Souhrn potřeb výkonné fyzické vrstvy LTE (4G)

Obliba mobilních dat a připojení k internetu odkudkoliv na světě zaznamenává v poslední době exponenciální růst a pro mobilní operátory představuje velkou výzvu. Ruku v ruce s poptávkou se mění i nabídka a bezdrátové technologie přenosu dat se nadále vyvíjejí. Příkladem může být technologie LTE (Long Term Evolution), která se stala celosvětovým standardem v řešení stále většího objemu dat, přenášených k mobilním uživatelům. Jelikož se jedná o technologii, která díky zlepšení spektrální účinnosti slibuje lepší využití rádiového spektra a tím i větší datový tok, rozhodlo se pro její nasazení všech 25 nejvýznamnějších mobilních operátorů po celém světě. Ovšem podpora a nasazení LTE není zadarmo a vyžaduje hned celou řadu změn a úprav v základnových stanicích, konstruovaných obvykle jako SoC (system-on-chip). A právě technologie SoC v základnových stanicích zjednodušuje výrobcům jejich modernizaci a i při změně architektury a zlepšení nabízených služeb pomáhá udržet provozní náklady provozovatele bezdrátové sítě pod kontrolou. Mezi hlavní výrobce SoC systémů patří nyní i společnost Texas Instruments (TI), která představila svou silnou architekturu, zaměřenou právě na snížení nákladů při přechodu k LTE.

Vícejádrová SoC architektura TI, označovaná jako Keystone, je určena pro optimalizaci WCDMA sítí a jejich rozšíření o LTE technologii, při současném snížení výrobních i provozních nákladů základnových stanic. Pro aplikace bezdrátových základnových stanic jsou obvody Keystone vybaveny konfigurovatelným koprocesorem, podporujícím obsluhu fyzické vrstvy (PHY) nebo vrstvy Layer 1 komunikačního standardu. Dále se zaměříme na řešení s obvodem TI TMS320TCI6618 architektury Keystone, ale nejprve se blíže podíváme na technologii LTE a provedení její fyzické vrstvy.

LTE je v pořadí již třetí generace mobilního standardu, vyvinutého v rámci projektu GPP – Generation Partnership Project. Její hlavní výhodou, ve srovnání s běžnou 3G technologií, je přenos dat směrem k uživateli (downlink) rychlostí minimálně 100 Mb/s a maximální rychlost přenosu dat směrem od uživatele k základnové stanici (uplink) zhruba 50 Mb/s (platí při využití 20 MHz spektra). Další výhodou je dynamická podpora šířky přenosového kanálu (1,4–20 MHz), stejně jako technologie FDD (frequencydivision duplexing) a TDD (time-division duplexing), umožňující pružné využití dostupného spektra.

Základem komunikačního protokolu LTE je fyzická vrstva (PHY), někdy označovaná i jako Layer 1. Ta je základní částí každého bezdrátového přenosu realizovaného základnovou stanicí. Bez ní by nebylo možné uskutečnit žádné připojení, přenos telefonického hovoru ani stahování dat či videa. PHY spolupracuje s vyššími vrstvami Layer 2 (Media Access Control [MAC]) a Layer 3 (radio resource control [RRC]), kterým poskytuje komunikační rozhraní. Zároveň je zodpovědná za správu a kódování jednotlivých kanálů, funkci automatického opakovače (HARQ – hybrid automatic repeat request), modulaci, koexistenci více antén a vhodné přidělení zdroje v časově-frekvenční oblasti. Downlink LTE PHY zpracovává přijatá data a v podobě bloků zajišťuje řízení jejich toku z vrstvy MAC. Zároveň současně s tím provádí výpočet cyklické redundantní kontroly (CRC) a přidává ji k přenášeným datům. Pokud je velikost datového bloku větší než jeho maximální povolená velikost (6.144 bitů), zajišťuje jeho segmentaci a samostatný přenos. Hodnota CRC se v tom případě vypočítá a přidá ke každému samostatnému bloku zvlášť. Hlavní funkční bloky downlink kanálu LTE jsou uvedeny na obr. 1.

Funkce „turbo kódování“ poskytuje vysoký přenosový výkon a systém průběžné korekce chyb, který zajišťuje spolehlivý přenos dat. Rychlost pak odpovídá rychlosti dostupného fyzického kanálu a zmíněná funkce HARQ udržuje systém robustní i v případě, když uživatel nemá k dispozici plný signál a přenos dat je nutné opakovat. Bitový scrambling, aplikovaný na každý jednotlivý blok, zajišťuje redukci délky řetězce nebo nutné střídání 0 a 1 ve vysílaném signálu, zabraňující vzniku problémů se synchronizací demodulátoru u přijímače. Proměnné modulační schéma (QPSK (quadrature phase shift keying), 16 QAM (quadrature amplitude modulation) nebo 64 QAM) se využívá při mapování vrstev LTE a podporuje přenos signálu více anténami. Nakonec je každý datový blok veden na OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) a směrován na konkrétní anténní port pro bezdrátový přenos k uživateli. LTE Technology Evolution vychází z řady pokročilých technologií, využívaných i v případě 3G HSPA+ (high-speed packet access), jako je například zmíněné turbo kódování, HARQ a systémy s více anténami. Při 20 MHz šíři pásma umožňuje LTE zajistit až 100 Mb/s směrem k uživateli a 50 Mbit/s směrem od uživatele.

Řešení TI TCI6618 podporuje hned dva 20 MHz sektory, 2×2 vstupy a násobné výstupy (MIMO), což vytváří kapacitu pro datový tok až 300 Mb/s směrem k uživateli a 150 Mb/s od uživatele, při současné možnosti rozšíření o další zpracování signálu a nové algoritmy. Nejvýraznější zvýšení výkonu, ve srovnání s 3G systémy, je však dosažení využitím OFDM jak pro downlink, tak i uplink a kombinací s technologií MIMO.

OFDM transmission – OFDM se při přenosu stará zároveň o zajištění robustního přenosového mechanismu s účinnou ochranou proti degradaci za zhoršených přenosových podmínek daného kanálu, omezuje vzájemné interference mezi sousedními kanály, mezisymbolové interference a kolísání signálu. Výsledkem je vysoká účinnost a dobrá spektrální citlivost v oblasti časové synchronizace a vzniku chyb. LTE downlink využívá OFDM přenosu s více nosnými a cyklickou předponu. Naproti tomu se při přenosu směrem od uživatele využívá širokopásmového přenosu OFDM s jedinou nosnou a cyklická předpona zde slouží k omezení kolísání intenzity přenášeného signálu. Další zlepšení přenášených signálů pak zajišťuje rychlá Fourierova transformace (FFT), která se stará i o efektivní implementaci pro OFDM (de)modulaci.

Technologie MIMO – Zvýšení výkonu vysílače i přijímače základnové stanice LTE je možné nasazením inteligentní anténní technologie s MIMO (multiplein/ multiple-out). Díky MIMO je možné výrazně zvýšit reálnou datovou propustnost kanálů a rozšířit pokryté území bez dalšího zvýšení šířky pásma nebo vyzařované energie. Výsledkem je vyšší spektrální účinnost a spolehlivost přenosového kanálu před výpadky signálu. Na obr. 2 je uveden model LTE 2×4 MIMO uplink kanálu a přijímače.

Je tedy vidět, že větší počet antén a technologie MIMO mohou v případě uplink kanálu přijímače účinně pomoci zvýšit poměr signálu k šumu (SNR). Tzv. maximální poměr kombinace (MRC) v případě počtu antén je odlišný především v místech, kde je přijímač zatížen například blízkým zdrojem průmyslového šumu. Pokud by naopak docházelo k převládání interferencí mezi sousedními kanály, poskytuje výrazně lepší výsledky kombinace s MMSE. Implementace technologie MMSE s plovoucí desetinnou čárkou a MIMO může významně snížit výpočetní nároky a aplikaci poskytnout dostatečně vysoký výkon, zvyšující účinnost LTE MIMO přijímače.

Možnosti TCI6618 z pohledu LTE – Obvody TCI6618 architektury SoC jsou součástí rodiny vícejádrových DSP TI TMS320C66x. Využitím nové vícejádrové architektury Keystone jsou obvody přímo určeny pro použití ve vysoce výkonných aplikacích bezdrátové infrastruktury a pro LTE poskytují skutečně vynikající výkon.

SoC architektura TI Keystone poskytuje nejvyšší výkon a připravenost pro nasazení LTE a další kontinuální technologie. Vícejádrová SoC architektura TCI6618 integruje hned čtyři jádra 1,2 GHz z řady C66x, která podporují operace jak s pevnou, tak s plovoucí desetinnou čárkou, vycházející z osvědčených vícejádrových platforem TI DSP, ale se zcela novou architekturou a koprocesory pro 4G systémy. Změn se dočkalo i vnitřní propojení obvodu pro rychlejší přenos dat, což umožňuje dosažení plného výkonu vysokorychlostního 4G SoC.

Vícejádrová architektura Keystone je úplně první, která kombinuje rychlou strukturu procesoru RISC (Reduced Instruction Set Computer) vhodnou pro celočíselné operace a DSP jádra se specifickými koprocesory a I/O. Keystone je také první vícejádrovou architekturou, která zajišťuje dostatečnou vnitřní šířku pásma pro neomezený a rychlý přístup ke všem procesorovým jádrům, periferiím, koprocesorům a I/O. Rozsáhlý soubor hardwarových akcelerátorů snižuje latence při obsluze LTE a nezatěžuje CPU, které v tom případě umožňuje dosažení optimální přenosové kapacity celé LTE soustavy a konkurenční diferenciace. Pro zájemce je od TI dostupný příslušný software a knihovny LTE PHY, přímo optimalizovaný pro jádra C66x.

Obvody TMS320TCI6618 představují nejrobustnější hardware, který je dnes dostupný včetně kompletních LTE PHY knihoven a je dodáván v kombinaci s ucelenými vývojovými nástroji. Vývojové platformy urychlují vývoj software a umožňují dosažení nejlepšího řešení LTE PHY ve své třídě.

Článek poskytl Farnell ve spolupráci s Texas Instruments. Pro více informací navštivte www.element14.com. Všechny produkty naleznete na www.farnell.com.

Zhihong Lin, Strategic marketing manager, wireless base station infrastructure, Texas Instruments

Greg Wood, Application manager, wireless base station infrastructure, Texas Instruments