白皮書
作者：Zhihong Lin
戰略市場營銷經理
無線基站基礎設施
德州儀器

介紹

在隨時隨地連接至任何設備需求的推動下，無線移動技術正逐漸成為個人通信及企業通信的主流。智能手機和平板電腦的風靡，以及從因特網向移動設備下載視頻量的陡增，不斷刺激著移動數據通信以風馳電掣的速度發展。滿足這種移動通信的爆發性需求將為新一代移動基礎設施帶來巨大挑戰，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，同時又要顯著降低功耗，達到當前“綠色環保”的目的。

迄今為止，無線網絡多為同構，主要采用大型宏蜂窩基站。未來的蜂窩基礎設施將變為異構。雖然宏蜂窩將仍然是蜂窩網絡的組成部分，但更小的蜂窩也將在基礎設施中得到普及。最終無線基礎設施的用戶體驗將更趨云化。這種環境現已稱為云無線接入網絡，又稱 C-RAN[1]。

在為全球逾 200 家無線服務提供商及運營商成功提供宏基站數字基帶部署的過去20年成功經驗基礎之上，德州儀器 (TI) 百尺竿頭更進一步，推出新一代 KeyStone II 架構，為未來異構“綠色環保”無線網絡實現高度集成的可擴展型低功耗解決方案。

異構網絡

雖然移動數據使用呈指數級上升，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營商成本。在未來異構網絡中，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。這種異構網絡要取得成功必須具有低成本優勢，幫助運營商在維持或提高盈利能力的同時還可輕松高效地升級網絡，滿足不斷增長的數據通信需求。其它影響運營商利潤的因素還有為適應未來技術演進而進行的可擴展開放平臺的部署，其將有效產生可帶來新收入的業務。

運營商實現低成本移動連接的又一途徑是升級現有無線接入技術，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) 及蜂窩站點基礎設施實現更高的頻率效率。此外，采用更簡單的網絡架構與更高的頻譜效率部署 LTE/LTE-A 網絡，也能為致力于滿足定戶需求的運營商帶來優勢。這些變革將要求基礎設施硬件能夠支持多重 2G/3G/4G 無線接入標準。反之，這也將簡化各代技術之間的升級。

僅由宏蜂窩構成的同構網絡要滿足不斷增長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網絡總體性能，如下頁圖 1 所示。如果運營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，則在異構網絡中混合使用多種尺寸的蜂窩會非常容易。當然小型蜂窩會增加網絡中基站的數量，但它們也有改善基礎設施整體能源效率的潛力。如果運營商部署的基站設備可共享一個低功耗高性能的可擴展架構，在各種網絡元素中實現軟硬件設計的重復使用，實現上述目標就會更加高效。總之，這些因素有助于運營商在管理資本支出 (CAPEX) 與運營支出 (OPEX) 的同時進行擴容。

此外，基于開放式平臺理念的基站設備還可為運營商新增能產生新收入流的創新業務奠定堅實基礎。因此，該設備也必須采用能夠使用高級軟件開發技術進行編程的高靈活智能硬件，以便為運營商設備投資實現最大回報。為實現這一目標，方法之一即是為運營商開發的應用在多內核片上系統 (SoC) 上預留一個或兩個內核。另一種方法則是實施可在開放式平臺上支持高靈活多內核編程模型的應用。


圖 1：異構網絡拓撲

KeyStone II 多內核架構

TI KeyStone II 高級多內核架構的創建是為了應對異構網絡挑戰。作為一款多內核架構，其可實現支持小型蜂窩至宏蜂窩的無線網絡解決方案。KeyStone II 是首款移動基礎設施處理器，集成四個 ARM® Cortex™-A15 內核的群集，與傳統精簡指令集計算 (RISC) 內核相比，可在提供高性能的同時功耗銳降 50%。這是未來綠色環保網絡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網絡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，減少時延。KeyStone II 架構經擴展，可將其支持的 32 個內核配置為高速緩存一致性 ARM A15 群集（一個群集四個內核）與 TMS320C66x DSP 內核的任意組合。另外，KeyStone II 中的多內核導航器改進后，支持 1.6 萬個硬件隊列以及 100 萬個描述符，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

可為訪問外部存儲器提供低時延。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。這些創新技術綜合在一起，可為異構網絡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 架構支持多種無線電標準，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 等的同時執行。該架構的符號速率無線協處理器包含 WCDMA 發送 (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 協處理器執行。KeyStone II 中包含的比特率無線協處理器（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、相關器與維特比解碼器。這些硬件加速器能夠提供與 100 多個 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 中實現空間與成本差異化的同時，確保低時延處理功能。KeyStone II 的數字無線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品提升 1 倍。KeyStone II 在與 ARM® A15 4 通道 CorePac 相結合時，能夠在單芯片上實現具有多個網絡 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，內部互聯帶寬增大 3 倍，數據路徑（256 比特）提升 1 倍，時鐘速率提高 1 倍。

KeyStone II 可實施支持大型片上存儲器的智能芯片架構，包括每個 C66x DSP 內核的專用 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 及協處理器中。總體而言，KeyStone II 的片上存儲器可提供高性能應用所需的快速訪問與高吞吐量。該片上存儲器支持極低的處理時延，這對實現無線運營商追求的更高質量移動用戶體驗至關重要。

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問有關的時延，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。這意味著各處理單元能在近乎滿負載下運行。由于內核不會因等待需要處理的數據而處于空閑狀態，因此不會浪費處理周期。多內核導航器改進后，支持 1.6 萬個硬件隊列，可為支持調度與負載均衡提供 8 個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，實現最大的多內核效率。此外，這些改進還有助于簡化軟件升級，加速業務添加，充分滿足新一代異構移動網絡運營商的需求。

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。該超鏈接無需更多的復雜協議轉碼，即可實現芯片間的無縫互連。相鄰器件可通過快速高效的擴展存儲器映射機制輕松進行訪問。另外，可配置為交換機的 6 鏈路天線接口 (AIF2) 不但可連接至遠程射頻頭，而且還可根據網絡拓撲的要求提供天線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制。與網絡協處理器及 ARM 子系統相配合的，是作為 4 端口交換機實施的 4 條外部以太網鏈路，其可提供全功能網絡處理能力。將這些功能與 KeyStone II 器件集成，無需采用高功耗外部網絡處理器及以太網交換機。這也可同時降低系統 BOM 成本與功耗。




圖 3：KeyStone II 支持異構網絡

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 所示其它異構網絡單元的需求。

綠色環保基站

近期中國移動公布的運營數據表明，無線基站消耗的電力中僅有半數是無線接入網絡 (RAN)基站消耗的，其余一半由空調 ^[2]消耗。由于異構網絡將主要由大量小型蜂窩基站構成，因而運營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，每個子系統都有自己的時鐘域與電源域，因此在空閑或者低流量條件下可有效關閉系統分區。每個存儲器子系統都有“保持直至接入”(RTA) 功能，可顯著降低存儲器功耗。KeyStone II 的可擴展電源域采用 TI SmartRefl ex™ 技術，支持動態電壓及頻率擴展 (DVSF) 功能。這些可實現動態電壓擴展，在實際輸入電壓最低時，也能實現最高性能。綜合使用這些智能電源技術，可將 SoC 功耗銳降 50%，為基站設計刷新電源效率。

基于 KeyStone II 架構的多個器件可通過超鏈接連接在一起，組成多內核 SoC 庫實現宏基站或云 RAN 目的。為快速適應不同的流量及應用條件，進而降低靜態及動態功耗，庫配置中的多個器件可采用不同的智能電源管理技術在不同的節能模式下運行。每個器件都可在工作、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。在待機模式下，內核處于空閑狀態，而大多數加速器則處

于時鐘禁用狀態。L2、MSMC 和 DDR3 存儲器以及以太網子系統處于工作狀態，以實現高速流量恢復。從待機模式喚醒的典型時長不超過 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，內核處于靜態電源關閉狀態，所有 IP 處于電源關閉或者時鐘門控狀態，只有 MSMC 處于工作狀態。由于之前的系統狀態可以保存在 MSMC 中供快速恢復，因此從休眠模式喚醒的典型時長不超過 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：低流量狀態下的 KeyStone II 庫節電模式

結論

與上一代現場驗證 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，可應用于未來將主導無線產業的異構網絡中的每一個網絡單元。基于 TI SmartRefl ex 電源管理技術的高級電源性能可實現綠色環保基站，將為打造更健康的地球環境助一臂之力。KeyStone II 的多內核導航器提供高級多內核編程范式，不但能夠通過支持高可擴展性與重復使用性的創新技術提高開發效率，而且還可保持對常見多內核編程模型的兼容。隨著 KeyStone II 的推出，TI將繼續印證其一貫的承諾 —— 通過無與倫比的性能與功能集成為基站開發人員不斷實現創新。

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