用低成本FPGA實(shí)現(xiàn)Femtocell基帶架構(gòu)
加入技術(shù)交流群
過(guò)去的25年里，FPGA在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施的開(kāi)發(fā)和部署中扮演了重要的角色。無(wú)線設(shè)備市場(chǎng)跨越了大批量FPGA生產(chǎn)與小批量ASIC生產(chǎn)之間的溝壑?；境闪藲v史的分界點(diǎn)，因?yàn)榛镜纳?jí)和大規(guī)模部署所需器件量可達(dá)數(shù)萬(wàn)乃至數(shù)十萬(wàn)(圖1)。
低成本毫微微蜂窩(Femtocell)的出現(xiàn)以及它們所具有的數(shù)百萬(wàn)單元的預(yù)期潛能使得外界觀察者可能得出這樣的結(jié)論，FPGA已最終在這一應(yīng)用領(lǐng)域得到了發(fā)展。本文主要分析Femtocell的架構(gòu)，闡明創(chuàng)新的FPGA結(jié)構(gòu)如何在新興的Femtocell中起到重要的作用。
Femtocell的架構(gòu)
Femtocell是適合于家庭的小型基站，可支持單個(gè)家庭或少量用戶。人們正在構(gòu)想各種各樣的Femtocell部署方案，范圍覆蓋農(nóng)村、城市及郊區(qū)，這些基站仍被看作接入點(diǎn)基站(APBS)。Femtocell正在逐步成為無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)展的最終媒介，其原因如下：它們支持現(xiàn)有的3G手機(jī)；根據(jù)本地需求擴(kuò)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量；CAPEX成本轉(zhuǎn)移至消費(fèi)者；消費(fèi)者把他們的Femtocell與家中的有線(電纜或光纖)連接，解決了回傳瓶頸問(wèn)題。 
圖1：Femtocel技術(shù)。
用簡(jiǎn)化的定義，很顯然，F(xiàn)emtocell基站必須具有與傳統(tǒng)基站同樣水準(zhǔn)的功能特性。此外，家庭被認(rèn)為是Femtocell理想的部署場(chǎng)所，因?yàn)檫@樣可以發(fā)揮出其增值特性，例如真正高質(zhì)量的語(yǔ)音、更快的數(shù)據(jù)和音樂(lè)下載中心，以及家庭內(nèi)部通信系統(tǒng)等。置于家中的基站還具有巨大的潛能，廣告商通過(guò)它可以向用戶家庭提供具有高度針對(duì)性的信息。所有這些因素都強(qiáng)調(diào)需要構(gòu)建靈活的Femtocell，特別是在最初的實(shí)施階段。
簡(jiǎn)化的Femtocell
家庭環(huán)境確實(shí)簡(jiǎn)化了Femtocell的一些特性需求，這為在器件級(jí)實(shí)現(xiàn)這些特性增加了一些選擇。首先，F(xiàn)emtocell只用于支持少量用戶，這大大減少了整個(gè)系統(tǒng)的處理需求；第二，它不像傳統(tǒng)基站需要支持快速行駛車輛上的終端用戶，F(xiàn)emtocell只需要支持居家范圍內(nèi)行走的用戶，這大大簡(jiǎn)化了用于尋找和支持他們的搜索算法。這兩個(gè)主要差別使得僅用為數(shù)不多的幾個(gè)芯片就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)Femtocell基站(見(jiàn)圖2)。 
圖2：簡(jiǎn)化的Femtocell框圖。
深入探討Femtocell
通過(guò)更深入地探討這一新的令人興奮的部署方案，可以迅速地揭示其復(fù)雜性，并了解為什么FPGA對(duì)其成功至關(guān)重要。首先要弄清楚的是，用戶采用的是哪種回傳技術(shù)(FTTx、Ethernet、ATM、DSL等)，以及這些回傳技術(shù)對(duì)Femtocell設(shè)計(jì)有何影響。第二，需要支持什么樣的空中接口？盡管這里所討論的主要是針對(duì)WCDMA/HSPA和CDMA/EV-DO，不過(guò)也需要考慮支持目前廣泛應(yīng)用的GSM技術(shù)。如果WiMax和Wi-Fi Femtocell設(shè)計(jì)獲得成功，還需要支持這些標(biāo)準(zhǔn)嗎？同時(shí)，在家中安裝這種基站還存在一些需要解決的問(wèn)題，如安全性、訪問(wèn)控制、宏單元的沖突，遞交與分發(fā)。所有這些問(wèn)題都再次表明，需要構(gòu)建靈活的Femtocell架構(gòu)。
Femtocell的成本壓力
要在每個(gè)家庭普及這種Femtocell基站必然要面臨成本最小化的壓力。目標(biāo)價(jià)格為100~200美元的Femtocell基站正處于論證中，這一價(jià)格區(qū)間遠(yuǎn)低于當(dāng)今具有完備特性的旗艦級(jí)FPGA的成本。
幸運(yùn)的是，這一相對(duì)較新的基站架構(gòu)出現(xiàn)之時(shí)，正是低成本FPGA普及程度得到迅速發(fā)展的階段，已經(jīng)占據(jù)整個(gè)市場(chǎng)的大約25%。FPGA供應(yīng)商已開(kāi)發(fā)出擁有嵌入式特性的低成本FPGA，例如DSP塊、嵌入式存儲(chǔ)器和高速SERDES，只需要高端FPGA的一小部分成本便可實(shí)現(xiàn)無(wú)線基帶處理的性能需求。
傳統(tǒng)的DSP/FPGA處理
多年來(lái)在無(wú)線應(yīng)用方面，F(xiàn)PGA和DSP是協(xié)處理伙伴。隨著低成本、性能豐富的FPGA和專用于無(wú)線應(yīng)用開(kāi)發(fā)的處理器的出現(xiàn)，對(duì)預(yù)期的大批量Femtocell應(yīng)用，這個(gè)協(xié)作關(guān)系仍然成立。這些經(jīng)過(guò)相應(yīng)簡(jiǎn)化的處理器可支持小型基站相應(yīng)比較少的功能需求，與高集成度的處理器相比，這些處理器大大減少了成本。表所示是處理器和FPGA之間的一些性能差異。
處理器和FPGA之間的一些性能差異。
在構(gòu)建傳統(tǒng)無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，表中所述的許多功能從FPGA和通信處理器移到ASIC，這種做法延續(xù)了多年，在最初實(shí)施的時(shí)候沒(méi)有ASIC是十分普遍的現(xiàn)象。預(yù)期Femtocell的早期部署將會(huì)遵循相同的歷史路徑。因此，前面所述的若干ASIC的功能將用低成本FPGA或者專門(mén)的通信處理器實(shí)現(xiàn)。
例如，基帶碼片率處理可以進(jìn)行分割，以至于RAKE接收機(jī)、RACH檢測(cè)器、展頻、加擾和通道加權(quán)/求和功能可以全部從處理器轉(zhuǎn)移到用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，針對(duì)硬件加速，像turbo解碼、調(diào)制和符號(hào)映射等碼片率處理功能也是可選的。像LatticeECP2M系列FPGA器件使得這種基于硬件的解決方案在單片、高集成度、低成本器件中得以實(shí)現(xiàn)，這使得提供具有嵌入式DSP、存儲(chǔ)塊和高速串行接口等多種傳統(tǒng)的高端功能成為可能，而在價(jià)格方面，可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者跟上Femtocell市場(chǎng)的價(jià)格變化。
基帶實(shí)現(xiàn)實(shí)例：RAKE接收機(jī)
在優(yōu)化無(wú)線通信信號(hào)接收質(zhì)量過(guò)程中，PAKE接收機(jī)是一個(gè)很關(guān)鍵的因素，特別是當(dāng)它與W-CDMA/UMTS相關(guān)時(shí)。在室外環(huán)境，必須處理多徑干擾和衰減，RAKE中需要增加更多的耙指，通過(guò)更復(fù)雜的Rx電路來(lái)保證通話質(zhì)量。相比之下，對(duì)于Femtocell來(lái)說(shuō)，居家環(huán)境中比較確定的移動(dòng)性意味著可以簡(jiǎn)化掉這些需求。那么，在實(shí)現(xiàn)這些特性時(shí)在器件層面產(chǎn)生了多個(gè)選擇?？梢钥紤]的多個(gè)架構(gòu)選項(xiàng)之一是減少RAKE接收機(jī)中所需耙指的數(shù)量，這樣簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，更重要的成本會(huì)更低。關(guān)于在給定的Femtocell環(huán)境中，有關(guān)耙指數(shù)量的討論正在進(jìn)行中，這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了靈活、低成本的硬件實(shí)現(xiàn)方案的重要性。
最大速率組合(MRC)是一個(gè)普通的RAKE接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方案，它聚集了來(lái)自不同路徑的信號(hào)能量。這個(gè)信息用于決定應(yīng)該分配給特定用戶的耙指數(shù)量，并用于計(jì)算初始延遲或耙指偏移。每個(gè)耙指作為一個(gè)相關(guān)器，加權(quán)，乘以耙指輸出，然后組合為MRC輸出。MRC功能及其在FPGA中的實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。
圖3：RAKE接收機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)例。
可編程技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
主要無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商很清楚ASIC、單片ASSP和FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于包含一些新興規(guī)范的應(yīng)用，或者需要定制邏輯時(shí)，可編程性對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是必需的?？删幊绦詭椭到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出可以混合供應(yīng)商的特殊邏輯并能提供多區(qū)域解決方案的單個(gè)硬件平臺(tái)。
作為支持主流無(wú)線手持設(shè)備的小型基站，F(xiàn)emtocell需要支持3G及其它版本(HSDPA/自適應(yīng)天線/MUD/PA線性化)，以及4G技術(shù)。此外，F(xiàn)emtocell將增加一些可發(fā)揮居家環(huán)境優(yōu)勢(shì)的獨(dú)特的增值特性，對(duì)世界上某些區(qū)域，其中一些特性是特定的，仍需做出定義。
當(dāng)基于有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的CPE匯聚于相鄰的Femtocell時(shí)，還應(yīng)明白以太網(wǎng)在Femtocell回傳中扮演了重要的角色。因此，選擇FPGA時(shí)的一個(gè)重要考慮是要具有片上嵌入式高速以太網(wǎng)接口。
最重要的是，運(yùn)營(yíng)商已聲稱Femtocell要獲得成功一定要滿足特定的成本目標(biāo)。低成本FPGA現(xiàn)在能提供Femtocell必需的SERDES、可編程邏輯和DSP功能，并能達(dá)到先前高端FPGA或ASSP/FPGA組合未能達(dá)到價(jià)格水平。這些低成本的FPGA兼具DSP塊、嵌入式存儲(chǔ)器和SERDES等嵌入式特性與可編程邏輯，這些新型低成本器件與專門(mén)的處理器相結(jié)合，對(duì)實(shí)現(xiàn)Femtocell來(lái)說(shuō)是一個(gè)頗具吸引力的解決方案。
本文小結(jié)
隨著技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線設(shè)備供應(yīng)商依賴FPGA實(shí)現(xiàn)了多種功能。在這激動(dòng)人心的發(fā)展過(guò)程中，F(xiàn)emtocell代表了又一個(gè)臺(tái)階，它也是無(wú)線技術(shù)革命的又一實(shí)例，在其最初的實(shí)施階段充分利用了當(dāng)今低成本FPGA所提供的靈活性。這些優(yōu)點(diǎn)包括快速的產(chǎn)品上市時(shí)間，在不修改硬件的情況下適應(yīng)規(guī)范的改變，靈活實(shí)現(xiàn)各種特性并將多種功能集成到一塊芯片上，同時(shí)其成本仍支持大批量、低成本的實(shí)施。
評(píng)論