创新技术助力快速部署5G新产品、新服务及新业务模式

——优化成本、功耗与性能，确保第二轮 5G 的成功

作者：BRENDAN FARLEY，赛灵思无线工程副总裁及EMEA 总经理

未来的无线时代，是业界借助各类先进技术开发出强有力的产品，最大限度地提高系统性能，并同时优化成本与功耗。这一趋势，将为移动运营商，以及包括企业、消费者和经济实体在内的整个 5G 生态系统，开启全新 5G 产品及服务部署的大门。5G 技术潜力巨大，但业界应如何克服成本、功耗及性能方面的挑战，从而确保第二轮 5G 的成功呢？

任何精明的商人都深知保护好自身投资的重要性，这同样也适用于运营商及其 4G 投资。现有的 4G 网络由基站和承载无线接入网组成部分的各类基础设施组成，因此，当今的运营商正在探索如何立足原有投资进行拓展，将其升级成 5G 网络。例如，城市等高密度应用区域需要额外的无线信号载量。基于海量多输入多输出（mMIMO）面板构建 5G 无线骨干网，运营商可将无源 4G 面板替换为有源 5G 面板对现有基站进行升级。当然，安装不仅要简单，而且还要低成本，因此必须选择最经济实惠的硬件。

改善成本优化

运营商可通过多种方法确保其 5G 网络基础设施是成本优化的。例如，在使用 5G mMIMO 面板升级现有 4G 基站时，采用先进芯片技术，意味着原始设备制造商（OEM）可以构建最适合自身独特需求的系统。因此，面板可以根据特定的成本要求以及性能和带宽标准来构建。在运营成本（OPEX）方面，功率放大器（PA）将左右无线电面板的功耗，因此使用最新的 PA 技术极为关键。此外，mMIMO 面板的外形应与现有的 4G 无源面板相近，这样无需改造安装空间就可以进行直接替换。

为进一步推动 5G 产品的部署，运营商之间开始通力合作，分担 5G 设备的相关成本。例如，沃达丰和西班牙电信公司在英国宣布了共享基站和面板基础设施的计划。这两家运营商表示，该网络共享协议将帮助他们加快 5G 技术的部署并降低部署成本。这一协议的达成，来自 3GPP 规范的支持，运营商能够在同一个设备中共享 4G 和 5G 信号，且设备也可以由多个运营商共享。

GaN 功放技术

在 5G 网络的部署中，功耗是另一大亟需解决的关键问题。目前，基于横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）技术的 PA，占据着无线应用功放的市场主导地位，其功耗超过了 1KW。因此，业界正在大力探索替代技术。具体来说，基于氮化镓（GaN）的 PA 一经兴起就已开始被部署，因为基于 GaN 的技术在带宽和功率密度要求方面超过了现有的基于芯片的 LMDOS 技术，所以这一趋势意义非凡。以中国市场应用为例，GaN 由于极高的能效得到了广泛应用，普遍用于 3.5 GHZ 等高频率场景。GaN 可以显著改善 PA 整体功耗，这对面板的尺寸、体积、重量和成本构成了连锁效应。

由于 GaN 技术是非线性的，因此需要提供更强大的数字预失真（DPD）算法来线性化最节能的 GaN PA。一旦解决了功耗问题，就可以减少散热器的体积和重量。散热器的主要作用是化解射频（RF）部分产生的热量，因此，通过降低RF的功耗，可以缩减散热器的体积和重量。散热器体积和重量决定了现场安装人员的数量以及在信号塔中安装此类面板所需要的设备。成本的换算系数在2-3 倍之间，具体取决于安装面板的体积、重量以及需的人数而有所变化。

先进芯片的集成技术

基于 GaN 的数字过程自动化（DPA）必须更加强大，而且处理 400MHz 以上带宽的能力也至关重要。赛灵思最近发布了一款新产品 Zynq RFSoC DFE，该产品具有标准蜂窝 IP 硬模块功能，支持低功耗与低成本。自适应 RFSoC 平台集成比软逻辑更多的硬化 IP，从而实现了高性能、低功耗及低成本的灵活应变解决方案。该器件包括可编程逻辑，支持用户自定义和添加自己的算法，并随着标准和带宽的变化而优化和升级其设计。这种灵活应变能力以及适应未来永不过时的特性，具有巨大的优势。

此外，硬化的 DPD IP 基于赛灵思量产验证的软 IP 核而开发，并为支持高级宽带 GaN PA而强化以提高电源效率。从本质上讲，，在互操作性方案（如 ORAN、TIP）、新型服务提供商以及更激烈的竞争驱动下，5G 的部署面临颠覆性的业务模式，硬化的 DPD IP所带来的市场敏捷性弥足珍贵。该平台硬件灵活应变的特性不仅有助于创新，同时还可提供 ASIC 所具备的同等优势，无需 NRE 即可为新市场进入者以及传统 OEM 厂商等用户，降低风险和整体拥有成本（TCO）。

图 1：Zynq RFSoC DFE 原理图

性能优化

在研究分布式单元（DU）时，许多运营商都被束缚在 OEM 厂商提供的专有系统上，对此类系统的优化几乎没有控制权。随着 5G 的出现，3GPP 意味着被分解的基站，即分布式单元/中央单元（DU/CU），可以完全被虚拟化。一个可行的解决方案可能是商品化的服务器方案，它运行开放的软件，运营商可针对网络性能和 5G 服务进行自主控制及优化。在整体容量增益方面，DU 和无线电单元（RU）之间的分区是确保实现 3- 5 倍系统容量提升的关键。这在很大程度上取决于 DU 功能与 RU 内计算机和功能之间的分区与架构分割。

上行链路性能

更深入研究性能优化时，基带和无线电之间正确的架构分配是获得性能承诺的关键。第一轮部署中，特别是在上行联络（UL）中存在一些性能限制，没有实现预期的带宽和容量。

RU 中的波束成形器性能受到多种因素的影响，例如波束权重的寿命和准度等。此外，有限的波束权重频率分辨率也会影响 5G 系统的上行链路性能，因为通常大约每 12 个子载波之间只共享一个波束权重。这是因为如果每个子载波都应用了单独的波束权重，前传（FH）接口就会完全饱和。

如何应对这些 UL 性能挑战？在 RU 中直接执行基于参考符号的信道估算和波束权重计算，也就意味着它们可以直接应用于波束成形器，从而实现低时延的信道模型更新及更高性能。通过为每个子载波提供波束权重，也将带来波束权重频率分辨率的提高，从而在 UL 环节提供更高性能。但这需要额外的计算。幸运的是，赛灵思 Versal ACAP 等最新芯片技术可在低功耗下提供出色的的计算密度，能够执行波束成形算法所需的实时、低时延信号处理。作为Versal AI Core 系列的关键组成部分，AI 引擎是实现所需数学函数的理想选择，可提供高计算密度、高级连接以及重新编程和重新配置的功能。此外，ACAP 器件还提供了升级波束成形器所需的更大容量，甚至在部署后还可添加额外的功能。

O-RAN 虚拟化

最后，谈到 5G 的未来，我们不能不提到开放 RAN （O-RAN）。5G 运营商正在稳步摆脱传统的专有无线设备，转而采用开放、分解式的 DU/CU 和 RU 方案，从而可为 DU/CU（O-DU 和 O-CU）和 RU （O-RU）选择不同的供应商。采用 O-RAN 架构和规范，运营商不仅可为其 O-RAN 的每个单元选择更具创新性的方法，而且还可从减少资本支出/运营支出以及降低总体拥有成本（TCO）中获得优势。

无论是 O-RAN 还是虚拟基带单元（vBBU），这种“5G虚拟化”都承载着电信公司在边缘部署各种软件服务的承诺，如视频流、游戏或要求严格的汽车服务等。随着支持全新更高带宽服务的 5G 基础设施投资的增长，催生出了更大系统加速的需求，以满足不断增长的规模及带宽需求。为了满足这种需求，赛灵思为 5G网络中的 O-RAN 分布式单元（O-DU）及 vBBU 提供了 T1 电信加速器卡（T1 Telco Accelerator Card）。赛灵思电信加速器卡可卸载对时延敏感且吞吐量密集的 5G 基带功能，从而释放电信服务器处理器，实现更多精彩的商业化软件功能。