商用4G＆5G小基站基帶芯片的設(shè)計(jì)與分析

王俊

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)級(jí)芯片；5G NR;4G LTE；BB；DSP

1引言

近10年來，4G&5G通信技術(shù)的飛速發(fā)速極大地提升了通信效率，改變了日常的通信生活方式。5G相比于4G，其空口帶寬更大、天線數(shù)更多、調(diào)制階數(shù)更高，空口速率更是提升到10倍以上，帶寬與多天線等通信技術(shù)對(duì)基站的物理層信號(hào)處理能力提出了更高的要求。目前，市場(chǎng)上的5G網(wǎng)側(cè)基帶芯片基本被國外芯片廠商壟斷，如NXP，Qualcomm，Intel，Xilinx等，國內(nèi)設(shè)備商華為和中興也有自研的5G基帶SoC芯片，但不對(duì)其他設(shè)備商銷售。因此，國內(nèi)的小站設(shè)備商獲得4G&5G基帶商用SoC芯片的選擇范圍很小，若要選擇純國產(chǎn)的基帶SoC芯片更是不可能。因此，研制一款能部分替代國外小站基帶芯片的國產(chǎn)商用SoC芯片便提上了日程。

2項(xiàng)目概況

該基帶SoC芯片OC8010是可用于4G&5G小基站或自定義軟件無線電（SDR）方案中的基帶處理芯片。芯片遵循3GPP[1]Rel-15和Rel-16，并有足夠軟化資源以支持后續(xù)版本的演進(jìn)，同時(shí)兼顧功耗、性能、面積的平衡性。基帶處理主要集成了4個(gè)高效能的協(xié)議與控制處理器ARM A72 CPU、4G和SG雙模通信基帶處理硬件加速器、4個(gè)高性能的專為SG優(yōu)化過的CEVA XC-12矢量DSP等。另外，芯片上還集成了豐富的前傳與中傳高速接口、低速外設(shè)接口等。在這些加速器和矢量處理器的輔助下，用戶可以實(shí)現(xiàn)高吞吐率的多種無線通信系統(tǒng)。

芯片設(shè)計(jì)專門考慮了一些低功耗設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)有助于其在各種通信場(chǎng)景下獲取高性能和低功耗特性。另外，芯片的研發(fā)、生產(chǎn)、封裝和測(cè)試都在國內(nèi)，是國產(chǎn)自主可控的SDR基帶處理芯片。

OC8010是一個(gè)異構(gòu)多核基帶SoC，軟硬件架構(gòu)更加復(fù)雜，在芯片設(shè)計(jì)中需應(yīng)對(duì)這幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)：更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信和任務(wù)調(diào)度：龐大的抽象的系統(tǒng)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)清晰、高效的硬件與軟件設(shè)計(jì)；協(xié)調(diào)好SoC上的硬件加速、DSP和CPU等各種異構(gòu)并行處理資源；提供豐富有效的片上調(diào)試功能；在性能、靈活性、功耗、面積等方面折中。

3SoC芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

OC8010SoC上的基帶處理資源主要包括物理層信號(hào)處理、物理層控制、前傳后中傳接口等子系統(tǒng)，BB SoC芯片架構(gòu)圖如圖1所示。其中，物理層信號(hào)處理子系統(tǒng)主要由芯片上的L1硬件加速器（L1 Accelerator）與矢量DSP（L1 Processor）構(gòu)成；物理層控制子系統(tǒng)主要由ARMCPU構(gòu)成；接口子系統(tǒng)包含前傳（分布式單元DU與遠(yuǎn)端單元RU） CPRI或eCPRI接口，與中傳（中央單元CU與分布式單元DU）PCIe或ETH接口。

OC8010基帶SoC芯片上有豐富的計(jì)算資源，有符合3GPP的比特級(jí)編譯碼加速器，以及OFDM波形前端LowPHY處理加速器，片上有多達(dá)近萬億MAC運(yùn)算能力的矢量4個(gè)DSP核，可以滿足用戶差異化的信道估計(jì)與均衡算法設(shè)計(jì)，或者用戶自定義的專用通信系統(tǒng)基帶信號(hào)處理。其可以應(yīng)用于4G&5G小基站的基帶處理，如圖2所示，OC8010可以分別完成全部的L1 High-PHY與LowPHY處理，或是只完成High-PHY的處理，需要外接NPU進(jìn)行L2/L3協(xié)議棧處理，外接DFE芯片完成中射頻處理等。

該芯片基帶處理器中的運(yùn)算資源靈活可配，可以根據(jù)波形基帶處理的復(fù)雜度，采用1套或2套運(yùn)算資源完成單?；螂p模并發(fā)波形處理。以單模5GNR為例，可以支持的典型規(guī)格為FRl-TDD，BW= 100 MHz．SCS=30 kHz．2小區(qū)4T4R，并可以實(shí)現(xiàn)DL 4 Gbps，上行2 Gbps的峰值吞吐量。若4G&5G雙模并發(fā)配置下，則可以同時(shí)支持SGNR FRl-TDD，BW=100 MHz．SCS= 30 kHz@ 4T4R 1小區(qū)．4G LTE BW= 20 MHz，SCS=15 kHz@ 4T4R 3小區(qū)的規(guī)格。

4SoC芯片主要功能模塊設(shè)計(jì)

4.1CPU子系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

Cortex-A72處理器是ARM公司于2015推出，并為高性能，低功耗的處理器實(shí)現(xiàn)了ARMv8-A體系結(jié)構(gòu)。其廣泛應(yīng)用于高端智能手機(jī)、大屏移動(dòng)設(shè)備、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、無線基臺(tái)、數(shù)字電視等領(lǐng)域。OC8010芯片集成了4個(gè)ARM Cortex-A72核，L1和L2緩存子系統(tǒng)等。具體如表1所列。

ARM 72 11存儲(chǔ)器系統(tǒng)由獨(dú)立的指令緩存（I-Cache）與數(shù)據(jù)緩存（D-Cache）構(gòu)成[2]。

A72 11指令緩存系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）固定的Cache line為64字節(jié)；（2）每16位采用奇偶校驗(yàn)保護(hù)；（3）指令緩存按物理索引和物理標(biāo)記（PIPT）方式工作；（4）采用LRU（Least Recently Used）緩存替換策略；（5）支持內(nèi)存自檢測(cè)試MBIST（Memory Built-InSelf Test）。

A72 11數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）固定的Cache line為64字節(jié)；（2）每32位采用ECC保護(hù)；（3）數(shù)據(jù)緩存按物理索引和物理標(biāo)記（PIPT）方式工作；（4）支持對(duì)正常內(nèi)存的亂序、推測(cè)性、非阻塞性加載請(qǐng)求和對(duì)設(shè)備內(nèi)存的非推測(cè)性、非屏蔽性加載請(qǐng)求；（5）采用LRU緩存替換策略；（6）硬件預(yù)取器，生成針對(duì)L1數(shù)據(jù)緩存和L2數(shù)據(jù)緩存的預(yù)??；（7）支持內(nèi)存自檢測(cè)試MBIST（Memory Built-In Self Test）。

在4個(gè)Cortex-A72核的共同作用下，CPU子系統(tǒng)可以確保在每個(gè)時(shí)隙（slot）內(nèi)完成小基站多小區(qū)多用戶的處理要求。CPU子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)物理層處理的控制功能，完成L2與L1之間的FAPI（SCF222：PHYAPI Specification）請(qǐng)求消息參數(shù)的解析、FAPI響應(yīng)消息的準(zhǔn)備發(fā)送、配置物理信道（如PDSCH，PDCCH，PBCH，PUSCH，PUCCH，PRACH等）的參數(shù)、調(diào)度L1硬件加速器與L1 DSP矢量處理器完成物理層發(fā)送和接收處理等。

4.2DSP子系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

片上集成了4個(gè)高性能矢量CEVA XC12 DSP核。XC12是CEVA的第4代矢量處理器IP，它能夠進(jìn)行客戶配置和擴(kuò)展，應(yīng)用范圍較廣，可用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的5G-NR和4G-LTE，智能手機(jī)或其他終端，如Wi-Fi UE和CPE等，提供極低功耗、Gbps級(jí)的無線調(diào)制解調(diào)器功能，以便于客戶實(shí)現(xiàn)高吞吐率的寬帶無線通信系統(tǒng)。

CEVA-XC12 DSP架構(gòu)突破了以下關(guān)鍵技術(shù)。

（1）全新微架構(gòu)滿足超高頻率和超低功耗要求——能夠在10nm內(nèi)以1.8 GHz頻率運(yùn)作，與前代產(chǎn)品CEVA-XC4500相比，功耗降低50%。

（2）具有大規(guī)模計(jì)算能力，以維持高數(shù)據(jù)速率——配備4矢量處理器引擎，每秒運(yùn)算次數(shù)接近1萬億次（TOP）。

（3）全新獨(dú)特的高精度算法——支持高達(dá)256×256維矩陣高效運(yùn)算。

（4）用于加速基帶信號(hào)處理組件的全新專用指令和算法庫——為先進(jìn)的256和1024 QAM解調(diào)提供創(chuàng)新支持。

（5）新型核間數(shù)據(jù)流接口——允許在內(nèi)核或加速器之間達(dá)到超低傳輸延遲。

為了提升DSP的性能，OC8010對(duì)一些關(guān)鍵電路采取了優(yōu)化方案，如縮短了分頻電路的路徑延時(shí)，并將片上DSP的最高時(shí)鐘頻率提至800 MHz～1GHz。

4.3加速器模塊設(shè)計(jì)

OC8010芯片集成了寬帶通信系統(tǒng)常用的硬件加速器。在這些硬件加速器的輔助下，可以實(shí)現(xiàn)高吞吐率的4G，SG及用戶自定義無線通信信號(hào)處理加速，如圖3所示為OC8010芯片基帶處理軟硬件劃分，片上的硬件加速器主要包括編譯碼、均衡、Low-PHY等加速器子系統(tǒng)。

4.3.1編譯碼加速器子系統(tǒng)

該加速器子系統(tǒng)由LDPC和Polar、卷積、Turbo等加速器構(gòu)成，LDPC和Polar編碼和譯碼器遵循3GPP38.212 Rel-16規(guī)范，主要用于SGNR的編譯碼處理以及Turbo和卷積編碼。譯碼加速器遵循3GPP 36.212Rel-10規(guī)范，主要用于4G LTE的編譯碼加速處理。

業(yè)務(wù)信道編碼器主要完成TB CRC、CB分割、CBCRC、LDPC/Turbo編碼、速率匹配、CB級(jí)聯(lián)等處理；業(yè)務(wù)信道譯碼器主要完成CB分割、解速率匹配、HARQ合并、LDPC/Turbo譯碼、CB CRC、CB級(jí)聯(lián)、TB CRC等處理。表2為典型配置下（LDPC與Turbo譯碼均為8次迭代）的業(yè)務(wù)信道編譯碼器最大吞吐量性能（@ 600 MHz時(shí)鐘頻率）。

4.3.2均衡加速器子系統(tǒng)

均衡加速器子系統(tǒng)支持最小均方誤差干擾抑制（MMSE-IRC）算法，因該算法良好的性能與復(fù)雜性而被業(yè)界廣泛應(yīng)用。MMSE-IRC算法對(duì)于基站檢測(cè)位于相鄰小區(qū)間環(huán)境中的用戶來說是必不可少的，與MMSE-MRC算法相比，它能夠減少區(qū)間干擾和降低高斯噪聲的影響，進(jìn)而提升了接收機(jī)的均衡性能。

OC8010的均衡加速器可支持自適應(yīng)MMSE-IRC和MMSE-MRC算法，可使接收機(jī)在不同信道環(huán)境下均能獲得最好的均衡性能。圖4為該加速器的功能示意圖。

該均衡加速器可以支持PUSCH均衡處理，在典型配置下的處理能力為：完成每個(gè)上行slot全部均衡處理時(shí)間小于1個(gè)3GPP定義的時(shí)隙（slot）。這里的典型配置為2個(gè)SGNR FRl-TDD小區(qū)，每小區(qū)273PRB（BW100MHz，SCS=30 kHz），4接收天線，2Layer等。

4.3.3時(shí)頻域轉(zhuǎn)換LowPHY加速器子系統(tǒng)

該加速器主要完成OFDM波形變換：Tx Low-PHY主要完成數(shù)據(jù)重排、IFFT、加CP、相位補(bǔ)償（5G）等處理；Rx Low-PHY主要完成去CP、相位補(bǔ)償（5G）、7．SkShift（ LTE）、FFT、數(shù)據(jù)重排等處理。LowPHY加速器功能示意圖如圖5所示。

該LowPHY加速器的典型處理能力為2個(gè)SGNRFRl-TDD小區(qū)，每小區(qū)4T4R，BW=100 MHz，SCS=30 kHz。

4.4存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)

在異構(gòu)多核系統(tǒng)芯片中，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸與交換需要更加高效的存儲(chǔ)架構(gòu)，從而導(dǎo)致存儲(chǔ)與計(jì)算之間的矛盾更加突出。基帶信號(hào)在處理高密集計(jì)算類應(yīng)用時(shí)，如何設(shè)計(jì)高效的片上共享存儲(chǔ)器對(duì)發(fā)揮SoC整體性能有重要作用。

OC8010基帶芯片上的處理單元之間需要大量的數(shù)據(jù)交互，通過仔細(xì)分析基帶接收與發(fā)送信號(hào)處理的數(shù)據(jù)流，得到幾種典型場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)流模型（Trafficmode），包括但不限于模塊間的數(shù)據(jù)吞吐量、數(shù)據(jù)緩存大小、處理單元數(shù)據(jù)的并發(fā)。

OC8010上的共享緩存具有如下系統(tǒng)特性：（1）緩存大小為10 MB字節(jié)；（2）分成8個(gè)Bank，每個(gè)Bank1.25 MB字節(jié)；（3）每個(gè)Bank均為2端器存儲(chǔ)器，支持對(duì)同一個(gè)Bank不同地址地同時(shí)讀與寫；（4）支持任務(wù)隊(duì)列以及每個(gè)端口優(yōu)先級(jí)可配；（5）多個(gè)端口訪問權(quán)重可配，支持帶權(quán)重的輪詢（WRR）訪問機(jī)制；（6）每個(gè)port支持基于“緊急”的防餓死機(jī)制等。

4.5總線模塊設(shè)計(jì)

總線結(jié)構(gòu)及互連設(shè)計(jì)直接影響芯片總體性能的發(fā)揮，OC8010片上總線選用ARM的CoreLink NIC系列主流商用總線，將系統(tǒng)中的ARM CPU處理器、CEVA DSP、加速器、PCIe等高速外設(shè)、12C等低速外設(shè)、存儲(chǔ)器（SRAM，ROM，DDR）等所有系統(tǒng)組件連接起來，允許這些組件之間進(jìn)行互聯(lián)互通，并且易于軟件編程使用。系統(tǒng)分析與評(píng)估了片上的通信帶寬、吞吐率、QOS、功耗使用、安全性以及成本等因素后，最終通過片上切分為多個(gè)總線區(qū)域進(jìn)行互聯(lián)，參見圖1。

4.6高速接口模塊設(shè)計(jì)

4G只有前傳和回傳2個(gè)部分，在SG網(wǎng)絡(luò)中則演變?yōu)槿齻€(gè)部分，AAU連接DU部分稱為SG前傳（Fronthaul），中傳（Middlehaul）指DU（處理L1物理層）連接CU（處理L2/L3協(xié)議棧）部分，而回傳（Backhaul）是CU和核心網(wǎng)之間的通信承載，如圖6所示。基帶SoC處于BBU中的DU部分，相關(guān)的接口只涉及前傳與中／后傳。

前傳接口：OC8010上的eCPRI用于O-DU High-PHY和O-RU Low-PHY之間通過以太網(wǎng)傳輸頻域IQ數(shù)據(jù)，接口遵循O-RAN聯(lián)盟的前傳接口規(guī)范，同時(shí)支持OTIC的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。支持5G物理層功能按Option8（CPRI）和Option7-x（eCPRI）接口切分方式與RU對(duì)接，芯片可編程配置處理前傳接口的CPRI/eCPRI協(xié)議數(shù)據(jù)和用戶自定義數(shù)據(jù)，CPRI/eCPRI接口均支持發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的壓縮與解壓縮，支持的壓縮算法如塊浮點(diǎn)（Block Float-Point）、塊縮放（Block-scaling）、律（I -law）等，能夠滿足4G&5G多應(yīng)用場(chǎng)景下的定制化需求。

中后傳接口：DU與CU之間的中傳接口采用PCIe Gen4（向下兼容Gen3）或ETH （10GE），該接口主要實(shí)現(xiàn)L1與L2的通信。

5SoC芯片的可靠性設(shè)計(jì)

5.1高可靠的冗余電路設(shè)計(jì)

對(duì)于內(nèi)存軟錯(cuò)誤（soft errors），錯(cuò)誤修正碼（ECC）技術(shù)在SRAM電路中得到了廣泛的應(yīng)用，通過對(duì)輸人數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并在內(nèi)存中添加額外的冗余存儲(chǔ)位來提高內(nèi)存的容錯(cuò)性。對(duì)于硬錯(cuò)誤（hard errors），內(nèi)置自檢（built-in self-test，BIST）技術(shù)是內(nèi)存測(cè)試技術(shù)的主流，內(nèi)置自修復(fù)（built-in self-repair，BISR）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，用于處理硬錯(cuò)誤的修復(fù)。通過BISR的修復(fù)，可極大地提高芯片的優(yōu)良率以及降低芯片的成本。ECC電路和BISR電路分別用于軟誤差和硬誤差的修復(fù)。以上兩種冗余電路技術(shù)在OC8010芯片上都已被采用，用來提升芯片的可靠性以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

5.2高可靠復(fù)位電路設(shè)計(jì)

為確保芯片系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分。例如，電路在工作中受到干擾后，容易出現(xiàn)CPU程序“跑飛”而盲目運(yùn)行，甚至出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，芯片上的復(fù)位電路則能夠糾正系統(tǒng)錯(cuò)誤，以確保系統(tǒng)正常工作。

高可靠復(fù)位電路主要應(yīng)用場(chǎng)景包括如下幾個(gè)部分。

系統(tǒng)啟動(dòng)：從芯片上電復(fù)位開始至CPU加載完Uboot這一階段，復(fù)位電路進(jìn)行的PLL配置、時(shí)鐘切換等應(yīng)用。

子系統(tǒng)初始化：片上子系統(tǒng)由復(fù)位釋放到正常工作這一階段，復(fù)位電路對(duì)應(yīng)的初始化操作。

子系統(tǒng)重啟：子系統(tǒng)在正常工作日寸，可根據(jù)需求重新啟動(dòng)。包括CPU、DSP以及各類硬件加速器等子系統(tǒng)重啟等。

異常情況處理：應(yīng)對(duì)異常觸發(fā)的場(chǎng)景，復(fù)位電路對(duì)應(yīng)的操作。

5.3多工作模式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低功耗

OC8010芯片從一開始的系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就引入了低功耗設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)和架構(gòu)設(shè)計(jì)層從性能和功耗方面進(jìn)行軟硬件劃分，通過軟硬件協(xié)同仿真，將最佳性能／功耗比作為確定片上軟硬劃分的依據(jù)，以及將不同的子系統(tǒng)功能單獨(dú)分割開，方便后續(xù)芯片的實(shí)現(xiàn)等。

在RTL設(shè)計(jì)階段采用的主要方法如下。

（1）門控時(shí)鐘技術(shù)（Clock gating），根據(jù)設(shè)計(jì)將暫時(shí)不用的模塊的時(shí)鐘信號(hào)通過一個(gè)控制信號(hào)關(guān)斷（ gating）住，降低該模塊的時(shí)鐘信號(hào)翻轉(zhuǎn)率，從而降低芯片功耗。

（2）電源門控（power gating），可通過靜態(tài)配置的方式，將芯片中某個(gè)區(qū)域的供電電源關(guān)掉。

（3）支持動(dòng)態(tài)頻率（Dynamic Frequency Scaling）調(diào)節(jié)等，如支持每個(gè)DSP核可單獨(dú)配置持降頻至1/2和1/4。

另外，根據(jù)系統(tǒng)中各個(gè)模塊的用途，以及IP自身支持的低功耗方案，將SoC劃分為不同的功率域，系統(tǒng)級(jí)的功率域如圖7所示。

針對(duì)不同的功率域子系統(tǒng)，以及每個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部模塊都可以進(jìn)行精細(xì)的低功耗設(shè)置，如可以對(duì)部分CPU/DSP核或者某個(gè)加速器進(jìn)行關(guān)斷，從而有助于在各種通信場(chǎng)景下獲取高性能和低功耗特性。

6結(jié)束語

寬帶無線通信基帶芯片的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，只有少數(shù)幾家國外芯片巨頭可提供成熟的解決方案。本文介紹了國產(chǎn)OC8010商用小基站基帶芯片的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，提出了支持4G&5G雙模并發(fā)的基帶芯片解決方案，設(shè)計(jì)中解決了基帶芯片處理數(shù)據(jù)量大、算法復(fù)雜度高、可靠性要求高、低功耗等問題，滿足了商用4G&5G的大容量要求。該芯片方案有助于相關(guān)人員了解目前小基站基帶芯片的現(xiàn)狀，并為類似基帶芯片設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。