FPGA內建SERDES助益　次世代基地台更具成本優勢

由於連線的需求持續增加，無線供應商為了要提供價格合理的方案，所面對的利潤壓力也隨之提高。對於這些無線供應商而言，影響利潤的關鍵因素就是網路的成本。為了要對持續成長的用戶群提供支援，基礎架構必須隨之發展，因此對於無線供應商而言，抑制其網路的成本，同時又要維持與經常改善其服務的統計量就變得日趨重要。  

開放式基地台架構創始聯盟領軍  

開放式基地台架構創始聯盟(Open Base Station Architecture Initiative, OBSAI)乃是由現代集團(Hyundai)、樂金電子(LGE)、三星(Samsung)、中興、以及諾基亞(Nokia)等無線原始設備製造商(OEM)所創建的產業標準組織，其宗旨在於透過訂定一組共通的模組，來實現基地收發站台(BTS)之設定與互連的標準化。除OBSAI之外，還有另外一個稱為通用公共射頻介面(Common Public Radio Interface, CPRI)的創新聯盟，是由另外一群主要的無線OEM如易利信(Ericsson)、華為、恩益禧(NEC)、北電(Nortel)以及西門子(Siemens)所建立，其成立目的為將無線電設備(Radio Equipment, RE)與其控制器(Radio Equipment Controller, REC)之間的介面加以標準化。這兩種標準的目的大致上是相同的，且均可減少設備供應商在開發新產品時所須投注的努力與成本。  

OBSAI為次世代的基地台定義一個模組化的架構，OBSAI規格同時也對內部模組的介面規格予以定義，像是OBSAI之類的產業標準，可以使生產廠商用以開發完整基地台解決方案的現成模組能夠更快速的供貨。介面的標準化會使得晶片與解決方案供應商之間的競爭更加激烈，也會在較低成本下產生出更多的先進特點。這可以使設備供應商降低整體成本，同時也能夠縮短上市時間，並讓生產廠商可以將其研發資金專注的投入基地台的新服務與新功能開發上。終端使用者亦可以較低之成本獲得額外的服務。  

OBSAI論壇已經建立了使用於基地台架構的開放式內部介面規格，以及涵蓋了輸送、控制、基頻與無線電領域之模組規格。OBSAI規格家族定義了系統架構、功能描述、以及用來將整套的通用模組整合至基地收發站台內的最低要求。  

如圖1所示，介於BTS功能區塊之間的內部介面被指定為參考點1(RP1)、參考點2(RP2)以及參考點3(RP3)。RP1的規格包含了對所有區塊的資料控制與訊號的時脈控制；RP2的規格針對介於輸送區塊與基頻區塊之間的使用者資料封包提供明確設定；而RP3則對使用者介面以及在基頻區塊和射頻區塊之間以訊號發送資料的方式提供相關規格。

圖1　OBSAI基地收發站台的參考架構

隨著分散式基地台架構與無線射頻頭端(Remote Radio Head)的出現，RP3介面的重要性與日俱增。這些全新的網路拓撲以單一基頻區塊來控制多重射頻區塊，且允許設計者使用點對點設定以及網路化的拓撲架構。圖2乃是一個具有無線射頻單元(RRU)之BTS架構範例。為了要與這些新的設定相互搭配，OBSAI規格家族中的RP3通訊協定規格延伸定義出RP3-01通訊協定規格。此規格被設定為能夠支援數種RRU拓撲，其中包括有前述介於BTS與RRU之間的點對點連結，以及鏈狀、樹狀與環狀拓撲等。除了能夠支援對於多重RRU的資料傳輸之外，RP3-01延伸規格同時也提供了可以將RP1的控制訊息映射至RP3基頻連結中的能力。映射能力在這些可讓資料與控制訊息分配所需連線數量最小化的新設定當中，是極為重要的。

圖2　PR3-01架構範例

SERDES為實現OBSAI基地台的關鍵  

現場可編程閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)在次世代無線設備的實作上扮演了關鍵性的角色。隨著無線通訊協定的發展及改變，FPGA可以提供能夠使上市時間更短，且具有彈性的平台。具有串列器/解串列器(SERDES)的FPGA元件能夠輕易的實現多重速率通訊協定，因為系統設計者可以透過更新軟體FPGA智慧財產權的方式來改變物理速率與進行通訊協定邏輯更新。全新而且經過更新的服務、3G/4G、資料與視訊服務等，都會推動頻寬需求成長，同時行動業者也會持續的找尋降低成本的方法。固定的基礎架構升級是無線基礎架構市場的一部分。此變化中的設備市場相當適合使用全新的低成本、具有彈性化之整合性、以SERDES為基礎的FPGA，以便提供高頻寬、小機體、以及低成本的串聯式通訊協定解決方案。  

對於無線產品而言，FPGA因其所具有的彈性而一直受到歡迎。然而，由於其具有較高的成本，因而對於成本較敏感的無線設計來說就比較不適合。直到最近，希望在其無線基地台中使用FPGA的設備供應商都被迫使用昂貴的高階FPGA產品，因為只有這些元件才能提供可滿足OBSAI實體層規格要求的嵌入式SERDES功能。也因為這個緣故，這些成本高昂的FPGA只會被使用在產品的原型設計上，當設備供應商要將設計導入量產時，多半會將這類高容量FPGA轉換成以特殊應用積體電路(ASIC)為基礎的設計。因此最近所發表之具有嵌入式SERDES的低成本FPGA，就成為一種革命性的創新，如萊迪思(Lattice)所推出的以SERDES為基礎的低成本FPGA元件ECP2M。  

萊迪思ECP2M乃是以SERDES為基礎的 FPGA，在OBSAI應用裝置的領域中提供了一個理想的解決方案。該元件支援OBSAI-RP3-01規格中的實體連結層(Layer 1)、資料連結層(Layer 2)以及傳輸層(Layer 3)。該元件同時也支援OBSAI規格的三種位元速率(768Mbit/s、1,536Mbit/s、以及3,072 Mbit/s)。資料連結層與傳輸層功能的支援乃是透過提供給客戶的智慧財產權核心來達成。用以設定核心功能的控制與狀態參數則是藉由位元映射(Bit-mapped)輸入/輸出來加以管理。這部分的設計可以用硬體接線來實現，或是以介面連結至可編程的暫存器。在針對使用者的特殊應用裝置所需要之不同功能參數進行靜態以及/或動態管理的定義時，這將可以為使用者提供最佳化的彈性。客戶將會有可供選擇的圖形使用者介面選項，以便產生出以其成品需求為基礎的設定。  

這種類型的FPGA解決方案同時也可以實現OBSAI傳輸層的功能，其中包括多工器/解多工器(Mux/Demux)功能、快速乙太網路埠(MII)、RP3-01 O&M訊息架構/同步/路由支援等，也能透過以可編程的位元映射為基礎的乙太網路以及RP3-01訊息插入來達成與802.16傳送規則相容的目標。  

圖3中所示為一組具有OBSAI解決方案的的FPGA成品，切分成硬體矽智財(Hard IP)與軟體矽智財(Soft IP)以及使用者指定的邏輯電路。

圖3　OBSAI通訊協定堆疊的分割

市場環境變化突顯FPGA優勢  

在合理成本的前提下，要實現複雜功能時，ASIC以及特定應用標準產品(ASSP)一直都是相當受歡迎的。然而，隨著電信市場環境的改變，設備供應商在開發ASIC解決方案時所投入時間與資源已經成為沉重的負擔。ASSP供應商在最近的產業衰退當中也受到了沈重的打擊，只剩下少數能夠發展的廠商還存在於市場中。  

於此同時，像是CPRI與OBSAI之類的開放式工業規格則開創公平的競爭環境，因為設備設計工程師可以從許多不同的來源中選擇其解決方案。其關鍵的區分點即在於可供使用之解決方案的彈性。FPGA為設計工程師提供了彈性，而且當產業規格變更或是需求升級時，還可以提供升級的路徑。  

對於牽涉到新興規格之應用領域，或是必須使用自訂邏輯迴路的狀況下(例如要完成OBSAI的應用層功能)，可編程能力對設計工程師而言就是一項必要而且關鍵性的優點。可編程能力讓系統設計工程師可以將供應商特製的邏輯電路納入應用層，同時還具有能夠提供多重速率以及支援剛發展之較新標準(或是既有標準有所延伸時)的彈性，不會因為等待ASIC或ASSP供應商的產品推出而延誤商機。  

萊迪思ECP2M元件的嵌入式硬體矽智財部分能夠藉由執行OBSAI規格之實體層的「固定式」邏輯電路功能，包括有整合式高速SERDES通道與編解碼邏輯電路，進而提供性能以及功率上的優點。可編程的邏輯電路區塊所具有的彈性，可以在執行資料連結層與傳輸層功能的同時，還能夠讓設計工程師自訂應用層。低成本FPGA目前提供了必要的SERDES、可編程邏輯電路、以及數位訊號處理功能，藉以對次世代基地台電路板在價格點與用量之前提下，協助其達成高度的整合性，而這是在早先以高階FPGA或是ASSP/FPGA之組合所無法達成的。  

低成本FPGA為次世代基地台提供發展動力  

OBSAI創新聯盟設立的原始目的就是要建立一項開放式標準，藉以從一組共通的模組來定義基地收發站台的設定與互連，從而創造出公平競爭的環境以降低系統硬體成本，同時又能夠提供許多正在發展中的應用裝置所需的頻寬。  

最原始的OBSAI規格已經過更新，以便將延伸規格納入其中。這類型延伸規格的其中之一就是可以在RP3介面上進行傳遞之控制層面(Control Plane)通訊協定的RP3-01延伸規格。在將RP1控制層面的設定與控制訊息擴展到不存在此實體層的無線射頻天線單元時，這點特別有用。這項特色讓未來的客戶可以享受到FPGA的能力與彈性，且客戶也能夠更新其既有的FPGA產品，以便將其所發展的新標準納入其中。  

隨著無線技術的發展，無線設備供應商越來越仰賴FPGA來執行多重的功能。OBSAI就是一個嶄新而且正在發展之無線通訊協定的一個例子，同時也是可以藉由FPGA完整支援的一種無線通訊協定。採用具彈性、低成本、以FPGA為基礎的成品有許多的優點。這些優點包括有快速的上市時間、適應規格變化而且不需要修改硬體的能力、執行不同特點的彈性、以及將多重功能整合至單一晶片等，而所有的這些特點都符合能夠實現高容量部署的價格點。而在OBSAI-RP3-01的情況下，以不同的無線射頻單元(RRU)、鏈狀、環狀、與樹狀拓撲支援發展中基地台架構的能力，也明顯表現出為何FPGA的可編程本質對於這類型產品能夠提供最理想的平台。  

(本文作者任職於萊迪思)