TD-LTE基站基帶芯片物理層控制系統設計

閆云超，潘崢嶸

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050）

TD-LTE基站基帶芯片物理層控制系統設計

閆云超，潘崢嶸

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050）

TD-LTE基站基帶芯片的發展已走向多核化趨勢，作為TD-LTE物理層的硬件載體，在芯片性能逐漸提升的同時，如何高效利用基帶芯片性能以及基帶芯片控制系統的設計與開發成為目前急需解決的難題。針對此問題，設計了一種高效的物理層控制系統。首先基于3GPP物理層規范，設計了系統狀態機，根據DSP核交互機制設計了基帶數據流，在此基礎上設計了基帶芯片的多任務調度控制系統。最后根據RTL仿真驗證和基帶分析儀器驗證，基帶主控系統、DSP處理系統和片上資源有著高效的任務流水，總體實現了基帶芯片的物理層功能，且有著較高的多任務處理效率。

多核DSP；TD-LTE基站；基帶芯片；物理層控制；任務調度

LTE（Long Term Evolution）作為3G技術的長期演進，已成為當前移動通信領域的主流通信標準。LTE運用OFDM和MIMO等關鍵技術[1]，向用戶提供更高的數據傳輸速率，以及更低的用戶時延。LTE基站作為LTE通信的關鍵環節，其擔負著用戶數據業務的編解碼工作[2]。而基帶芯片作為物理層功能的核心部件，采用定制的專用集成電路（ASIC）實現已不能解決基帶芯片隨著LTE標準的升級而靈活升級的大難題，重新設計又耗費人力物力，因此，高性能多核DSP方案的可升級和靈活擴展特性解決了此難題[3]。在此方案中，基帶的物理層控制系統是物理層多任務調度管理中心和高層與物理層算法數據的編解碼中心，在數據流和控制流中作為關鍵環節而存在，隨著基帶數據處理算法模塊的成熟，基帶處理器的物理層控制系統成為提升基帶多任務處理效率的關鍵因素，因此，對基帶芯片的物理層控制系統進行研究和設計尤為重要。

1 設計依據

TD-LTE基站基帶技術包括了基于3GPP LTE的物理層的軟硬件設計?；趯Ｓ没鶐酒M行基帶算法的處理成為現今基帶處理共識，而集成了多核DSP和硬件加速器的設計成為提升基帶SOC處理性能的有效途徑[4]。本文基于中國科學院計算技術研究所自主研發的動芯4 G小型基站基帶芯片，芯片采用了自主化矢量DSP和針對無線通信基帶處理優化的SIMD/VLIW混合架構，提供面向LTE基帶處理優化的向量指令集，以及具有512-bit的數據并行度和256-bit的指令并行度特性，在LTE的基帶處理方面具有特定的優勢。

基帶芯片整體系統分為基帶處理子系統和基帶控制子系統，整體系統如圖1所示。

基帶處理子系統采用7核矢量DSP架構，外加OTX和ORX硬件加速器組成基帶處理平臺。物理層算法鏈路將映射到基帶處理子系統上，并以此子系統來完成物理層功能和高效的算法實現?；诟咝阅蹹SP平臺，通過軟件編程的方式可方便實現3G、4G系統功能的升級和擴展，具有較好的靈活性和多模優勢。

基帶控制子系統集成了雙核CPU架構來承擔系統控制器，通過此系統來控制物理層的動態行為、邏輯關系和任務的并行調度，以及片上資源的控制和任務配置?；鶐OC由于集成了雙核CPU，內置512M DDR內存，以及對外留有擴展接口，提升了軟件編程升級和硬件擴展的靈活性。

圖1 基帶芯片架構圖

2 物理層控制系統設計

2.1 系統狀態機設計

在3GPP LTE協議中物理層負責向高層提供數據傳輸服務[5]，物理層控制系統作為物理層與高層的橋梁，擔負著與高層進行消息交互和指示物理層模塊工作兩個重要功能?；鶐锢韺涌刂葡到y作為一個高效運轉的控制中心，良好的狀態機設計對控制系統高效運行至關重要。

物理層和高層使用一套基于Request和Indication機制的API來進行消息交互[6]，由于Request消息傳遞高層信令，物理層控制系統基于此API進行狀態遷移，提升了物理層與高層交互效率，狀態遷移機制如圖2所示。

圖2 基帶控制系統狀態遷移圖

各狀態和重要消息說明：

INIT：初始化，完成后轉入IDLE。

IDLE：等待PARAM.request請求，并返回物理層支持的全部特性信息。

CFG：收到CONFIG.request或STOP.request切換到此狀態，配置物理層。

RUN：收到START.request切換到此狀態，開始運行，進行SUBFRAM消息交互。

基帶芯片作為物理層的硬件載體，基帶控制子系統需要進行多個模塊的運行狀態控制和多任務的調度，通過建立全局的狀態和狀態切換機制使得程序運行更高效，且易于后續升級開發和維護。

2.2 DSP核交互機制設計

對于每個DSP核，由于其具備單獨運行特性，作為基帶處理子系統的一個執行單元，與外部進行良好的數據和控制信息的交互才能提供高效的任務協作能力。每個DSP核均在外部留有數據和信號量（Semaphre，SEM）接口用來同外部模塊進行交互，DSP核在獨立運行時通過信號量的方式接受主控的控制，其運行邏輯如圖3中所示。DSP在上電后進入Reset狀態，通過條件觸發進行內部狀態和任務的切換，觸發可來自外部輸入的信號量或內部運行邏輯的轉換，通過CPU核發來的信號量即可通過此機制進行DSP任務的調度以及時序的同步。

圖3 DSP核運行與信息交互示意圖

2.3 基帶數據流設計

TD-LTE基站物理層算法分為下行發送鏈路和上行接收鏈路兩個部分，基帶數據基于鏈路進行數據的模塊級傳輸和編解碼工作[7]。在數據流的設計中，在提升數據處理速度和改善處理算法之外，由于數據量較大，減少數據流動次數、提升數據搬運速度和利用多核優勢處理數據成為提升處理效率的最有效方法。

根據基帶SOC片上資源和3GPP物理層協議，下行鏈路中CRC、碼塊分割、信道編碼、速率匹配、加擾環節計算量較大且耗費計算資源[8-9]，通過硬件加速器OTX來提升鏈路的數據處理速度，下行鏈路數據流如圖4（a）所示。上行鏈路中首先將接收的數據通過多個DSP核進行串并行處理，最后將數據輸入硬件加速器ORX進行解擾、解速率匹配和譯碼[10]，上行數據流圖如圖4（b）所示。

2.4 任務調度設計

2.4.1 任務配置

基帶芯片采用雙主控單元結構，即控制子系統為雙核CPU結構，對于實時性要求比較高的基站基帶處理應用場景，雙主控單元不但滿足了實時性要求，而且提升了系統控制處理的能力，雙主控任務分工明確，有利于后期擴展升級。

高層消息以及物理層各部件的中斷作為控制系統中斷源，通過中斷觸發機制來進行相關任務處理[11]，相同的中斷觸發時間分配于不同的CPU核，避免中斷等待從而破壞實時性?；鶐酒歇毩⑦\行的邏輯單元進行軟件觸發，非獨立運行單元接受CPU核控制，實現中斷的可控和可配置，保障LTE數據的實時處理和傳輸。

圖5為基帶控制子系統的中斷源分布示意圖，以上下行配置3為例。

圖4 基帶鏈路數據流示意圖

圖5 基帶控制子系統中斷源分布

MAC中斷來源于高層協議棧，提前物理層一個子幀發送，用來下發物理層下一個子幀的配置和數據[12]，物理層在中斷服務程序中通過API接口進行解析獲取配置參數和數據。

TTI中斷來源于基帶芯片TBU（Time Base Unit），在此中斷服務程序內進行子幀任務的開啟和高層消息的收發，是控制整個物理層時序的重要參考標準。

OTX中斷用來指示碼字編碼完成，UCI中斷來自于硬件加速器ORX，指示包括CQI/RI/HARQ在內的譯碼結果。

2.4.2 控制調度方案

多核SOC任務調度一般分為動態調度和靜態調度兩種類型。動態任務調度指控制系統根據當前系統負載和資源使用情況對被調度的任務進行處理資源實時分配和Memory的劃分，包括任務程序、數據加載、內存地址分配、任務搶占處理、任務之間的切換及任務狀態的保存等，動態任務調度處理機制復雜，而且會帶來額外的開銷。靜態任務調度是預先對系統的程序加載和Mermory進行分配，將任務分配到各個處理器，且按照預設的時序運行[13]，其算法復雜度穩定，調度算法簡單，執行效率高，因此采用靜態任務調度方案。

物理層上下行鏈路各個模塊按照任務映射到基帶芯片特定邏輯部件，各個任務執行模塊在預先指定的存儲空間進行數據存取，CPU通過中斷配置進行任務觸發[14]，實現LTE基帶芯片物理層多任務的靜態調度，任務調度和數據存取高效，減少了不必要的資源開銷，保證了任務的實時性。

2.4.3 系統任務流水

基帶處理子系統承載于高性能DSP之上，負責物理層各個處理單元的任務控制和數據處理，而基帶控制子系統負責整個基帶芯片的任務調度，包括高層數據參數的處理、DSP核的任務調度和基帶芯片內部數據流的控制。

在系統上電后，DSP核和CPU核在進行初始化后分別開始運行，各個任務執行單元分別接受主控單元控制，任務按照預計的邏輯時序和數據處理鏈路進行。系統的任務流水依照3GPP協議，各個任務有序的進行觸發和結束，如圖6所示。其中 DMA在系統內部負責數據的搬運工作，RFIU（Radio Frequency Interface Unit）負責與射頻系統的控制和數據交互。ORX和DSP配合完成整個上行鏈路的解碼工作，OTX和DSP完成下行鏈路的編碼工作。芯片內部各個部件通過SHARE MEM進行內存共享?；鶐酒壿媶卧行蜻M行任務控制和數據處理，共同實現基帶芯片的物理層功能。

圖6 任務流水示意圖

3 系統驗證

基帶芯片從最初的邏輯單元設計、程序開發到最終的物理層功能實現是一個較為龐大、周期較長的工程，所以在功能驗證時進行多個層級的驗證對系統功能的完備性是非常重要的[15]。本文僅對系統的任務控制方面進行功能的驗證。系統在Linux環境下進行程序編譯和鏈接，然后利用VCS仿真工具進行程序的加載和仿真，最后通過VCS集成的DVE圖形交互界面對VPD模擬波形文件進行觀察和分析。

圖7（a）顯示為基站上行數據接收及ORX譯碼結果，從波形看出譯碼正確，圖7（b）為基站下行數據發送波形圖，通過波形分析得出子幀編排和數據流正確?？刂葡到y對基帶芯片邏輯部件的任務調度實現了預期效果。

通過仿真波形統計各個任務處理比重如表1，分析發現，控制系統對物理層模塊的任務調度完全滿足3GPP技術規范要求。通過以上驗證分析，基帶芯片控制系統的設計在功能正確的基礎下取得了較好的任務處理效率。

RTL仿真驗證了控制系統的邏輯功能和整個芯片在流片前的功能正確性，而基于實際芯片和基帶板進行整個控制系統的功能和性能的驗證是工程最關鍵的一環。本文基于實際芯片進行系統的整體驗證，使用Rohde&Schwarz的RTO和SMU的射頻儀器接入基帶板，分別進行下行發送射頻數據的分析和上行射頻數據的發送，將工程編譯燒寫后進行系統的整體調試和驗證。系統通過串口進行基帶板配置，選擇20M帶寬運行，通過射頻儀器分析后如圖8所示，從圖中清晰的看到星座圖，各項數據解析正確，通過儀器持續觀測分析得出系統運行穩定。

通過對整個系統的RTL驗證和板上射頻儀器驗證，系統完全滿足了作為物理層的完備功能，設計具有可行性，系統具有較高的資源利用率和較好的性能，且系統運行穩定可靠，為后續的系統功能升級提供了基礎。

圖7 基帶仿真圖

表1 10MHz，2×2MIMO，64QAM處理比重

圖8 Rohde&Schwarz RTO儀器分析視圖

4 結束語

文中基于3GPP LTE協議進行了基帶芯片物理層控制系統的設計，基帶整體系統具有軟硬件靈活升級和擴展優勢。

通過基帶控制系統對內部執行單元和資源的合理調度，提升了多核DSP的多任務處理效率。利用VCS工具和射頻儀器分析對系統進行了充分驗證，保證了基帶物理層控制系統設計的正確性和有效性。

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Design of physical layer control system for TD-LTE base station baseband chip

YAN Yun-chao，PAN Zheng-rong
（College of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

The development of TD-LTE base station baseband chip has been toward multicore trend，as a hardware carrier TDLTE physical layer，how to efficiently use the baseband chip performance and baseband chip control system design and development has become an urgent problem at the same time gradually increase chip performance.To solve this problem，an efficient physical layer control system is designed.First，based on the 3GPP physical layer specification，the system state machine is designed.According on the DSP core interaction mechanism，the baseband data stream is designed，and then the multi-task scheduling control system is designed.The simulation results show that the baseband master control system，the DSP processing system and the on-chip resources have efficient task flow，the physical layer function of the baseband chip is realized，and has a high efficiency of multi task processing.

multi core DSP；TD-LTE base station；baseband chip；physical layer contro；task scheduling

TN914.3

A

1674－6236（2016）15-0035-04

2016-01-16 稿件編號：201601126

甘肅省自然科學研究基金計劃項目（1308RJZA273）

閆云超（1991—），男，河南安陽人，碩士。研究方向：計算機控制，無線通信。