无线通信的需求 给5G NR带来了关键的挑战

无线通信的需求同时带来了多个行业的挑战

概述

随着我们技术的演技将变得越来越难，解决多行业多种问题的解决方案将变得更加必要。5G的竞争已经向无线研究人员、硬件制造商和运营商提出了挑战，这就要求他们评估下一代通信技术可以使用哪些工具。

4G LTE的物理层和之前的标准正在被推向新的极限，包括集成MIMO技术;再到mmWave和使用未经授权的频带在协议之间共存，但是物理层不再是唯一的拼图了。

随着标准在多层之间变得越来越复杂和严格，这就需要开发MAC、数据链路和网络层。时间需求开始收紧，延迟成为一个更大的问题。对单个节点内部处理的需求开始扩展，远远超出了以前特定于应用程序的集成电路（ASIC）所能满足的范围。更进一步说，系统的可部署性和规模正在增长。对远程无线应用程序的需求越来越大，在这种应用程序中，基站可以从单一的天线系统发展到跨城市的远程节点。无线通信的需求同时给行业带来了多种先进的挑战。

决策协议的挑战

5G New Radio （5G NR）等应用程序引入了时间限制，使得处理器和RF前端之间的关系比之前的LTE或802.11等通信协议更为关键。超可靠的机器类型通信创建了对上层功能的需求，以更确定和更精确的时间间隔出现，这迫使像调度程序这样的技术被更确定地实现。由于接入点通过触发器帧和基于触发器的物理层协议数据单元（PPDU）动态地确定通道模型，这就使得新的802.11标准（如802.11ax）依赖于严格的定时要求。所有这些交互必须在严格的16us时间要求下进行，否则通信就会中断。随着越来越多的智能通过MAC提供给PHY层，这就使得用个人电脑的时序要求严格操作将不再是那么严格了。而实时OS和FPGA等技术必须用于处理这些1毫秒以下的计时需求上。

处理中的挑战

在提高处理能力方面，总是存在一些困难，比如处理单元的移动性、将数据从处理资源转换到处理资源的数据管道以及配置的灵活性。随着MAC层［1］功能的复杂开发，加上对软件定义网络的关注，以及更加复杂的调度程序，对时间精确处理和并行计算的需求也会变得越来越大。

我们具体研究一下软件定义的网络案例。对于软件定义的通信网络的复杂需求，任何节点都可能需要在短时间内重新配置其功能。将具有处理能力的单个节点集成到一起来处理这些决策任务，就需要收发器扩展到RF之外。RF节点可能需要具备处理来自中央处理点的调度程序的决策的能力，或者运行自己的决策引擎，这两者都需要处理方面的改进，其扩展范围超出了典型的ASIC。

然而，原始处理能力是远远不够的。随着环境仿真需求的增长，无论是从通道、基站还是用户设备的角度来看，处理器和电路之间的延迟都需要越来越低。任何集成异构处理器体系结构（GPP、GPU、FPGA等）的应用程序都要求通过高速串行接口传输数据，并具有低延迟和宽数据带宽的特性。

网络多样化——远程无线电磁头数和设备对设备通信增加了网络的复杂性

规模的挑战

无论是从现成设备方面的趋势上，还是从设备所使用的硅材料来看，这项技术不仅在萎缩，而且也在改变着现有的规模。多路径部署的无线电节点可以替代原有的基站，成为5G及以上网络的新基础设施。这就带来了一系列全新的需求，包括服务基础设施和远程实现软件更新。

然而，这些变化影响的不仅仅是运营商。这就要求无线通信研究人员必须走出实验室，进入现实的试验领域。这项技术不再只能在实验室水平上进行演示，多个大学、运营商和供应商正在合作在城市中部署测试平台，以演示在真实环境中物理层、数据链路和网络层的新功能。这些用于现场试验的硬件和来自远程校园的对项目的可访问性维护将会带来各种新问题。

独立运行的USRP-2974

在过去的十年中，USRP（通用软件无线电外围设备）解决方案一直是工业和学术软件无线电（SDR）技术的基准。

USRP-2974是NI第一个独立SDR，也是NI的第一个使用LabVIEW软件、LabVIEW FPGA模块和LabVIEW实时模块的USRP，所有这些都集成在一个设备中。USRP-2974基于LabVIEW可重配置I/O（RIO）架构，搭载运行NI Linux实时操作系统的板载Intel Core i7处理器。 USRP-2974是一款独立运行的USRP软件无线电设备，这意味着你可以使用LabVIEW通信系统设计套件在板载处理器上确定地执行处理。 USRP-2974设备均配备了GPS 10 MHz恒温晶体振荡器（OCXO）参考时钟。 该设备适用于对一系列高级研究应用进行原型验证，其中包括独立的LTE或802.11设备仿真; 介质访问控制（MAC）算法的开发; 多输入多输出（MIMO）; 异构网络; LTE中继; 射频压缩采样; 频谱感测; 认知无线电;波束形成和测向。

它是围绕现有的USRP硬件解决方案设计，但现在集成了一个x86处理器，通过高速PCI Express和以太网连接连接到USRP，用于x86和FPGA目标之间的数据流。

将x86处理器集成到SDR的设计中提供了许多好处。首先，LabVIEW实时可编程处理器是测试调度器算法的理想目标，它允许对处理器进行优先级排序，并对FPGA进行确定性操作和发送命令，而FPGA反过来又可以处理物理层RF信号。其次，由于数据可以在设备上处理，每个无线电节点都可以运行额外的计算，这超出了以前仅在FPGA上进行的计算额度。最后，通过与开发机器的以太网连接，可在flash中使用重复或惟一的代码库部署任意数量的USRP-2974设备，从而在单个模块级别或大型测试台上改进系统和代码管理。

USRP-2974为以前受传统SDR限制的新型研究和高级用例打开了大门。使得系统变得更可伸缩，更容易管理。 USRP-2974提供了高性能，甚至可以处理最复杂的通信挑战。

［1］ MAC（Media Access Control，媒体访问控制）子层定义了数据包怎样在介质上进行传输。在共享同一个带宽的链路中，对连接介质的访问是“先来先服务”的。物理寻址在此处被定义，逻辑拓扑（信号通过物理拓扑的路径）也在此处被定义。线路控制、出错通知（不纠正）、帧的传递顺序和可选择的流量控制也在这一子层实现。