A mobil adatforgalmazás iránt mutatkozó globális igény exponenciális felfutása újabb megoldandó feladatot adott a vezeték nélküli távközlési szolgáltatóknak és rendszereik tervezőinek. Nagy könnyebbségükre a vezeték nélküli távközlési technológiák folyamatosan és nagymértékben fejlődnek, amelynek eredményeképpen az új kihívásoknak eleget tevő LTE1-technológiát nevezték ki a globális szabványnak. A világ huszonöt legnagyobb globális távközlési szolgáltatója döntött úgy, hogy saját hálózataiban bevezeti az LTE-támogatást, és ezzel hatékonyabban használja ki a rádiósspektrumot, amely végeredményben nagyobb, 1 Hz-re jutó adatmennyiség átvitelét teszi lehetővé a korábbi technológiákhoz képest

A sikeres LTE-bevezetéshez a bázisállomások áramköreiben a korábbiakhoz képest elengedhetetlen néhány rendszerszintű tervezési fejlesztés. A bázisállomások gyártói a távközlési szolgáltatók költségeinek alacsonyan tartása érdekében egyre inkább a system-on-chip (SoC) jellegű áramköri megoldásokat preferálják. A Texas Instruments kifejlesztett egy új SoC-architektúrát, amellyel kifejezetten az LTE-termékek fejlesztési költségeinek csökkentését segíti elő azzal együtt, hogy csúcstechnológiás eszközt adnak a fejlesztők kezébe. A TI többmagos SoC-architektúrája, a KeyStone optimalizált erőforrás-kihasználást nyújt W-CDMA² és LTE távközlési technológiák esetén, illetve kedvező költségeket és alacsony elektromos teljesítményigényt is kínál. A vezeték nélküli bázisállomások szempontjából a KeyStone egyik legfontosabb előnye a hálózati fizikai réteghez (PHY³) kötődő, konfigurálható hálózati segédprocesszorok elérhetősége.

Az LTE fizikai rétegéről
Mielőtt bemutatnánk a KeyStone és a TI TMS320TCI6618 típusszámú megoldását, vegyük át röviden az LTE fizikai réteg legfőbb jellemzőit! Ismeretes, hogy az LTE a 3GPP⁴ szervezet legújabban kidolgozott mobilszabványa. Az LTE-ben a 3G-hez képest jelentős technológiai fejlesztéseket hajtottak végre, amelynek eredménye, hogy az LTE-hálózatok első generációiban akár 100 Mibit/s adatátviteli sebesség érhető el downlink (bázisállomás › mobilterminál), illetve akár 50 Mibit/s uplink (mobilterminál › bázisállomás) irányban a 20 MHz-es spektrumban. Az LTE támogatja a rugalmas csatorna-sávszélességet 1,4 ... 20 MHz között, valamint a frekvenciaosztásos és időosztásos duplexelést is (FDD⁵ ill. TDD⁶), amelyek szintén a rugalmas spektrumkihasználást segítik elő.
Az LTE kommunikációs protokollstack alapjára, a fizikai rétegre a szakirodalom gyakran hivatkozik "Layer 1" néven is. Ez a PHY-réteg a legalapvetőbb eleme a bázisállomás és mobilterminál közötti összeköttetésnek, hiszen megfelelő minőség hiányában nő a megszakadt hívások, meghiúsult adatletöltések és hasonló hibák gyakorisága.
A PHY-réteg a közeg-hozzáférési (MAC⁷), valamint rajta keresztül a rádiós erőforrás-vezérlési (RRC⁸) réteghez csatlakozik, továbbá a még magasabban fekvő rétegek számára is közvetít adatokat. A PHY feladatkörébe tartozik a csatornakódolás, a hibrid-automatikus ismétlési kérelmek (HARQ⁹) feldolgozása, a moduláció, a többantennás feldolgozás, valamint a jelek leképezése a megfelelő fizikai idő-frekvencia erőforrásokra.

Az LTE-ben a mobilterminál felé irányuló feldolgozás során a PHY a MAC-rétegtől kapja az adatokat és vezérlési információkat transzportblokkok formájában, és ciklikus redundancia-ellenőrzés (CRC¹⁰) számítással, valamint ezen információ transzportblokkhoz illesztésével kezdi a feldolgozást. Amennyiben a transzportblokk mérete meghaladná a 6.144 bites, maximális kód-blokkméretet, a blokk szegmentálásra kerül. Ebben az esetben a PHY újraszámítja a CRC-t is a csatornakódolás előtt. Az 1. ábra mutatja az LTE downlink főbb funkcionális blokkjait.
A turbókódolás voltaképp egy nagy teljesítményű, előremutató hibajavító (FEC¹¹) módszer, a rátaillesztés pedig lyukasztást vagy ismétlést alkalmaz az éppen elérhető fizikai csatorna-erőforrásokhoz való illesztésre. A HARQ egy megbízható újraküldési módszer, amely akkor lép életbe, ha a vételi oldalon nem jelennek meg a helyes adatok, a bitkeverésre pedig a kódblokk-konkatenáció után kerül sor annak érdekében, hogy a nullákból és egyekből álló bitsorozatok rövidüljenek, és ez moduláció előtt ne okozzon szinkronizációs hibákat a vevőben. Az LTE-réteg-letérképezésnél különféle modulációs sémák érhetők el (pl. QPSK¹², 16QAM¹³, 64QAM¹⁴), az előkódolás többantennás átvitelt is támogat. Végezetül pedig az ortogonális frekvenciaosztásos multiplexálásos (OFDM¹⁵) moduláció szimbólumai kerülnek leképezésre az egyes antennaportokra.
Az LTE-technológia tehát a 3G HSPA+¹⁶ szabványban bevezetett megoldá­sok közül többet is alkalmaz, pl. a HARQ-t, turbókódolást vagy a többantennás módszereket, amely utóbbiakkal az LTE-ben elérhető a 20 MHz-es spektrumon a 100 Mibit/s downlink és az 50 Mibit/s uplink sávszélesség is. A TI TCI6618 nevű rendszerchipje kétszektoros, 20 MHz-es, 2×2-es MIMO¹⁷ konfigurációt támogat, amely akár 300 Mibit/s downlink és 150 Mibit/s uplink adatátviteli sebességet tesz lehetővé. Az LTE downlink és uplink irányban is támogatja az OFDM-et és a MIMO antennatechnológiát, amely jelentős előrelépés a 3G-s rendszerekhez képest.

Az OFDM-alapú adatátvitel
Az OFDM rádiós adásvétel egy robusztus rendszer, amely kellő védettséget biztosít a csatorna kedvezőtlen terjedési jellemzőitől, a keskenysávú csatorna-interferenciától, a szimbólumközti áthallástól, a különböző amplitúdókkal és fáziskülönbségekkel érkező felületi és visszavert hullámok interferenciájától (fading) stb.
Ez a megoldás kiváló spektrális hatásfokot biztosít, továbbá érzéketlen az idő-szinkronizációs hibákra. Az LTE downlink-feldolgozásban többvivős OFDM átvitel működik ciklikus prefixszel, az uplinkben pedig szélessávú, egyvivős OFDM-átvitelt használnak gyors ciklikus prefixszel, amely csökkenti az átvitt jel pillanatnyi teljesítményének ingadozását. A gyors Fourier-transzformáción (FFT¹⁸) nyugvó rendszer nem bonyolult, az OFDM-moduláció és -demoduláció hatékonyan megvalósítható.

A MIMO-technológia
A MIMO-antennákon alapuló, intelligens antennatechnológia az LTE-ben mind az adó-, mind a vevőoldalon működik, implementációjának oka a teljesítménynövelés volt. A MIMO-antennatechnológia jelentősen javítja az adatátviteli sebességet és lefedettséget anélkül, hogy további sávszélességre vagy adási teljesítményre lenne szükség, és sokkal jobb spektrális hatásfokot és összeköttetési megbízhatóságot kölcsönöz a rádiós rendszernek. A 2. ábra egy 2×4-es konfigurációjú LTE uplink MIMO-csatornamodellt mutat a hozzá tartozó vételi oldallal.
A többantennás uplink MIMO vételi technikák javítják a jel/zaj viszonyt is: a maximum-rátás kombináció (MRC¹⁹) például egy hatékony antennakombinációs stratégia olyan esetekben, amikor a vevő teljesítményét elsődlegesen a zaj korlátozza, azonban interferencia uralta csatornákban a minimum átlagos négyzeteltéréses hiba (MMSE²⁰) kombinációs technika adja a jobb megoldást az antennák közötti súlyozásra, amely a legkisebb átlagos négyzeteltéréses hibát hozza. Az MMSE-MIMO-kiegyenlítés lebegőpontos megvalósítása jelentősen csökkenti a feldolgozás összetettségét, és nagy teljesítményű, jó hatásfokú LTE MIMO vevő megvalósítását teszi lehetővé.

Az LTE szolgálatában: a TCI6618 a Texas Instrumentstől
A TCI6618 típusjelű SoC a Texas Instruments TMS320C66x nevű digitális jelfeldolgozó processzorgenerációjának (DSP²¹) egyik tagja. A cég KeyStone nevű, többmagos architektúráján nyugvó TCI6618-at nagy teljesítményű, vezeték nélküli infrastruktúraalkalmazásokhoz fejlesztették ki, és kiválóan megfelel az LTE-technológia előbbiekben részletezett minden elvárásának. A 3. ábra mutatja a rendszerchip funkcióit és feldolgozóelemeit.
A TI KeyStone SoC architektúra-feldolgozási képessége kiváló, architektúrája folytán pedig az LTE technológiai fejlődésének tekintetében jövőálló. A többmagos TCI6618 4 darab, 1,2 GHz-es C66x feldolgozómagot tartalmaz, amelyek rendelkeznek a TI DSP-platformokból átemelt fix- és lebegőpontos aritmetikai egységekkel, továbbá helyet kapott bennük az új, kifejezetten 4G-s rendszerekhez fejlesztett, lebegőpontos aritmetika és társprocesszorok. A számítási teljesítmény ilyen mértékű fokozása a bázisállomási rendszerekben kulcsfontosságú a nagy sebességű, 4G-s rendszerchipek életképessége szempontjából.
A KeyStone többmagos architektúrája az első, mely alapként egy nagy teljesítményű struktúrát valósít meg csökkentett utasításkészletű számítógép (RISC²²), DSP-magok, alkalmazásspecifikus segédprocesszorok és I/O-egységek integrációjára. A KeyStone ugyancsak úttörő a többmagos architektúrák között abból a szempontból, hogy elegendő belső sávszélességet biztosít zérus késleltetésű, ütközésmentes hozzáférésre valamennyi feldolgozómag, periféria, segédprocesszor és I/O-egység számára. A hardveres gyorsítók tömkelege jelentősen csökkenti az LTE-rendszerekben tapasztalható késleltetéseket, és súlyos terhektől mentesíti a központi feldolgozóegységeket, amellyel optimális kapacitást biztosít, és gazdasági értelemben vett szolgáltatás-differenciálást tesz lehetővé. A TI a rendszerchip mellett kínál LTE PHY szoftvert is, amely alapelemeket szolgáltat a fizikai réteget tervezők számára, természetesen erős C66x-optimalizációval együtt. A TMS320TCI6618 igen robusztus hardverfejlesztési platform, amely nem nélkülözi a teljesen optimalizált LTE PHY könyvtárszoftvert, valamint a platformfejlesztési támogatást sem.

1 W-CDMA: Wideband Code Division Multiple Access
2 W-CDMA: Wideband Code Division Multiple Access
3 PHY: Physical Layer
4 3GPP: Third Generation Partnership Project
5 FDD: Frequency Division Multiplexing
6 TDD: Time Division Multiplexing
7 MAC: Medium Access Control
8 RCC: Radio Resource Control
9 HARQ: Hybrid Automatic Repeat Request
10 CRC: Cyclic Redundancy Check
11 FEC: Forward Error Correction
12 QPSK: Quadrature Amplitude Shift Keying
13 16QAM: 16-Quadrature Amplitude Modulation
14 64QAM: 64-Quadrature Amplitude Modulation
15 OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing
16 HSPA+: High-Speed Packet Access
17 MIMO: Multiple Input, Multiple Output
18 FFT: Fast Fourier Transformation
19 MRC: Maximum-Ratio Combining
20 MMSE: Minimum Mean Square Error
21 DSP: Digital Signal Processor
22 RISK: Reduced Instruction Set Computer

Kapcsolódó honlapok:
Texas Instruments
Farnell
element14