4G基地台可編程需求高漲　DSP/FPGA邁向競合

圖1　以FPGA實作LTE基頻參考設計方案架構

主流標準懸而未決　4G基地台設計首重彈性  

LTE可為行動通訊用戶帶來100Mbit/s或更高的資料傳輸率，是目前3G網路的十倍。如此高的資料傳輸率，讓電信業者與手機製造商能夠在其網路與行動裝置上，為顧客提供更多先進功能，例如行動電視、先進影像、遊戲、上網、電子郵件及語音等。因此，行動裝置製造商將可向電信系統業者銷售更多先進手機，而電信業者則能提供更多高價的手機產品方案，進而提高平均每戶貢獻值(ARPU)。但在此之前，電信業者必須先進行無線網路基礎建設。  

目前全球業者有70%採用GSM網路(尤其是3G WCDMA)，但北美與南韓則主要使用3G CDMA2000網路。日本的電信業者已著手測試LTE底層的正交分頻多工(OFDM)調變機制，開始啟動LTE的採用程序。  

由於高通(Qualcomm)以CDMA2000為基礎所提出行動超寬頻(UMB)提案未獲業界的支持。而目前採用CDMA2000的電信系統業者中，贏得聯邦通訊委員會700MHz頻譜競標的威瑞森(Verizon)已帶頭宣布將在此頻段建置LTE。因此，目前建置CDMA2000網路的電信系統業者有可能轉移至LTE。  

雖然業界並不期待在2012年之前LTE會進入大規模部署的階段，但無線電信系統業者在採購新款基地台時，仍希望能採用既可支援目前網路，又能升級至4G無線網路的設備。此外，他們也希望把每個系統與整個網路的成本降至最低，其中包括降低基地台功耗與電費成本。  

值得注意的是，雖然CDMA2000與WCDMA似乎將整合成LTE，但仍不確定其他地區是否也採用LTE網路。某些國家的電信系統業者採用數據型網路，如全球微波存取互通介面(WiMAX)與 南韓的WiBro，電信業者可透過封包來傳 送語音訊號。因此WiMAX/WiBro將與LTE呈現競爭態勢。但事實上，LTE與WiMAX是相當類似的標準。據報告指出，兩者的基頻功能有80%是相同的，因此基地台廠商得開發能同時支援4G標準與舊有3G網路的基地台。  

但即使全球都彙整至LTE，LTE不太可能是網路系統業者最後採用的標準技術。  

的確，若說歷史能反映出未來的走向，很可能代表當LTE開始部署之際，某些從網路效能、新功能/服務、甚或政治層面所產生的新需求，將刺激5G解決方案的產生，或促使LTE的生命週期延長。雖然第三代行動通訊夥伴計畫(3GPP)至今尚未完成LTE標準的制定，業界也才剛開始推出LTE設備，但事實上，業界已著手為像是LTE進階版等5G網路鋪路。  

對於哪種網路最好？哪種標準會真正成熟？以何種形式？須要支援哪些新應用？這些不確定性促使電信系統業者多方押寶，並傾向於更具可適應性、可擴充性、容易修改且較低成本的技術，來因應4G標準的變遷。簡言之，次世代基地台必須具備彈性，而彈性的標準則尚無定論。  

基頻/射頻擴充性　缺一不可  

由於3GPP尚未將LTE與WiMAX標準完全制定完成，因此試圖搶先攻占市場版圖的業者，必須保持足夠的設計彈性。問題在於：要多彈性？  

無線網路標準(與無線網路)含有兩個基本元件層：實體層(PHY Layer)與軟體。實體層規範了網路支援此標準所需的硬體效能與功能。軟體層則定義了各種應用軟體遵循基本網路標準時所需要的功能性。以往，電信設備業者可推出具擴增性的軟體甚至增強型硬體(超越標準所規定的基本實體層與軟體需求)，以吸引顧客選購特定網路設備。然而在4G時代，由於這類彈性需求極高，因此有些人預期軟體定義無線電(SDR)可望崛起，因為這種技術將允許基地台硬體透過線上重新編程，就能支援每種標準。  

混沌不明的局勢促使電信業者多邊押注，並傾向於更具適應性、可擴充、更容易修改且成本低廉的技術，來因應4G標準的變遷。簡而言之，下一代的基地台必須有充裕的彈性。  

在3G時代的初期，許多新公司提供特殊型晶片，內含可編程的邏輯核心與硬連線的高效能模塊。然而，這些元件卻非常難編程，且貴得離譜，因此軟體定義無線電的願景還無法實現，但有些廠商正著手運用商業化FPGA，來製造創新的軟體定義無線電子系統。或許在不久的將來，這些子系統會出現在基地台。  

有些分析師不相信次世代基地台將會如同市場所預測(或期盼)的，具備真正的可擴充性與支援多模的能力。因為WiMAX與LTE雖可融合成一套以OFDM為基礎的不同標準。但事實上，要開發次世代基地台不只要選擇支援WiMAX或LTE，進而在軟體上稍作修改而已，還須支援GSM與CDMA2000所有的射頻鏈與基頻功能，否則無法向下相容2G與3G。因此，最終設計者還得作出取捨，否則基地台設計就會變得太過複雜。  

Heavy Reading負責無線市場的資深分析師Gabriel Brown表示，射頻元件的狀況與基頻一樣重要。理論上，多模、可升級的基頻功能設計是可以實現的，但若沒有完整的射頻鏈，多頻/多模基頻根本發揮不了作用。Brown強調，就算多模基地台理論上是可行的，還是得要有對應的射頻鏈來實現整個系統。當業界說某個系統可以升級，通常指能在同一個技術脈絡中升級。例如，藉由升級軟體的方式，相同的基頻硬體可以從WCDMA升級到高速封包接取(HSPA)、HSPA+(因為這些技術可以共享同樣的射頻鏈)。但如果想透過不同的調變機制，在不同世代的射頻技術間進行跳躍，就太過理想化了。  

可編程需求增溫　DSP/FPGA亦敵亦友  

基地台硬體的核心是一連串的電子系統，控制大部分無線網路功能。傳統上這些系統是以特定應用積體電路/特定應用標準產品(ASIC/ASSP)，以及像是數位訊號處理器(DSP)等標準產品為核心的系統，但這些技術會限制設計團隊對系統進行修改的能力，更難以實現硬體現場升級。  

因此，當基地台廠商開始設計4G基地台，來支援尚未完成規範制定的LTE標準，同時還須支援3G網路時，FPGA技術的重要性就被突顯。  

當拆開一部5年前出廠的基地台，內部肯定不會看到太多FPGA元件。但在現今系統中，FPGA已經是無線電與頻道介面卡相當重要的元件。因為FPGA能滿足基地台比以往具備更多彈性的設計需求。  

在為傳統3G基地台進行變更時，業者可以嘗試部署軟體修正檔來修正軟體方面的問題，或對硬體缺點進行改善，這種作法會拖慢硬體，進而降低基地台的整體運算速度，但LTE的出現勢必會對基地台的運算速度帶來更高的要求，這樣的作法顯然不太能派上用場；另一種作法則是派遣技術人員到現場更換有缺陷或老舊的印刷電路板，把含有這些元件的機板換成新的(可能同時安裝軟體修正檔)。  

倘若要進行更大幅的變動，如支援新標準等，電信系統業者就必須安裝新基地台，像AT&T幾年前就從GSM轉移至WCDMA。當然，派遣技術人員到世界各地更換硬體與修正軟體會大幅增加電信系統業者的網路維護成本；新基地台建置與場地租用的成本更是不容小覷。事實上，基地台硬體的成本只占整體成本的一小部分，土地租用與維護的成本遠遠超過基地台本身的售價。  

雖然基地台廠商喜歡賣給電信業者支援不同標準的基地台，但電信業者再也負擔不起昂貴的升級作業，並開始尋找彈性方案，擴大可帶動營收成長的服務、更高的資料傳輸率、更低的功耗與維護成本、當然還有更實惠的價格。相較於多年前，基地台的成本約為25萬美元，新基地台的售價多介於15,000～25,000美元之間。  

若基地台須支援多種標準，設備業者通常必須針對每種標準設計一個ASIC、配套電路板及額外的電路，來為這些機板與現有天線之間的通訊進行協調。但在基地台系統售價降低的情況下，設計成本高昂的且難以使用尖端製程生產的ASIC，在巨型(Macrocell)、微型(Microcell)及微微型(Picocell)基地台市場的吸引力越來越低。  

一顆65奈米ASIC光罩成本約為150萬美元，而45奈米光罩約為300萬美元。再加上電子設計自動化(EDA)工具與矽智財(IP)成本，讓研發成本還會增加幾百萬美元。對於矽元件廠商而言，ASSP同樣昂貴，不僅製造流程複雜，而且通常僅能在軟體層進行修改。若設備製造商必須在ASIC、ASSP或DSP之間選擇時，DSP由於應用範圍最多元化，因此很可能在4G基地台市場維持一定的地位。但DSP只能修改軟體的特性將會讓研發業者在現場變更設計時，面臨彈性受限的窘境，因此需要其他方案來補足。  

當問題只是單純針對語音方面的GSM與CDMA時，最好的方法就是由DSP包辦所有功能。但當開始加入增強數據率GSM演進(EDGE)與高速下行封包接取(HSDPA)等各種數據服務時，較合理的選擇應該是FPGA解決方案。從2002年開始，許多研發業者便逐漸讓FPGA在多模基地台中扮演更吃重的角色，有些業者甚至讓FPGA作為多模基地台中軟體定義無線電的主要元件。  

FPGA為基地台提供更高的彈性與效能，是ASIC、ASSP以及DSP所辦不到的，進而讓電信系統業者藉由擴增新的頻寬密集應用來提高ARPU。FPGA對於多模基地台極具吸引力，因為它結合許多可重新組態的資源，來支援高效能的訊號處理作業。  

Linley Group公司資深分析師Joe Byrne表示，FPGA在基地台之所以更具吸引力，其中一項原因就是LTE採用OFDM調變機制。LTE的下行調變機制是OFDM，與現有WCDMA的機制不同。相信次世代基地台將是內含兩個不同處理模組的單一設備：其中一個負責處理舊通訊協定，另一個則處理新通訊協定。  

但筆者相信業界有機會開發能處理兩種協定的設備，條件之一就是需要可編程的元件。可編程能力可以來自FPGA，或具備更多傳統軟體編程能力的元件，如DSP。　  

OFDM不是訊號承載器，而是透過大量的載波，以平行模式同時傳送大量的訊號。這意味著處理作業必須以平行模式來執行。因此從FPGA的角度來看，若基地台有數千個載波要處理，可運用大型FPGA，並將其切割成許多處理單元，以平行模式同步處理每個載波。平行處理是FPGA相當擅長的作業，而非序列式處理。　  

未來在進行基地台設計時，使用如FPGA等可編程邏輯方案來取代DSP等軟體方案，之後再視情況進行微幅調整的機率將會大增。業界都相當熟悉實體層，但可從實體層擷取出最佳效能的實際演算法可能會改變。維持彈性是好事，尤其是在拓展市場的初期。一般相信次世代基地台將混合運用DSP與FPGA元件。研發業者正為4G基地台評估多種架構。圖2與圖3顯示在這些架構中的FPGA之中兩種使用方式。

圖2　使用DSP架構進行FPGA前置處理作業

圖3　FPGA作為LTE的協同處理器

除了彈性之外，效能亦是4G網路的一項關鍵。事實上，這個問題讓許多次世代基地台的研發業者把運算元件移向基地台高塔的上層，讓其更接近天線，藉以縮短天線與基地台控制系統間的傳輸時間。  

邁向後4G時代　FPGA更形關鍵  

雖然許多分析師認同FPGA在4G網路將扮演更重要的角色，卻也質疑是否有製造商能夠開發出理想的多模基地台，且能預測與處理5G基地台的資料傳輸率以及未來的功能需求。  

過去，電信系統業者已花費數年的時間，遞增式升級其3G基地台。他們透過軟體升級至基頻處理器(如今則是DSP或FPGA)的方式，已從7.2Mbit/s升級至10Mbit/s。在LTE方面，業界將看到設備供應商提供許多遞增式升級方案，但若電信業者想做更大幅的升級，就必須要購買全新的硬體設備。  

尤其在5G登上主流之際，市場對新硬體的效能與功能需求將更為顯著。這意味研發業者以及整個無線網路頻譜都將面臨更多挑戰與機會。  

為此，FPGA業者也挹注可觀資源，開發基地台市場專屬的FPGA，還有其相關的工具、IP與嵌入式軟體。同時和許多IP與軟體夥伴合作，協助研發業者因應各項挑戰，並針對4G無線網路開發創新方案，尤其是全球無線通訊系統中，扮演最關鍵角色的基地台。  

Femtocell成後起之秀  

到目前為止，無線網路服務業者都運用兩種基地台(一般稱為蜂巢)。第一種是巨蜂巢(圖4)，通常包含一個高塔，塔的上端裝設負責傳送與接收的無線電天線(接收天線通常置於最上端)。

圖4　一個典型的巨蜂巢基地台在最上方設置接收天線，傳送天線置於接收天線下方，底部則設置控制系統。

這些天線透過光纖電纜把訊號沿著高塔傳送至底部的電子系統。電子系統協調天線的傳送與接收功能；協商與其他基地台的訊號涵蓋區域；當用戶從某個基地台的涵蓋區域移動到另一個基地台的涵蓋區域時，會把通話資料傳輸至網路的其他部分，並累積計費的通話時數。巨蜂巢一般擁有較大的涵蓋範圍，電信業者把它們部署在鄉間地區，或沿著高速公路部署。  

第二種傳統基地台稱為微蜂巢。無線系統業者通常把這類基地台部署在像是城市等人口密集的地區。微蜂巢的涵蓋區域比巨蜂巢來得小，但一個叢集的微蜂巢能讓更多人存取系統業者的無線網路。  

在近幾年，業界有些公司推出兩種其他類型的基地台：微微蜂巢式與毫微微蜂巢式。微微蜂巢式基地台鎖定更小、人口更密集的區域，例如像機場、會議中心及體育場館；毫微微蜂巢式基地台則鎖定住家和小型辦公室。巨蜂巢、微蜂巢及微微蜂巢以往都是賣給網路業者。毫微微蜂巢則是透過零售商直接賣給消費者，或與有線電視或衛星電視等服務方案一起搭售，由網路營運商直接提供設備給消費者。  

對於此一全新形態的基地台，目前業界的看法仍呈現分歧的局面。有一派分析師認為，目前毫微微蜂巢式基地台處於過度宣傳的狀態，實際上，毫微微蜂巢式基地台的銷售與部署狀況與預期有極大的差距，有些分析師甚至非常悲觀地表示不知道這類新型設備是否有實際的市場。  

但也有一派觀點認為，隨著住家中越來越多裝置支援無線網路，以及4G網路回程線路頻寬需求暴增所帶來的網路營運成本上漲，毫微微蜂巢式基地台有可能協助電信業者解決4G部署挑戰並提升客戶滿意度。不論如何，毫微微蜂巢式基地台極有可能會成為一個有趣的應用焦點，值得業界持續關注其發展。  

(本文作者任職於賽靈思)