Zynq SoC構(gòu)建LTE小型蜂窩基站的設(shè)計基礎(chǔ)

ZynqSoC構(gòu)建LTE小型蜂窩基站的設(shè)計基礎(chǔ)采用賽靈思Zynq-7000AllProgrammalbeSoC能讓毫微微、微微以及其他小型蜂窩基站設(shè)計的集成度、靈活性和低功耗達到全新的高度。小型蜂窩屬于低功率無線基站，運行于授權(quán)頻譜范圍內(nèi)，并由移動網(wǎng)絡運營商進行管理。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)絡和主機處理器，這些組件都要滿足不斷發(fā)展演進的無線標準要求。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片上系統(tǒng)(SoC)內(nèi)。電信運營商可利用小型蜂窩擴大家庭、企業(yè)以及城市和鄉(xiāng)村公共場所的蜂窩網(wǎng)絡的覆蓋范圍和容量。無論在家還是單位，越來越多的客戶希望隨時隨地使用移動電話，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)新的移動數(shù)據(jù)服務。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，同時還能降低運營商的資本支出和運營支出，進而減少場地租金、維護和用電成本。賽靈思Zynq?-7000AllProgrammableSoC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，實現(xiàn)了無與倫比的系統(tǒng)性能、靈活性與可擴展性，并在降低功耗、削減成本和加快上市進程方面獲得了顯著的系統(tǒng)優(yōu)勢。由于ZynqSoC同時具備軟/硬可編程功能，因此與傳統(tǒng)的SoC處理方案相比，能夠為客戶提供無與倫比的可編程功能和差異化能力。標準SoC僅具有軟件可編程性，極大地限制了設(shè)計靈活性和差異化，而且不利于有效地適應不斷發(fā)展演進的無線標準。ZYNQSoC是LTE小型蜂窩基站的理想選擇

ZynqSoC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)計方案。設(shè)計團隊可在ZynqSoC的處理系統(tǒng)中實現(xiàn)協(xié)議棧，并觀察其運行情況。如果太過緩慢，可利用Vivado?設(shè)計套件高層次綜合(HLS)工具將代碼轉(zhuǎn)換為Verilog或VHDL格式，以便在ZynqSoC可編程邏輯中運行。這樣可以將一些功能代碼的運行速度提高700倍，同時釋放處理器以更快地執(zhí)行其他任務，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扇的條件下運行，因此對散熱提出了較高要求。ZynqSoC的功耗極低，這樣不僅可在系統(tǒng)中避免使用風扇，而且也不必安裝昂貴的散熱片。很多小型蜂窩基站必須在無制冷風扇的條件下運行，因此對散熱提出了較高要求。ZynqSoC的功耗極低，這樣不僅可在系統(tǒng)中避免使用風扇，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)計團隊進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)議的計算機和設(shè)備，為此，賽靈思推出了極富吸引力的AllProgrammable器件組合。這些產(chǎn)品具備最大的設(shè)計靈活性，僅單個可重配置器件即可滿足HetNet的多標準與多頻帶需求。無論客戶設(shè)計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ZynqSoC器件相對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處理任務。其中的一個Cortex-A9處理器運行實時操作系統(tǒng)并負責處理L1控制任務，而另一個Cortex-A9則運行部分或全部更高層功能。重負荷用戶層處理任務最好在硬件中完成。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現(xiàn)卓越的實時性能。FPGA架構(gòu)還可用來加速L2用戶層功能，從而減輕ARM處理器的負載，這樣設(shè)計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)字預失真(DPD)等數(shù)字前端(DFE)功能。這種高集成度可進一步降低功耗，并有助于減少LTE基站設(shè)計中非常重要的整體端對端時延問題。小型蜂窩基站的靈活性

賽靈思提供一個與賽靈思LET基帶配套的基于ZynqSoC的LTE小型蜂窩基站參考設(shè)計，當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、時序與同步以及穩(wěn)健報頭壓縮(RoHC)等在內(nèi)的綜合而全面的軟件解決方案。ZynqSoC支持PCIe?協(xié)議，這樣設(shè)計人員就能夠在基于SoC的LET小型蜂窩基站設(shè)計中輕松集成Wi-Fi功能。ZynqSoC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。此外，對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。針對低容量和中等容量的小型蜂窩基站，賽靈思采用ZynqSoC實現(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)中實現(xiàn)的無線電+L1基帶，以及在處理系統(tǒng)(PS)中實現(xiàn)的更高層協(xié)議棧、回程傳輸管理和物理層時序與控制?？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（這是與同類競爭產(chǎn)品拉開距離的重要因素）。ZynqSoC系列通過單芯片實現(xiàn)方案可滿足多種部署情況?？紤]到目前ZynqSoC系列的處理能力，對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現(xiàn)無線電+L1基帶，在處理系統(tǒng)中實現(xiàn)相關(guān)時序與控制?？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。圖1中的上圖是典型的2X2(2T2R)LTE小型蜂窩基站設(shè)計。此類設(shè)計的典型材料清單(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器）。下圖將這些芯片都集中到了單個ZynqSoC器件中（例如Z-7045），其中雙核ARMCortex-A9負責運行LTEL2/L3協(xié)議棧。LTEL1被集成到FPGA架構(gòu)中，并為L2提供硬件加速，以分擔IPSec、加密和RoHC等處理任務。FPGA架構(gòu)還包含數(shù)字前端(DPD、DUC、DDC、CFR)。采用單芯片設(shè)計不僅能降低芯片間時延，實現(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