE基帶參考設(shè)計(jì)的發(fā)布，賽靈思再次證明了在無(wú)線解決方案領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，并進(jìn)一步致力于支持基站供應(yīng)商開發(fā)滿足更高比特率、更低延遲以及更高靈活性（由于目前LTE標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進(jìn)，這一點(diǎn)特別重要）的LTE解決方案。
圖13.0 賽靈思LTE基帶參考設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
關(guān)鍵詞：一種面向3G LTE設(shè)計(jì)的預(yù)處理實(shí)現(xiàn)
