基于FPGA的调制解调器5G网络

如果你相信炒作，5G 网络将彻底改变当前的无线基础设施。5G 技术的主要功能包括峰值 20 Gbps 下载和 10 Gbps 上传速度、1 毫秒延迟、比 4G 高达 1，000 倍的每 km 2容量、3 倍的频谱效率、100 倍的网络能源效率以及多种无线电接入技术的集成到一个单一的网络（图1）。许多（如果不是全部）这些特性使 5G 对物联网 （IoT） 极具吸引力。

图 1.根据国际电信联盟 （ITU） 的说法，5G（此处显示为 IMT-2020）预计将比 4G（显示为 IMT-Advanced）提供显着优势，包括三倍的频谱效率、100 倍的能源效率和 1，000 x 容量。

事实上，许多 5G 物联网部署已经开始。除了在 2018 年韩国平昌奥运会上展示 5G 之外，布里斯托大学的智能互联网实验室最近还在布里斯托部署了一个端到端的 5G 网络测试平台。该测试台展示了各种智能城市用例，包括自动交通、增强现实和智能旅游，这些用例由连接到虚拟 5G 基带池的 5G 新无线电 （NR） 无线电头实现。

5G NR 是 5G 网络的新空中接口。虽然它不向后兼容 LTE，但 5G NR 确实提供了从 sub-1 GHz 到 100 GHz 的频谱覆盖。信号通过新的正交频分复用 （OFDM） 无线标准从 5G NR 无线电头发送，该标准使用紧密间隔的子载波信号在多个并行信道上同时发送数据。

许多当前的 5G 网络架构将这些 NR 无线电头部署在具有大规模多输入多输出 （MIMO） 天线的基站中，这些天线使用多个发射器和接收器来更快地传输更多数据。此类基础设施可以支持增强型移动宽带 （eMBB）、海量机器类通信 （mMTC） 和超可靠低延迟通信 （URLLC） 等应用的各种接入和连接场景。

更传统的分布式小型蜂窝和固定无线接入点也将保留，但所有 5G 基础设施的持续要求是需要极高的灵活性。这导致许多运营商、电信公司和布里斯托大学等研究人员实施软件定义网络 （SDN） 功能作为其 5G 网络的骨干。赛灵思无线通信首席系统架构师 Raghu Rao解释了这一转变。

“一方面是我们在 5G 中看到的各种部署类型，”Rao 说。“物理层正在被分割，一部分物理层转移到无线电，特别是在这种新的大规模 MIMO 技术的背景下。然后我们有小型蜂窝和家庭网关。然后我们也有固定的无线接入。然后我们有传统的宏小区和城域小区类型的部署。因此，如果您查看各种部署，您需要的是极大的灵活性。与过去 4G 中的 100% 硬件场景相比，软件驱动的方法更能支持这种多样性，其中一切都在一个盒子里。

“另一方面是对各种频谱的支持，”他继续说道。“在 5G 中，有低于 6 GHz 和高于低于 6 GHz 的频率。现在，即使您查看传统的低于 6 GHz 的部署，也有很大范围的频率可供人们谈论。在许可辅助访问 （LAA） 和 LTE-Unlicensed 的情况下，您正在谈论将未经许可的运营商与它们之间的差距超过 GHz 的许可运营商锚定。其中一些部署需要极高的灵活性，即使在射频方面也是如此。

“这两者都对基础设施站点的硬件设计提出了某些要求，”Rao 说。“出现了不同类型的访问和连接，所有这些都使用类似类型的基础设施和类似标准连接到同一个数据包核心。

“我们看到人们正在寻找一种非常、非常灵活的调制解调器，”他补充道。

FPGA 上的 5G 灵活性

正如 Rao 所指出的，底层基站硬件必须能够适应 5G 网络工作负载的广泛要求。这推动了下一代无线基础设施对 FPGA 技术的兴趣增加

“调制解调器的某些方面不能完全是服务器上的软件或运行在 x86 处理器上的软件，例如极其计算密集型的任务，”Rao 说。“我们看到人们采用的方法是软件加加速的方法，尤其是在我们所说的第一层或物理层。这些工作负载被加速，加速的一个很好的选择是 FPGA。”

2017 年第四季度，Xilinx 宣布了其Zynq UltraScale+ RFSoC产品线，除其他用例外，该产品线以 5G 无线射频信号链为目标。RFSoC 包含分别以高达 4 GSps 和 6.4 GSps 的速度运行的模数和数模转换器 （ADC/DAC），以及软判决前向纠错 （SD-FEC），一种四核心 Arm Cortex-A53 和双核 Arm Cortex-R5 以及可编程逻辑结构。该公司表示，与用于大规模 MIMO、基带和无线回程系统的远程无线电头端的竞争基于 SoC 的架构相比，这些设备的功率和占用空间减少了 50% 到 75%。

图 2. Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC 集成了多 GSps 射频数据转换器和前向纠错 （FEC），以支持需要频谱效率、功率效率和网络致密化的 5G 基础设施应用。

RFSoC 芯片中的集成数据转换器在具有多模要求的系统中特别有利，因为它们可以同时动态支持 3GPP LTE 和 NB-IoT，例如。Rao 通过回到许可和无许可运营商共享同一平台的示例来描述这种多功能性。

“RFSoC 架构支持我们所说的‘直接射频’，您可以在其中以极高的速度进行采样，”他说。“以如此高的速度进行采样允许其余部分以数字方式完成，可能在 FPGA 中完成，因此它可以转移到类似软件的方法中。所有这些都支持相当灵活的可编程调制解调器。

“根据部署场景，单个 RFSoC 可以处理多个工作负载，”Rao 继续说道。“它可以重新配置，或者可以提前构建配置。某些工作负载（如大规模 MIMO）需要多个 RFSoC，但在许多其他工作负载中，一个或两个 RFSoC 完全可以胜任。”

超越基站

尽管赛灵思预计 RFSoC 技术将部署在各地的 5G 基站中，但该公司也看到了对小型蜂窝设置、宏蜂窝、虚拟基带单元、云无线电接入网络 （RAN） 甚至电信云的兴趣。随着网络基础设施越来越多地受软件控制，预计 FPGA 技术将出现在您通常不会怀疑的地方。

“每个人都在寻找一种低成本、可快速部署的系统，因此 FPGA 是一个很好的解决方案。上市时间和所有这些优势都有助于在许多远程无线电头端部署中使用 FPGA，”Rao 说。“但基带是我们设备的一种新用途。出于连接原因，我们过去常常在基带中找到一个位置。但这种新的、灵活的基带软件方法为 FPGA 提供了新的机会，以最大限度地提高吞吐量和提高能效。”

审核编辑：郭婷