闫云超，潘峥嵘

（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050）

TD-LTE基站基带芯片物理层控制系统设计

闫云超，潘峥嵘

（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050）

TD-LTE基站基带芯片的发展已走向多核化趋势，作为TD-LTE物理层的硬件载体，在芯片性能逐渐提升的同时，如何高效利用基带芯片性能以及基带芯片控制系统的设计与开发成为目前急需解决的难题。针对此问题，设计了一种高效的物理层控制系统。首先基于3GPP物理层规范，设计了系统状态机，根据DSP核交互机制设计了基带数据流，在此基础上设计了基带芯片的多任务调度控制系统。最后根据RTL仿真验证和基带分析仪器验证，基带主控系统、DSP处理系统和片上资源有着高效的任务流水，总体实现了基带芯片的物理层功能，且有着较高的多任务处理效率。

多核DSP；TD-LTE基站；基带芯片；物理层控制；任务调度

LTE（Long Term Evolution）作为3G技术的长期演进，已成为当前移动通信领域的主流通信标准。LTE运用OFDM和MIMO等关键技术[1]，向用户提供更高的数据传输速率，以及更低的用户时延。LTE基站作为LTE通信的关键环节，其担负着用户数据业务的编解码工作[2]。而基带芯片作为物理层功能的核心部件，采用定制的专用集成电路（ASIC）实现已不能解决基带芯片随着LTE标准的升级而灵活升级的大难题，重新设计又耗费人力物力，因此，高性能多核DSP方案的可升级和灵活扩展特性解决了此难题[3]。在此方案中，基带的物理层控制系统是物理层多任务调度管理中心和高层与物理层算法数据的编解码中心，在数据流和控制流中作为关键环节而存在，随着基带数据处理算法模块的成熟，基带处理器的物理层控制系统成为提升基带多任务处理效率的关键因素，因此，对基带芯片的物理层控制系统进行研究和设计尤为重要。

1 设计依据

TD-LTE基站基带技术包括了基于3GPP LTE的物理层的软硬件设计。基于专用基带芯片进行基带算法的处理成为现今基带处理共识，而集成了多核DSP和硬件加速器的设计成为提升基带SOC处理性能的有效途径[4]。本文基于中国科学院计算技术研究所自主研发的动芯4 G小型基站基带芯片，芯片采用了自主化矢量DSP和针对无线通信基带处理优化的SIMD/VLIW混合架构，提供面向LTE基带处理优化的向量指令集，以及具有512-bit的数据并行度和256-bit的指令并行度特性，在LTE的基带处理方面具有特定的优势。

基带芯片整体系统分为基带处理子系统和基带控制子系统，整体系统如图1所示。

基带处理子系统采用7核矢量DSP架构，外加OTX和ORX硬件加速器组成基带处理平台。物理层算法链路将映射到基带处理子系统上，并以此子系统来完成物理层功能和高效的算法实现。基于高性能DSP平台，通过软件编程的方式可方便实现3G、4G系统功能的升级和扩展，具有较好的灵活性和多模优势。

基带控制子系统集成了双核CPU架构来承担系统控制器，通过此系统来控制物理层的动态行为、逻辑关系和任务的并行调度，以及片上资源的控制和任务配置。基带SOC由于集成了双核CPU，内置512M DDR内存，以及对外留有扩展接口，提升了软件编程升级和硬件扩展的灵活性。

图1 基带芯片架构图

2 物理层控制系统设计

2.1 系统状态机设计

在3GPP LTE协议中物理层负责向高层提供数据传输服务[5]，物理层控制系统作为物理层与高层的桥梁，担负着与高层进行消息交互和指示物理层模块工作两个重要功能。基带物理层控制系统作为一个高效运转的控制中心，良好的状态机设计对控制系统高效运行至关重要。

物理层和高层使用一套基于Request和Indication机制的API来进行消息交互[6]，由于Request消息传递高层信令，物理层控制系统基于此API进行状态迁移，提升了物理层与高层交互效率，状态迁移机制如图2所示。

图2 基带控制系统状态迁移图

各状态和重要消息说明：

INIT：初始化，完成后转入IDLE。

IDLE：等待PARAM.request请求，并返回物理层支持的全部特性信息。

CFG：收到CONFIG.request或STOP.request切换到此状态，配置物理层。

RUN：收到START.request切换到此状态，开始运行，进行SUBFRAM消息交互。

基带芯片作为物理层的硬件载体，基带控制子系统需要进行多个模块的运行状态控制和多任务的调度，通过建立全局的状态和状态切换机制使得程序运行更高效，且易于后续升级开发和维护。

2.2 DSP核交互机制设计

对于每个DSP核，由于其具备单独运行特性，作为基带处理子系统的一个执行单元，与外部进行良好的数据和控制信息的交互才能提供高效的任务协作能力。每个DSP核均在外部留有数据和信号量（Semaphre，SEM）接口用来同外部模块进行交互，DSP核在独立运行时通过信号量的方式接受主控的控制，其运行逻辑如图3中所示。DSP在上电后进入Reset状态，通过条件触发进行内部状态和任务的切换，触发可来自外部输入的信号量或内部运行逻辑的转换，通过CPU核发来的信号量即可通过此机制进行DSP任务的调度以及时序的同步。

图3 DSP核运行与信息交互示意图

2.3 基带数据流设计

TD-LTE基站物理层算法分为下行发送链路和上行接收链路两个部分，基带数据基于链路进行数据的模块级传输和编解码工作[7]。在数据流的设计中，在提升数据处理速度和改善处理算法之外，由于数据量较大，减少数据流动次数、提升数据搬运速度和利用多核优势处理数据成为提升处理效率的最有效方法。

根据基带SOC片上资源和3GPP物理层协议，下行链路中CRC、码块分割、信道编码、速率匹配、加扰环节计算量较大且耗费计算资源[8-9]，通过硬件加速器OTX来提升链路的数据处理速度，下行链路数据流如图4（a）所示。上行链路中首先将接收的数据通过多个DSP核进行串并行处理，最后将数据输入硬件加速器ORX进行解扰、解速率匹配和译码[10]，上行数据流图如图4（b）所示。

2.4 任务调度设计

2.4.1 任务配置

基带芯片采用双主控单元结构，即控制子系统为双核CPU结构，对于实时性要求比较高的基站基带处理应用场景，双主控单元不但满足了实时性要求，而且提升了系统控制处理的能力，双主控任务分工明确，有利于后期扩展升级。

高层消息以及物理层各部件的中断作为控制系统中断源，通过中断触发机制来进行相关任务处理[11]，相同的中断触发时间分配于不同的CPU核，避免中断等待从而破坏实时性。基带芯片中独立运行的逻辑单元进行软件触发，非独立运行单元接受CPU核控制，实现中断的可控和可配置，保障LTE数据的实时处理和传输。

图5为基带控制子系统的中断源分布示意图，以上下行配置3为例。

图4 基带链路数据流示意图

图5 基带控制子系统中断源分布

MAC中断来源于高层协议栈，提前物理层一个子帧发送，用来下发物理层下一个子帧的配置和数据[12]，物理层在中断服务程序中通过API接口进行解析获取配置参数和数据。

TTI中断来源于基带芯片TBU（Time Base Unit），在此中断服务程序内进行子帧任务的开启和高层消息的收发，是控制整个物理层时序的重要参考标准。

OTX中断用来指示码字编码完成，UCI中断来自于硬件加速器ORX，指示包括CQI/RI/HARQ在内的译码结果。

2.4.2 控制调度方案

多核SOC任务调度一般分为动态调度和静态调度两种类型。动态任务调度指控制系统根据当前系统负载和资源使用情况对被调度的任务进行处理资源实时分配和Memory的划分，包括任务程序、数据加载、内存地址分配、任务抢占处理、任务之间的切换及任务状态的保存等，动态任务调度处理机制复杂，而且会带来额外的开销。静态任务调度是预先对系统的程序加载和Mermory进行分配，将任务分配到各个处理器，且按照预设的时序运行[13]，其算法复杂度稳定，调度算法简单，执行效率高，因此采用静态任务调度方案。

物理层上下行链路各个模块按照任务映射到基带芯片特定逻辑部件，各个任务执行模块在预先指定的存储空间进行数据存取，CPU通过中断配置进行任务触发[14]，实现LTE基带芯片物理层多任务的静态调度，任务调度和数据存取高效，减少了不必要的资源开销，保证了任务的实时性。

2.4.3 系统任务流水

基带处理子系统承载于高性能DSP之上，负责物理层各个处理单元的任务控制和数据处理，而基带控制子系统负责整个基带芯片的任务调度，包括高层数据参数的处理、DSP核的任务调度和基带芯片内部数据流的控制。

在系统上电后，DSP核和CPU核在进行初始化后分别开始运行，各个任务执行单元分别接受主控单元控制，任务按照预计的逻辑时序和数据处理链路进行。系统的任务流水依照3GPP协议，各个任务有序的进行触发和结束，如图6所示。其中 DMA在系统内部负责数据的搬运工作，RFIU（Radio Frequency Interface Unit）负责与射频系统的控制和数据交互。ORX和DSP配合完成整个上行链路的解码工作，OTX和DSP完成下行链路的编码工作。芯片内部各个部件通过SHARE MEM进行内存共享。基带芯片逻辑单元有序进行任务控制和数据处理，共同实现基带芯片的物理层功能。

图6 任务流水示意图

3 系统验证

基带芯片从最初的逻辑单元设计、程序开发到最终的物理层功能实现是一个较为庞大、周期较长的工程，所以在功能验证时进行多个层级的验证对系统功能的完备性是非常重要的[15]。本文仅对系统的任务控制方面进行功能的验证。系统在Linux环境下进行程序编译和链接，然后利用VCS仿真工具进行程序的加载和仿真，最后通过VCS集成的DVE图形交互界面对VPD模拟波形文件进行观察和分析。

图7（a）显示为基站上行数据接收及ORX译码结果，从波形看出译码正确，图7（b）为基站下行数据发送波形图，通过波形分析得出子帧编排和数据流正确。控制系统对基带芯片逻辑部件的任务调度实现了预期效果。

通过仿真波形统计各个任务处理比重如表1，分析发现，控制系统对物理层模块的任务调度完全满足3GPP技术规范要求。通过以上验证分析，基带芯片控制系统的设计在功能正确的基础下取得了较好的任务处理效率。

RTL仿真验证了控制系统的逻辑功能和整个芯片在流片前的功能正确性，而基于实际芯片和基带板进行整个控制系统的功能和性能的验证是工程最关键的一环。本文基于实际芯片进行系统的整体验证，使用Rohde&Schwarz的RTO和SMU的射频仪器接入基带板，分别进行下行发送射频数据的分析和上行射频数据的发送，将工程编译烧写后进行系统的整体调试和验证。系统通过串口进行基带板配置，选择20M带宽运行，通过射频仪器分析后如图8所示，从图中清晰的看到星座图，各项数据解析正确，通过仪器持续观测分析得出系统运行稳定。

通过对整个系统的RTL验证和板上射频仪器验证，系统完全满足了作为物理层的完备功能，设计具有可行性，系统具有较高的资源利用率和较好的性能，且系统运行稳定可靠，为后续的系统功能升级提供了基础。

图7 基带仿真图

表1 10MHz，2×2MIMO，64QAM处理比重

图8 Rohde&Schwarz RTO仪器分析视图

4 结束语

文中基于3GPP LTE协议进行了基带芯片物理层控制系统的设计，基带整体系统具有软硬件灵活升级和扩展优势。

通过基带控制系统对内部执行单元和资源的合理调度，提升了多核DSP的多任务处理效率。利用VCS工具和射频仪器分析对系统进行了充分验证，保证了基带物理层控制系统设计的正确性和有效性。

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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 稿件编号：201601126

甘肃省自然科学研究基金计划项目（1308RJZA273）

闫云超（1991—），男，河南安阳人，硕士。研究方向：计算机控制，无线通信。