FPGA为下一代无线应用提供灵活和低成本解决方案

上网时间: 2005年11月01日? 作者:AmitDhir? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:赛灵思? FPGA? 3G?

经过几年的承诺和产品发布,随着运营商们开始部署基于WCDMA/UMTS和CDMA20001x EVDO的无线网络,3G及相关技术的应用终于开始到来。同时,下一代无线技术如HSDPA/HSUPA、WiMax、TD-SCDMA等也正在创建中。作为FPGA厂商,赛灵思凭借其芯片技术能力和解决方案已从无线技术的幕后走到前台。

不断演进的网络

2005年,我们终于看到3G应用走向成熟,全球已有100多家蜂窝运营商正在应用商业W-CDMA和CDMA20001x EV-DO技术。还有其它几家运营商正在对3G技术进行尝试性试验。数据业务收入将继续增长,并将成为无线业务总收入中越来越重要的部分。为了支持未来面向数据的业务,包括高速互联网接入、无线VPN、流式视频点播(VoD)、无线会议、以及多人网络游戏等,无线行业正在积极制定和开发下一代高带宽、集成式移动语音和数据标准。负责GSM和W-CDMA/UMTS技术的3GPP联盟正在开发面向数据的高带宽移动技术,如HSDPA、HSUPA、CDMA20001x EV DV、OFDM等,以增强3GW-CDMA技术。这些增强技术被冠以各种名称,如3.5G、“超级3G(Super3G)”和4G等。另外,诸如WiMax、TD-SCDMA等技术也因成本、供应商利益、政治压力和载波动力学发展等原因而相继涌现。

一直以来,无线基站设计都是依靠ASIC技术,结合DSP和其他一些分立元件,来实现诸如射频、基带处理、传输网络接口和控制等架构特性和功能。日益增长的成本和技术挑战催生了另外一种替代方案,即采用立即可用的成品元件如FPGA等来实现。在可编程无线基站中,可以将FPGA完全作为ASIC的替代品,也可以将其插在ASIC或ASSP旁,用以支持新功能,而这种新功能若采用其他方式来增加,将无法及时或成本有效地实现。

广泛来说,不仅存在多种技术选择,而且出现多种系统演进方案。单元站大体可看作是一个通过高功率基站提供覆盖的很大的物理通信区域。它是一种需要大型发射塔和多个扇区的解决方案。但是这种方法对人口密集的地区和地下区域却不尽如意。因此业界正在将宏单元、微单元和微微单元(picocell)等终端技术融合起来。宏单元指最初基于大型基站的那种大片区域。微单元指位于屋顶上,功率相对较低的中等覆盖室外解决方案。2G/2.5G网络中大概5-10%的单元为微单元。未来的无线网络将包含创新发展,即微微单元--它是能提供低功率和高性能的接入点类型设备。它们可在楼宇或楼宇的特定部位提供无线覆盖,特别是底层或使用率较高的区域。它还会在我们迈向3.5G技术时鼓励消费者使用高带宽链接,推动固定无线集成。微微单元可降低构建基础设施和微单元站的成本。

基于下一代技术和网络的客户需求

尽管无线基站领域增长的市场条件已经成熟,但许多技术挑战仍然对增长形成阻碍,甚至导致增长停顿不前。当前和下一代无线基站面临的一些特定挑战有:

● 必须支持快速变化的无线标准

● 必须支持广范的无线数据业务

● 必须支持推动基于新兴串行I/O技术的商品化(CPRI、OBSAI、RapidIO等)

● 必须支持灵活的设计风格/特性,以包容地理差异(例如,基站的设计可以同时适合亚洲和美国)

● 支持《欧洲绿色倡议》(EuropeanGreenInitiative)和在日本以及以后可能将在美国推出的其他类似倡议

移动运营商在寻找既能服务客户又能提高盈利水平的方法时同样面临诸多挑战。服务提供商不但要面对提供新业务的挑战,还要必须确保业务高度可靠。为了解决不断下降的平均售价(ASP)问题并使支持成本降到最少,采用一种可以应用于广大地理区域且可满足一系列广泛要求的通用平台成为问题的关键。

采用高性能的、灵活的基站设计方法以应对所面临的这些挑战的需求显而易见。可编程技术由于其易用性好,能够支持最新的标准和现场升级,且NRE费用为零,因而是这一需求的理想解决方案。

随着技术和系统的演进,需要采用新的可编程方法来建构和设计基站。可编程方法具有很多重大优点,如成本降低、高性能、产品上市时间缩短、易于现场升级,以及可创建通用设计平台以解决ASP境况不断恶化等问题。除了这些优点之外,基于可编程的方法之所以比基于传统固定ASIC技术的方法更有吸引力,还有很多其他原因,包括:

● 显著的资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)节省,将大大加快对新基站部署和升级的投资回报(ROI)。

● Virtex-4系列在逻辑门、处理器、DSP48切片、IO等方面提供的性能具有无可匹敌的竞争力。

● 更快的面市时间,将提升蜂窝电话公司的市场份额和收益。

● 支持未来业务、不断变化的用户需求、标准和新兴技术的能力。例如对于增补3GPP版本6(HSUPA)或版本7或制定中的IEEE802.16e(移动WiMax)规范,采用可编程解决方案替代ASIC,移动运营商将无需增加新硬件应用成本就能够实现未来的修改。

● 具有对基站进行调整的能力,可改善通信的清晰度和可靠性,以及在不同地理区域、天气和受阻区域提供连续、广阔的通信覆盖。

赛灵思解决方案

赛灵思无线计划基于其Virtex-4多平台器件系列而构建,整合了大量参考设计、验证平台、知识产权(IP)和专门为无线基站架构和设计人员设计的软件工具。Virtex-4FPGA基于革命性的ASMBL(高级硅模组块)架构和先进的90nm三栅极氧化层(triple-oxide)技术,可为无线基站行业提供更多的选项、更高的性能和更低的功耗。Virtex-4系列具有最高每秒2560亿次乘加(MAC)运算的能力,可提供基带和射频模块设计中关键元件的可编程并行DSP处理。

Virtex-4SX具有比上一代FPGA高10倍以上的DSP性能成本比,独特的“微功耗”架构使功耗降低到每XtremeDSP切片只有23μW/MHz(典型值),因此是可编程DSP的理想协处理器。

目前,FPGA在无线基站中提供的解决方案包括:

● RF部分:振幅因数减小(CFR)、数字式上/下变频(DUC/DDC)、数字式预矫正(DPD)

● 基带部分:HSDPA、随机访问通道(RACH)、搜索器、3GPPTCC(快速卷积码)

● MAC/分组处理:流量管理

● 接口:OBSAIRP3-01、CPRI、SerialRapidIO、PCIExpress、PCI等

● 传输:PDH和SONET/SDH帧调节器/映射器、以太网MAC/PHY

赛灵思公司提供一整套开发工具和套件产品,如Xilinx System Generator for DSP以及用于嵌入式处理器调试的EDK。前者是一个开发和调试高性能DSP系统(如无线基站)的集成环境;后者可以将原来手工完成的步骤自动化,并利用硬件/软件调试过程来更快地发现和修正错误,从而加快了嵌入式开发的速度。

在无线基站设计中采用可编程解决方案并不是什么新概念。在全球现有的无线网络中,其应用已经存在多时,并已获得了巨大成功。通过远程升级,服务提供商可以大大延长基站的生命周期,同时避免成本高昂的上门服务和硬件开发需求。可以通过远程软件下载,对可编程器件重新编程,轻松实现修正错误、部署新业务以及调整系统性能。对于包含成千上万个基站的无线网络,显著的OPEX节省将使运营商大为受益,每个基站网络升级至少可节省1000万美元。

DDI Pocket就是这样一家深切体验到这些优点的公司。通过简单地下载新软件,它已对遍及全日本1,912个城市的160,000个基站组成的网络进行了升级。按每个上门服务升级节省300美元来计算,公司一次升级就有效节省了4800万美元。由于采用了FPGA技术,DDI Pocket公司不需要更换任何硬件或基础设施。公司不仅保护了其初始投资并成功地升级了系统,同时还保持了其在无线基站市场的竞争和盈利地位。DDIPocket公司持续进行远程升级的能力将赋予其在快速变化的无线基础设施市场中保持领先所需的优势。

正计划进行下一代基站部署的蜂窝电话公司面临的挑战有很多。在增加功能性以支持新业务、协议和不断变化的用户使用模式的同时,它们还必须寻找途径以降低“单位通道”成本。不断增长的成本压力和变化的标准促使很多移动运营商寻求传统固定ASIC设计方法之外的可行方案。基于可编程的设计为很多公司提供了它们正在努力寻找的方案。作为完全可编程解决方案的全球领导厂商,赛灵思公司在支持行业向可编程技术迈进方面责无旁贷。

作者:AmitDhir,赛灵思公司通信行业营销高级经理

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  • FPGA是什么
  • FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的使用非常灵活,同一片FPGA通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。FPGA在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。随着功耗和成本的进一步降低,FPGA还将进入更多的应用领域。

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