作者：Wai Shun Wong
賽靈思公司高級(jí)產(chǎn)品營銷經(jīng)理
waishun@xilinx.com
George Wang
賽靈思DSP 技術(shù)專家
hwang@xilinx.com

采用賽靈思 Zynq-7000 All ProgrammalbeSoC 能讓毫微微、微微以及其他小型蜂窩基站設(shè)計(jì)的集成度、靈活性和低功耗達(dá)到全新的高度。

小型蜂窩屬于低功率無線基站，運(yùn)行于授權(quán)頻譜范圍內(nèi)，并由移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商進(jìn)行管理。小型蜂窩基站的類型囊括毫微微(Femtocell)、微 微(Picocell)、
微蜂窩 (Microcell) 和多載波基站Metrocell)，覆蓋范圍從一百米到數(shù)百米不等。如今，小型蜂窩系統(tǒng)的電子核心組件包括 FPGA、DSP 器件以及網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)處理器，這些組件都要滿足不斷發(fā)展演進(jìn)的無線標(biāo)準(zhǔn)要求。然而，新一代小型蜂窩系統(tǒng)正在快速高度集成化，將以上這些元件集成到單個(gè)片上系統(tǒng)(SoC)
內(nèi)。

電信運(yùn)營商可利用小型蜂窩擴(kuò)大家庭、企業(yè)以及城市和鄉(xiāng)村公共場(chǎng)所的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和容量。無論在家還是單位，越來越多的客戶希望隨時(shí)隨地使用移動(dòng)電話，即便有固網(wǎng)的情況下也是如此。另外他們還希望覆蓋范圍能夠無處不在，并通過足夠的帶寬享受創(chuàng)新的移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)。
大部分而且是越來越多的數(shù)據(jù)使用都發(fā)生在室內(nèi)，但宏蜂窩在室內(nèi)的覆蓋效果卻很差。因此，小型蜂窩在彌補(bǔ)覆蓋范圍和容量需求方面能夠起到重要作用。小型蜂窩不僅能減少斷線次數(shù)，提高數(shù)據(jù)速率，改善最終用戶的使用體驗(yàn)，同時(shí)還能降低運(yùn)營商的資本支出和運(yùn)營支出，進(jìn)而減少場(chǎng)地租金、維護(hù)和用電成本。
賽靈思 Zynq®-7000 All Programmable SoC 將處理器的軟件可編程性與 FPGA 的硬件可編程性完美結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了無與倫比的系統(tǒng)性能、靈活性與可擴(kuò)展性，并在降低功耗、削減成本和加快上市進(jìn)程方面獲得了顯著的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。由于 Zynq SoC 同時(shí)具備軟 / 硬可編程功能，因此與傳統(tǒng)的 SoC 處理方案相比，能夠?yàn)榭蛻籼峁o與倫比的可編程功能和差異化能力。標(biāo)準(zhǔn) SoC 僅具有軟件可編程性，極大地限制了設(shè)計(jì)靈活性和差異化，而且不利于有效地適應(yīng)不斷發(fā)展演進(jìn)的無線標(biāo)準(zhǔn)。

ZYNQ SoC是 LTE小型蜂窩基站的理想選擇
Zynq SoC 的高性能可編程邏輯和 ARM 處理器可讓客戶打造出能夠滿足當(dāng)前及新一代無線設(shè)備不斷提高的傳輸帶寬需求的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可在 Zynq SoC 的處理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧，并觀察其運(yùn)行情況。如果太過緩慢，可利用 Vivado®設(shè)計(jì)套件高層次綜合 (HLS) 工具將代碼轉(zhuǎn)換為 Verilog
或 VHDL 格式，以便在 Zynq SoC 可編程邏輯中運(yùn)行。這樣可以將一些功能代碼的運(yùn)行速度提高 700 倍，同時(shí)釋放處理器以更快地執(zhí)行其他任務(wù)，從而提升整體系統(tǒng)性能。
很多小型蜂窩基站必須在無制冷風(fēng)扇的條件下運(yùn)行，因此對(duì)散熱提出了較高要求。Zynq SoC 的功耗極低，這樣不僅可在系統(tǒng)中避免使用風(fēng)扇，
而且也不必安裝昂貴的散熱片。賽靈思還提供用來提高功率放大器效率的無線 IP，這種 IP 有助于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步降低小型蜂窩基站的耗電量。異構(gòu)網(wǎng)路 (HetNet) 需要連接大量采用不同操作系統(tǒng)和協(xié)議的計(jì)算機(jī)和設(shè)備，為此，賽靈思推出了極富吸引力的 All Programmable 器件組合。這些產(chǎn)品具備最大的設(shè)計(jì)靈活性，僅單個(gè)可重配置器件即可滿足 HetNet 的多標(biāo)準(zhǔn)與多頻帶需求。無論客戶設(shè)計(jì)的是小型蜂窩還是傳統(tǒng)的宏蜂窩架構(gòu)，都可以找到合適的賽靈思器件。賽靈思的 Zynq SoC 器件相對(duì)于任何其他器件而言，能夠提供更高的系統(tǒng)集成度，因此特別適用于小型蜂窩 HetNet系統(tǒng)。雙核 ARM®
 Cortex™-A9 處理器能夠?qū)崟r(shí)處理任務(wù)。其中的一個(gè)Cortex-A9 處理器運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并負(fù)責(zé)處理 L1 控制任務(wù)，而另一個(gè)Cortex-A9 則運(yùn)行部分或全部更高層功能。
重負(fù)荷用戶層處理任務(wù)最好在硬件中完成。與多核 SoC 相比，結(jié)合使用賽靈思豐富的最佳LTE基帶功能集，集成的 7 系列 FPGA 架構(gòu)能夠以更低的功耗實(shí)現(xiàn)卓越的實(shí)時(shí)性能。FPGA架構(gòu)還可用來加速 L2 用戶層功能，從而減輕ARM 處理器的負(fù)載，這樣設(shè)計(jì)人員就能夠靈活地加速架構(gòu)中的硬件，從而提高更高層的性能。該架構(gòu)還允許集成數(shù)字上變頻和下變頻 (DUC/DDC)、可選峰值因數(shù)抑制 (CFR) 以及數(shù)字預(yù)失真 (DPD) 等數(shù)字前端 (DFE)
功能。這種高集成度可進(jìn)一步降低功耗，并有助于減少 LTE 基站設(shè)計(jì)中非常重要的整體端對(duì)端時(shí)延問題。

小型蜂窩基站的靈活性
賽靈思提供一個(gè)與賽靈思 LET 基帶配套的基于 Zynq SoC 的 LTE 小型蜂窩基站參考設(shè)計(jì)，當(dāng)然客戶也可以集成自己的 LET 基帶。另外，賽靈思還提供包括 LTE 協(xié)議棧、RAN 安全、回程IPSec、時(shí)序與同步以及穩(wěn)健報(bào)頭壓縮(RoHC) 等在內(nèi)的綜合而全面的軟件解決方案。
Zynq SoC 支持 PCIe®協(xié)議，這樣設(shè)計(jì)人員就能夠在基于 SoC 的 LET小型蜂窩基站設(shè)計(jì)中輕松集成 Wi-Fi功能。Zynq SoC 的高性能處理功能和I/O，讓其理想適合用于帶集成無線回程的高性能小型蜂窩基站設(shè)計(jì)。此外，對(duì) JESD204B 的支持使基于 SoC 的LET 小型蜂窩基站可以輕松連接到任何業(yè)界領(lǐng)先的RF 收發(fā)器。
針對(duì)低容量和中等容量的小型蜂窩基站，賽靈思采用 Zynq SoC 實(shí)現(xiàn)了一款具備集成物理層的高集成度解決方案。該物理層包括在可編程邏輯(PL) 中實(shí)現(xiàn)的無線電 +L1 基帶，以及在處理系統(tǒng) (PS) 中實(shí)現(xiàn)的更高層協(xié)議棧、回程傳輸管理和物理層時(shí)序與控制?？删幊踢壿嬤€可以為一些更高層功能提供硬件加速，從而使容量最大化（這是與同類競(jìng)爭產(chǎn)品拉開距離的重要因素）。Zynq SoC 系列通過單芯片實(shí)現(xiàn)方案可滿足多種部署情況。
考慮到目前 Zynq SoC 系列的處理能力，對(duì)于很高容量的小型蜂窩基站而言，賽靈思建議在可編程邏輯中實(shí)現(xiàn)無線電 +L1 基帶，在處理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)相關(guān)時(shí)序與控制?？梢圆捎幂o助處理器來處理更高層協(xié)議棧和回程傳輸管理任務(wù)。

 圖 1 中的上圖是典型的 2X2 (2T2R) LTE 小型蜂窩基站設(shè)計(jì)。此類設(shè)計(jì)的典型材料清單 (BOM) 一般包含三顆芯片：多核 SoC、ASSP（用于數(shù)字前端）和小型 FPGA（用于剩余的邏輯和存儲(chǔ)器）。下圖將這些芯片都集中到了單個(gè) Zynq SoC 器件中（例如 Z-7045），其中雙核 ARM Cortex-A9 負(fù)責(zé)運(yùn)行 LTE L2/L3 協(xié)議棧。LTE L1 被集成到 FPGA 架構(gòu)中，并為 L2 提供硬件加速，以分擔(dān)IPSec、加密和 RoHC 等處理任務(wù)。FPGA 架構(gòu)還包含數(shù)字前端(DPD、DUC、DDC、CFR)。采用單芯片設(shè)計(jì)不僅能降低芯片間時(shí)延，實(shí)現(xiàn)最佳包處理能力，而且還可將材料成本降低 25%，系統(tǒng)性能提高一倍，總功耗降低35%。LTE 小型蜂窩基站設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、高集成度和高可靠性。全集成、可擴(kuò)展性和靈活性是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵。Zynq-7000 All Programmable SoC 具備雙核ARM處理器子系統(tǒng)、高系統(tǒng)性能和低功耗可編程邏輯，是一款能夠滿足當(dāng)前及未來小型蜂窩基站需求的低成本解決方案。