如果你相信炒作，5G 網(wǎng)絡(luò)將徹底改變當(dāng)前的無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施。5G 技術(shù)的主要功能包括峰值 20 Gbps 下載和 10 Gbps 上傳速度、1 毫秒延遲、比 4G 高達(dá) 1，000 倍的每 km 2容量、3 倍的頻譜效率、100 倍的網(wǎng)絡(luò)能源效率以及多種無(wú)線電接入技術(shù)的集成到一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)（圖1）。許多（如果不是全部）這些特性使 5G 對(duì)物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 極具吸引力。

圖 1.根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟 （ITU） 的說(shuō)法，5G（此處顯示為 IMT-2020）預(yù)計(jì)將比 4G（顯示為 IMT-Advanced）提供顯著優(yōu)勢(shì)，包括三倍的頻譜效率、100 倍的能源效率和 1，000 x 容量。

事實(shí)上，許多 5G 物聯(lián)網(wǎng)部署已經(jīng)開始。除了在 2018 年韓國(guó)平昌奧運(yùn)會(huì)上展示 5G 之外，布里斯托大學(xué)的智能互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室最近還在布里斯托部署了一個(gè)端到端的 5G 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試臺(tái)展示了各種智能城市用例，包括自動(dòng)交通、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和智能旅游，這些用例由連接到虛擬 5G 基帶池的 5G 新無(wú)線電 （NR） 無(wú)線電頭實(shí)現(xiàn)。

5G NR 是 5G 網(wǎng)絡(luò)的新空中接口。雖然它不向后兼容 LTE，但 5G NR 確實(shí)提供了從 sub-1 GHz 到 100 GHz 的頻譜覆蓋。信號(hào)通過(guò)新的正交頻分復(fù)用 （OFDM） 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)從 5G NR 無(wú)線電頭發(fā)送，該標(biāo)準(zhǔn)使用緊密間隔的子載波信號(hào)在多個(gè)并行信道上同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

許多當(dāng)前的 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將這些 NR 無(wú)線電頭部署在具有大規(guī)模多輸入多輸出 （MIMO） 天線的基站中，這些天線使用多個(gè)發(fā)射器和接收器來(lái)更快地傳輸更多數(shù)據(jù)。此類基礎(chǔ)設(shè)施可以支持增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶 （eMBB）、海量機(jī)器類通信 （mMTC） 和超可靠低延遲通信 （URLLC） 等應(yīng)用的各種接入和連接場(chǎng)景。

更傳統(tǒng)的分布式小型蜂窩和固定無(wú)線接入點(diǎn)也將保留，但所有 5G 基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)要求是需要極高的靈活性。這導(dǎo)致許多運(yùn)營(yíng)商、電信公司和布里斯托大學(xué)等研究人員實(shí)施軟件定義網(wǎng)絡(luò) （SDN） 功能作為其 5G 網(wǎng)絡(luò)的骨干。賽靈思無(wú)線通信首席系統(tǒng)架構(gòu)師 Raghu Rao解釋了這一轉(zhuǎn)變。

“一方面是我們?cè)?5G 中看到的各種部署類型，”Rao 說(shuō)?！拔锢韺诱诒环指?，一部分物理層轉(zhuǎn)移到無(wú)線電，特別是在這種新的大規(guī)模 MIMO 技術(shù)的背景下。然后我們有小型蜂窩和家庭網(wǎng)關(guān)。然后我們也有固定的無(wú)線接入。然后我們有傳統(tǒng)的宏小區(qū)和城域小區(qū)類型的部署。因此，如果您查看各種部署，您需要的是極大的靈活性。與過(guò)去 4G 中的 100% 硬件場(chǎng)景相比，軟件驅(qū)動(dòng)的方法更能支持這種多樣性，其中一切都在一個(gè)盒子里。

“另一方面是對(duì)各種頻譜的支持，”他繼續(xù)說(shuō)道?！霸?5G 中，有低于 6 GHz 和高于低于 6 GHz 的頻率。現(xiàn)在，即使您查看傳統(tǒng)的低于 6 GHz 的部署，也有很大范圍的頻率可供人們談?wù)?。在許可輔助訪問(wèn) （LAA） 和 LTE-Unlicensed 的情況下，您正在談?wù)搶⑽唇?jīng)許可的運(yùn)營(yíng)商與它們之間的差距超過(guò) GHz 的許可運(yùn)營(yíng)商錨定。其中一些部署需要極高的靈活性，即使在射頻方面也是如此。

“這兩者都對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施站點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)提出了某些要求，”Rao 說(shuō)?！俺霈F(xiàn)了不同類型的訪問(wèn)和連接，所有這些都使用類似類型的基礎(chǔ)設(shè)施和類似標(biāo)準(zhǔn)連接到同一個(gè)數(shù)據(jù)包核心。

“我們看到人們正在尋找一種非常、非常靈活的調(diào)制解調(diào)器，”他補(bǔ)充道。

FPGA 上的 5G 靈活性

正如 Rao 所指出的，底層基站硬件必須能夠適應(yīng) 5G 網(wǎng)絡(luò)工作負(fù)載的廣泛要求。這推動(dòng)了下一代無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施對(duì) FPGA 技術(shù)的興趣增加

“調(diào)制解調(diào)器的某些方面不能完全是服務(wù)器上的軟件或運(yùn)行在 x86 處理器上的軟件，例如極其計(jì)算密集型的任務(wù)，”Rao 說(shuō)?！拔覀兛吹饺藗儾捎玫姆椒ㄊ擒浖蛹铀俚姆椒?，尤其是在我們所說(shuō)的第一層或物理層。這些工作負(fù)載被加速，加速的一個(gè)很好的選擇是 FPGA?！?/p>

2017 年第四季度，Xilinx 宣布了其Zynq UltraScale+ RFSoC產(chǎn)品線，除其他用例外，該產(chǎn)品線以 5G 無(wú)線射頻信號(hào)鏈為目標(biāo)。RFSoC 包含分別以高達(dá) 4 GSps 和 6.4 GSps 的速度運(yùn)行的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （ADC/DAC），以及軟判決前向糾錯(cuò) （SD-FEC），一種四核心 Arm Cortex-A53 和雙核 Arm Cortex-R5 以及可編程邏輯結(jié)構(gòu)。該公司表示，與用于大規(guī)模 MIMO、基帶和無(wú)線回程系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無(wú)線電頭端的競(jìng)爭(zhēng)基于 SoC 的架構(gòu)相比，這些設(shè)備的功率和占用空間減少了 50% 到 75%。

圖 2. Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC 集成了多 GSps 射頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和前向糾錯(cuò) （FEC），以支持需要頻譜效率、功率效率和網(wǎng)絡(luò)致密化的 5G 基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。

RFSoC 芯片中的集成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在具有多模要求的系統(tǒng)中特別有利，因?yàn)樗鼈兛梢酝瑫r(shí)動(dòng)態(tài)支持 3GPP LTE 和 NB-IoT，例如。Rao 通過(guò)回到許可和無(wú)許可運(yùn)營(yíng)商共享同一平臺(tái)的示例來(lái)描述這種多功能性。

“RFSoC 架構(gòu)支持我們所說(shuō)的‘直接射頻’，您可以在其中以極高的速度進(jìn)行采樣，”他說(shuō)?！耙匀绱烁叩乃俣冗M(jìn)行采樣允許其余部分以數(shù)字方式完成，可能在 FPGA 中完成，因此它可以轉(zhuǎn)移到類似軟件的方法中。所有這些都支持相當(dāng)靈活的可編程調(diào)制解調(diào)器。

“根據(jù)部署場(chǎng)景，單個(gè) RFSoC 可以處理多個(gè)工作負(fù)載，”Rao 繼續(xù)說(shuō)道。“它可以重新配置，或者可以提前構(gòu)建配置。某些工作負(fù)載（如大規(guī)模 MIMO）需要多個(gè) RFSoC，但在許多其他工作負(fù)載中，一個(gè)或兩個(gè) RFSoC 完全可以勝任?！?/p>

超越基站

盡管賽靈思預(yù)計(jì) RFSoC 技術(shù)將部署在各地的 5G 基站中，但該公司也看到了對(duì)小型蜂窩設(shè)置、宏蜂窩、虛擬基帶單元、云無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò) （RAN） 甚至電信云的興趣。隨著網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施越來(lái)越多地受軟件控制，預(yù)計(jì) FPGA 技術(shù)將出現(xiàn)在您通常不會(huì)懷疑的地方。

“每個(gè)人都在尋找一種低成本、可快速部署的系統(tǒng)，因此 FPGA 是一個(gè)很好的解決方案。上市時(shí)間和所有這些優(yōu)勢(shì)都有助于在許多遠(yuǎn)程無(wú)線電頭端部署中使用 FPGA，”Rao 說(shuō)?！暗鶐俏覀?cè)O(shè)備的一種新用途。出于連接原因，我們過(guò)去常常在基帶中找到一個(gè)位置。但這種新的、靈活的基帶軟件方法為 FPGA 提供了新的機(jī)會(huì)，以最大限度地提高吞吐量和提高能效?！?/p>

審核編輯：郭婷