序言
無線技術的持續演進發展、全球無線用戶的激增，以及市場對更強大數據承載能力的需求，全面催生了各種新標準的不斷涌現，如寬帶碼分多址 － 高速分組接入(WCDMA-HSPA)、WCDMA-HSPA+ 以及長期演進技術 (LTE) 等。基于無線服務網絡的數據使用呈指數級增長，從而進一步推動了異構網絡的出現 —— 支持宏蜂窩基站和小型蜂窩基站的分層網絡部署方案。
隨著 LTE 部署成為現實，運營商紛紛熱衷于采用可持續降低網絡成本、同時還能維持并提升服務質量的“片上系統”(SoC) 架構。要支持向 LTE 的成功過渡，需要在數字信號處理器 (DSP) 的設計方面實現一系列技術創新。德州儀器(TI) 名為“KeyStone”的多內核 SoC 架構不僅功能強大而且極富創新性，能夠有效支持 WCDMA 與 LTE，進而降低成本。KeyStone 多內核架構可實現具有專用 WCDMA與 LTE加速器的、名符其實的多標準（LET、WCDMA）解決方案。本白皮書全面闡述了TI KeyStone 多內核架構如何在LTE 基站上實現第二層網絡和傳輸處理。
隨著全球無線用戶數量的激增，無線技術也在持續實現演進發展。移動數據使用量的新近增長、層出不窮的新應用以及互通互連的生活方式，都需要移動網絡提供強大的支持。對無線寬帶服務不斷增長的需求促使 3GPP 定義可同時為運營商和終端用戶帶來諸多優勢的 LTE 技術解決方案，，如不僅能提高容量、降低網絡復雜性、降低開發與運營成本，而且最終還能顯著提升用戶體驗。
名為演進型 UMTS 陸地無線電廣播接入網絡(E-UTRAN) 的 LTE 無線電廣播接入網絡支持基于共享分組通道的移動寬帶服務。這種方案不僅能夠提高頻譜效率和區段容量，同時還能縮短用戶層的時延。以演進型分組內核(EPC) 著稱的LTE 核心網絡，采用平坦型純 IP 架構演進支持 E-UTRAN。借助平坦型 IP 架構，運營商不但能夠減少資本支出的網絡組件數，同時還能縮短系統時延以支持最新應用，并演進支持無線電廣播接入與核心網絡。
LTE 可支持靈活的通道帶寬(1.2-20 MHz) 以及頻分雙工(FDD) 與時分雙工(TDD) ，以實現 LTE 系統的靈活部署。LTE 可為每一個 20 MHz 頻譜提供 100Mbps 的下行和 50Mbps 的上行速率。通過采用多天線信號處理技術，LTE 能夠提供甚至更高的數據傳輸速率——下行高達 326.4 Mbps。
根據 Dell'Oro Group 調查顯示，全球移動用戶數有望從 2009 年的 48 億增至 2014 年的 72 億。這些用戶將進一步推動對更高數據速率的需求，從而導致數據流量的激增。集頻譜效率高、通道帶寬靈活性高與資本節約更顯著（因其采用平坦型純 IP 架構）等數大優勢于一身的 LTE 將推進運營商部署 LTE 網絡。
2009 年到 2010 年間，對LTE 的大規模試用與部署在全球范圍內廣泛展開。有 25 家頂級運營商承諾部署 LTE 系統，LTE 將呈現迅猛增長態勢。北美地區的主要運營商將在 2010年 － 2011 年期間開始 LTE E-UTRAN NodeB (eNodeB) 的部署，但是 LTE 的市場增長將在 2012 年迎來新的轉折點，到時候歐洲和中國的運營商也將開始部署 LTE。根據 Dell'O Group 的預測，到 2014 年年底，這一增長將使全球范圍內的 LTE 用戶數量突破 1 億大關。
圖1 展示了包含名為 eNodeBs 基站的 E-UTRAN 架構。eNodeBs 可提供針對用戶設備（UE，移動）的用戶層與控制層協議終端(Uu) ，以及針對核心網絡的傳輸終端(Iu)。
eNodeBs 不僅可通過 X2 接口相互連接，而且也可通過 S1 接口連接至核心網絡 EPC，更確切地說還可通過 S1-MME 與移動管理實體(MME) 連接，以及通過 S1-U 接口與服務網關(S-GW) 連接。
LTE 協議架構
eNodeB 協議結構包含兩個主要層：無線電廣播網絡層與傳輸網絡層。在無線電廣播網絡層可以實現無線電廣播接口功能，而在傳輸網絡層則可實現標準的傳輸功能（例如以太網）。可在如下三個協議層中實施無線電廣播接口：物理層（L1，PHY）；數據鏈路層(L2)；以及網絡層(L3)，以向UE 提供用戶層與控制層協議終端(Uu)。傳輸接口可提供針對核心網絡的隧道協議終端(Iu)。
圖. 1 – E-UTRAN 架構
L2 處理
L2 又被進一步細分為媒體接入控制 (MAC)、無線電廣播鏈接控制 (RLC) 以及分組數據匯聚協議 (PDCP) 三個子層。圖 2 與圖 3 對 L2 子層的服務與功能進行了描述。
圖2– L2 架構（下行）
圖3 – L2 架構（上行）
MAC 子層負責將同一傳輸通道上的多個邏輯通道（無線電廣播承載）多路復用至一個或多個邏輯通道，并將傳輸通道上 PHY (L1) 中的MAC 服務數據單元(SDU) 解多路復用至一個或多個邏輯通道。此外 MAC 子層還負責動態調度活動，包括在某個 UE 的邏輯通道之間以及在 UE 之間進行優先處理。
MAC 子層的其他功能包括，通過混合自動中繼請求(HARQ) 進行糾錯、傳輸格式選擇以及填充等功能。L3 的無線電廣播資源控制(RRC) 子層可控制 MAC 子層的配置。
RLC 子層的功能包括協議數據單元(PDU) 傳輸、通過 ARQ 糾錯、RLC SDU 的級聯/分段/重組、重復檢測以及協議錯誤檢測等。L3 的 RRC 子層可控制 RLC 子層的配置。配置后的 RLC 實體能夠以下列三種模式之一來執行數據傳輸：透明模式(TM)、非確認模式(UM) 以及確認模式(AM)。
PDCP 子層的功能包括：通過性能穩定的報頭壓縮(RoHC) 進行報頭壓縮/解壓縮，用戶層與控制層數據傳輸，用戶層和控制層數據的加密與解密，控制層數據的完整性保護與完整性驗證。
傳輸/回程處理
eNodeB 上的傳輸/回程協議棧可實現與核心網絡的通信。eNodeB 可提供與EPC（MME 與S-GW）接口相連的S1 接口，以及與另一eNodeB 接口相連的X2 接口。圖4 和圖5 對S1 用戶層與S1 控制層的協議棧進行了概括性描述。
圖4 – S1 用戶層
圖5 – 控制層
傳輸協議棧能夠為回程（IPSec 隧道）的用戶層數據提供安全終端(GTP-U)，同時為回程(SCTP) 的控制層數據提供 S1-AP/X2-AP 終端。
TI KeyStone架構
向 LTE 的升級給基站廠商及其供應商帶來了全新的挑戰，他們需要在基站中實現更高的吞吐量、更高的性能及更大靈活性。同樣，LTE 也給基站廠商及供應商帶來了觀念上的轉變，實現高頻譜效率需要更為復雜的數據處理與調度。
數據層處理要求低時延和高吞吐量，同時調度還需具備動態與通道感知功能。支持 LTE 需要在基站的系統設計方面實現大量技術創新。運營商也紛紛對可持續降低其網絡成本的 SoC 架構青睞有加。
TI 名為“KeyStone”的多內核SoC 架構不僅功能強大而且極富創新性，從而使基站廠商能夠從LTE 等最新技術中顯著受益。該架構具備的眾多關鍵組件不僅可支持新的LTE 功能，同時也可用于提升WCDMA 等現有無線技術的性價比。圖6 對KeyStone 架構進行了說明。
圖 6 – KeyStone 多內核架構
TI KeyStone多內核架構擁有高度的靈活性，可同時集成定點與浮點運算、定向協處理與硬件加速，以及優化的內核間/組件間通信。此架構包括多個 C66x DSP 內核，能夠支持高達 256 GMAC 的定點運算性能以及 128GFLOP 的浮點運算性能。另外，此架構還包括綜合而全面的連接功能層：TeraNet2 能夠與各種處理組件無縫互連；多內核共享內存控制器能直接接入片上共享存儲器與外部第三代雙倍數據速率 (DDR3) 存儲器；多內核導航器可助于管理整個 SoC 架構的通信；以及 HyperLink 50 可與額外的協處理器或其他 TI SoC 等同伴器件實現互通互連。部分此類關鍵處理組件可在 TI SoC 上實現 LTE L2 與傳輸處理。
網絡協處理器
網絡協處理器是一款硬件加速器，能夠減輕 DSP 內核處理往返于核心網絡的以太網分組的工作量。網絡協處理器包含 6 個微精簡指令集計算 (µRISC) 內核，可加速自主的分組對分組處理。網絡協處理器中的硬件模塊 —— 分組加速器與安全加速器可在傳輸網絡層以及深層無線電廣播網絡層實現快速通道處理。
網絡協處理器在 LTE 傳輸/回程側的功能特性包括：以太網/IP/包絡安全有效負載 (ESP)/用戶數據報協議 (UDP) 報頭處理；循環冗余校驗 (CRC) 驗證與生成；IPSec 檢測、認證、加密與解密；通用路由包絡 (GRE) 隧道；基于 IPv4/6、傳輸控制協議 (TCP)/UDP、SCTP 端口或 GTP-U 隧道數據包的分類與路由；以及，基于 GTP-U 的服務質量。
在無線電廣播端，網絡協處理器可支持基于特定配置文件匹配（例如根據【RFC】4995 批注請求的未壓縮大型數據包）與 3GPP 空中加密與解密的 RoHC。網絡協處理器支持每秒 150 萬個數據包（1Gbps 以太網線速）的處理速度，帶相關安全上下文高速緩存的 64 條獨立 IPSec 隧道，安全上下文在主存儲器中的 8,192 條 IPSec 隧道，以及 8,192 個 GTP-U 隧道 ID 查詢條目。
多內核導航器
多內核導航器使用一套隊列管理器子系統與數據包直接存儲器存取 (DMA) 子系統來控制與實施設備內的高速數據包移動，從而能夠顯著降低設備 DSP 的傳統內部通信負載，進而提高整體系統性能。多內核導航器采用零復制方案在所有層進行數據處理優化。多內核導航器還支持分類與排序、多內核訪問存儲、存儲器管理、分段與重組以及跨多個內核或器件進行交付。
隊列管理器子系統包含 8,192 個硬件隊列，負責加速數據包隊列的管理。在隊列管理器模塊的特定存儲器映射位置中寫入 32 位描述符地址，即可將數據包添加至數據包隊列。可通過讀取特定隊列相同地址來解除隊列。
數據包 DMA 子系統包含 6 個數據包DMA，能夠在 Serial RapidIO ® (SRIO)、第二代空中接口 (AIF2) 以及數據包加速器等器件中為管理數據包緩沖器的基礎局端提供其它子系統。數據包 DMA是一個其數據目的地由一個目的地與自由描述符隊列索引（而非絕對存儲器地址）來決定的DMA。
快速通道處理與零復制方案
本部分探討了如何使用 TI KeyStone 架構的關鍵處理組件來加速 LTE L2 網絡與傳輸處理。上面介紹過的關鍵處理組件與 LTE L2 網絡及傳輸處理功能相關。這些組件實現的快速通道處理與零復制方案對于使用 LTE 實現低時延與高吞吐量性能非常重要。
傳輸層處理
圖 7 說明了如何使用網絡協處理器來加速 LTE 傳輸層的處理。
在核心網絡端，數據包既可以通過具有內置串行千兆介質獨立接口 (SGMII) 的千兆以太網接口也可以通過 SRIO 接口進入網絡協處理器。數據包報頭首先經過檢驗和驗證（例如以太網 MAC 地址），然后被傳輸至 IPSec 終端。經過 IPSec 終端后，網絡協處理器可檢驗內部報頭是否與 GTP-U/UDP/IP 相匹配。隨即執行 32 位 GTP-U ID 值的查找，并使用關聯的 QoS 與無線電廣播承載隊列 (RBQ) 對進入的數據包進行分類。
RoHC 硬件可尋找描述匹配。可將數據包路由至軟件RoHC處理（例如支持 RTP/UDP/IP報頭壓縮的 VoIP 數據包），或在經過 RoHC 硬件模塊（例如根據 RFC4995 規定的未壓縮大型數據包）執行最基本的“全硬件”處理后直接對 3GPP 進行加密。如果需要進行軟件 RoHC 處理，在報頭壓縮后，RoHC SW 模塊將數據包返回至網絡協處理器進行 3GPP 空中加密。加密后，數據包被路由至相關的無線廣播承載硬件隊列，并在其中根據用于相似 QoS 數據包的算法來進行調度。向 RLC/MAC 模塊交付調度授權后，其根據需要從 RBQ 彈出的數據包可將這些授權傳遞至 RLC/MAC 協議棧，并根據所授權的長度創建 MAC PDU。
總之，網絡協處理器可創建全加速的自主快速通道處理，在大多數情況下可完全終止 S1-U/X2 用戶層處理并為軟件運行交付已分類的 RLC SDU。
L2 數據層處理
多內核導航器可為 LTE L2 數據（用戶）層處理提供數據包基礎局端。數據包基礎局端可減輕從 DSP 分類的工作量，從而為零復制操作提供硬件，并為分段與重組提供硬件輔助。二者結合起來即可大幅加速 LTE L2 數據層的處理，以獲得低時延、高吞吐量性能。
借助多內核導航器，系統中的所有數據包都能夠滿足數據包DMA 接口規范要求。數據包通常以圖 8 中的主機類型數據包格式表示，其可實現靈活的存儲器使用模式。在這種格式下，數據包通過鏈路緩沖器描述符 (BD) 來表述。我們將第一個 BD被稱為數據包描述符 (PD)。BD 具有指向儲存數據包有效負載的數據包緩沖器指針。隊列管理器可與 PD 協同工作。
圖 8 –主機類型的數據包格式
隊列管理器可在其內部隨機訪問存儲器 (RAM) 中維護數據包鏈路信息，從而為實現超高效率的數據包壓入與彈出提供簡單的軟件應用編程接口 (API)。此外，其還可以確保隊列所有訪問的多核原子性，從而將多核軟件從門控與保護邏輯中釋放出來。為了實現基于演進數據包系統 (EPS) QoS 的無線電廣播承載服務架構目標，相似服務等級的無線電廣播承載都要以硬件隊列集的形式出現。
零復制 RLC/MAC 概念充分利用數據有效負載無需在 PHY 編碼器/解碼器的 PDCP 加密（解密）與 CRC 生成（或校驗）之間進行處理的這一原理。RLC 與 MAC 子層需要對數據包進行匯聚/解匯聚、分段/解分段、多路復用/解多路復用，并需添加/移除控制信息與報頭。想要在無需觸及有效負載數據（零復制）的情況下實現這一點可節約多達 90-95% 的處理周期時間。因此，有效負載數據駐留在 DDR 中，而且 L2 DSP 核心軟件是不可觸及的。
圖 9 – 下行數據流示例
例如，在下行方向，網絡協處理器數據包 DMA 進程負責對數據包進行接收、分段與分配。RLC/MAC 軟件可在數據包描述符上運行且無需訪問數據包有效負載。其構建的 MAC PDU 可被 SRIO 數據包 DMA 發出并反向重組成相鄰的存儲器。
RLC/MAC 軟件使用數據包 API 庫在數據包內運行。該軟件可在數據包鏈中移除/插入描述符，而且還能執行數據包合并/分離操作。在需要額外報頭時才用得上新的描述符。圖 9 以在網絡協處理器中執行 PDCP (RoHC) 等所有快速通道處理為假定條件，對下行數據流進行了總結。
我們將所有指向預分配固定容量數據緩沖器的 BD 鏈接在一起，并將其放置在下行 (DL) 自由隊列中。有多個自由隊列，每一個隊列都對應一個固定容量的緩沖器。當來自網絡協處理器的數據包到達后，網絡協處理器中的數據包 DMA 即從 DL 自由隊列中拉取 BD，然后根據 GTP-U ID/RBQ ID 映射對其進行初始化和構建 PD，并將 PD 壓入 RBQ。DL 調度程序制定分配決策，并向 RLC/MAC 進程發布分配授權。
RLC 與 MAC 根據需要彈出授權的 RBQ，然后將 PD 路由至 RLC 與MAC 隊列。可能對數據包分段，之后統一進行多路復用并為其添加報頭。數據包被保留在 RLC AM 重傳隊列中，同時對這些數據包克隆的復制版本（新的 PD 指向同一緩沖器）會向下流至可創建 MAC PDU 的協議棧。當傳輸就緒時，數據包（用于已分配 UE 的 MAC PDU）在硬件 DL PHY 隊列中排隊。SRIO 中的數據包 DMA 從 DL PHY 隊列獲取數據包，然后將它們傳輸至 LTE PHY 設備。傳輸開始后，數據包進入 HARQ 重傳隊列，并且在成功交付后返回到 DL 自由隊列中。
調度層
對于調度層，制定無線電廣播資源的分配時需將瞬時通道條件、流量條件以及 QoS 等要求納入考慮范圍。因為通道與流量條件因時間和頻率的不同會有很大差異，因此能否實現高效的帶寬利用率很大程度上取決于調度程序選擇最佳可能用戶（單個用戶或用戶對）的能力。
典型的調度算法可為單個或多個用戶模式構建一組調度假定方案。調度程序然后根據鏈路的自適應性為每種假定計算中標率。最終，調度程序選出最佳假定方案并用以指導通道分配。
調度算法的復雜性是由單個調度假定的計算成本以及需檢查的假定數目來決定的。信號處理密度型調度是一種高效率的動態的通道感知型調度。上行端的 FDD/TDD 調度程序需要計算足夠大的一套假定方案才能維持單個或多個用戶模式的調度增益；同時，帶下行鏈路波束成形 (downlink beam foaming) 的 TDD 調度程序要求的假定方案可假定定向傳輸與特征值分解 (EVD) 計算。KeyStone 架構中的 C66x DSP 內核可支持專業的定點與浮點指令，可實現高效的 EVD 計算，如矩陣相乘、矩陣求逆以及大量用戶（數以百計甚至數以千計）的高效搜索與篩選。圖 10 提供了由 TI 仿真工具生成的調度程序可視化示例。此例使用 100 個無線電廣播資源模塊，每個傳輸時間間隔（TTI，1 毫秒）可生成 20 個分配授權。頻譜的較低位部分可用于半持續性語音流量，而較高位部分則用于特定的數據流量。
圖 10 – 調度程序可視化示例
結論
TI KeyStone 多內核 SoC 架構可提供一個低時延、高吞吐量的低成本高效率平臺，可支持適用于宏與小型蜂窩 eNodeB 系統的真正多標準 （LTE、WCDMA）解決方案。高吞吐量硬件加速器與數據包基礎局端加速可實現靈活且可擴展的 LTE 部署，同時還能最大限度地縮短 LTE 系統所需的時延。在同一 DSP 中集成定點與浮點技術可實現優化的矩陣處理最，以滿足 LTE要求的調度效率。
根據對宏 LTE 系統的解決方案分析，由于采用KeyStone 多內核架構實現快速通道與零復制處理，可以將 20 MHz、2x2 多重輸入多重輸出 (MIMO) 以及 105 Mbps 下行與 52Mbps 上行數據率－ L2 數據－以及傳輸層系統開銷降低10 到 15 倍。借助針對 LTE 調度程序運行而優化的 C66x DSP 定點與浮點指令，還可以使用更多高級調度算法，從而將頻譜利用率提高 20%。
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