借助全可編程技術(shù)兌現(xiàn) 5G 的承諾

第 5 代無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)有望滿(mǎn)足 2020 年及以后新型用例及應(yīng)用的系統(tǒng)和服務(wù)要求。連通各行各業(yè)并支持新服務(wù)是 5G 技術(shù)最重要的方面，以便為滿(mǎn)足 2020 年信息社會(huì)的要求做好準(zhǔn)備。第 4 代或 4G LTE 主要在于連接人和地，是以通信和信息共享為核心主題。5G 通過(guò)為 4G 的通信和信息共享主題增加可靠、彈性的控制與監(jiān)控功能，從而將連接范圍擴(kuò)展到機(jī)器設(shè)備。這種轉(zhuǎn)變對(duì)系統(tǒng)要求和設(shè)計(jì)原理產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。5G 愿景可以說(shuō)包羅萬(wàn)象，涉及人們生活的方方面面，會(huì)影響人們?nèi)绾紊a(chǎn)產(chǎn)品，如何管理生產(chǎn)過(guò)程中的能源與環(huán)境，如何運(yùn)輸、存儲(chǔ)和消費(fèi)物品，影響人們?nèi)绾紊?、工作、通勤、娛?lè)和甚至放松等等。

因此，需要使用虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)來(lái)挑戰(zhàn) 5G 系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)性能極限，以確保實(shí)現(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)容量、更高的用戶(hù)吞吐量、更高的頻譜、更高的帶寬、更低的時(shí)延、更低的功耗、更高的可靠性和更高的連接密度。5G 架構(gòu)包含模塊化網(wǎng)絡(luò)功能。這些功能可按需部署和擴(kuò)展，從而能夠以低成本方式滿(mǎn)足廣泛的應(yīng)用案例需求。

4G LTE 技術(shù)很成功，非常適合 6GHz 以下頻譜。5G 則增加了 6GHz 以上頻譜，為無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)開(kāi)啟了大段未使用頻譜。它還支持大于 20MHz 的載波，降低控制開(kāi)銷(xiāo)，提高 RAN 靈活性以滿(mǎn)足多種用例需求。支持大于 6GHz 的頻譜是 5G 技術(shù)最具前景的屬性之一，或許也是難度最大的特性。6GHz 以上通道模型由 3GPP 于 2016 年 6 月發(fā)布,其精度對(duì)正確設(shè)計(jì)基站和用戶(hù)設(shè)備(UE)設(shè)計(jì)起關(guān)鍵作用?，F(xiàn)實(shí)情況是，還需做更多工作和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以提高這些模型的精度。這期間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要具有靈活性和內(nèi)在的可編程性，以根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整和改進(jìn)底層算法。

將端到端時(shí)延減小到 1ms 以?xún)?nèi)是 5G 的另一個(gè)重要目標(biāo)，旨在滿(mǎn)足任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用的超高可靠低時(shí)延用例，以及擴(kuò)展的移動(dòng)寬帶用例(諸如承諾為服務(wù)提供商帶來(lái)更高收入的游戲)的要求。5G 正在改進(jìn)幀結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)上述這一目標(biāo)。圖 1 給出一種準(zhǔn) 5G 標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)方案。該方案具有 100-200 微秒級(jí)的很短的傳輸時(shí)間間隔(TTI)，比 4G LTE 的 TTI(1ms)縮短 10 倍，具備快速的 Hybrid ARQ(自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求)確認(rèn)，可縮短系統(tǒng)時(shí)延。利用前載解調(diào)制參考和控制信號(hào)，可在接收幀的期間執(zhí)行幀處理，而不是等緩沖整個(gè)子幀之后再處理。幀結(jié)構(gòu)還用來(lái)簡(jiǎn)化和加速每子幀的快速調(diào)度請(qǐng)求。因此，5G 基帶所需的計(jì)算與 4G LTE 系統(tǒng)相比會(huì)顯著增加。

5G 有望支持靈活的幀結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同用例和應(yīng)用要求，例如數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和端到端時(shí)延。有兩種子幀擴(kuò)展方法正在考慮中，它們具有靈活的每子幀符號(hào)數(shù)量和可變的子幀長(zhǎng)度。也可將兩種方法混合使用。兩種方法都支持多種傳輸類(lèi)型(下行鏈路、上行鏈路和混合方式)。子幀持續(xù)時(shí)間和采樣率與基線 5G 數(shù)字論定義的一樣。靈活幀結(jié)構(gòu)對(duì)物理 (PHY) 層實(shí)現(xiàn)有影響。逐符號(hào)看，F(xiàn)FT 長(zhǎng)度和循環(huán)前綴可能不同。符號(hào)數(shù)量、每物理資源塊的 OFDM 子載波數(shù)量和 QAM 符號(hào)數(shù)量就每子幀而言可能會(huì)不同，具有可變的保護(hù)時(shí)段位置和長(zhǎng)度。這會(huì)顯著增大 5G PHY 的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性。至少在最初幾年，構(gòu)建 5G 系統(tǒng)最為得當(dāng)?shù)姆椒☉?yīng)該是利用可編程 FPGA 和 SoC 隨標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)來(lái)擴(kuò)展和升級(jí)系統(tǒng)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的性能測(cè)量結(jié)果改進(jìn)和調(diào)整實(shí)現(xiàn)方案。

圖 1：一種準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的基線 5G 幀結(jié)構(gòu)

MIMO 技術(shù)非常適合厘米波 (3-30 GHz) 和毫米波 (30-300GHz) 頻率，這是價(jià)格便宜而且未充分利用的頻譜資源，有大量可用的連續(xù)波段。頻率越高，傳輸信號(hào)的傳播損耗越大。不過(guò)，更高頻率下能獲得很窄的筆形波束，可實(shí)現(xiàn)更大天線增益，以補(bǔ)償較高的傳播損耗。此外，隨著載波頻率增加，天線單元的尺寸會(huì)減小。因此，可以在更小的區(qū)域裝入更多天線單元。例如，包含 20 個(gè)單元的 2.6GHz 最先進(jìn)天線大約是一米高。在 15GHz下，可以設(shè)計(jì)具有 200 個(gè)單元但只有 5cm 寬、20cm 高的天線。天線單元增多，意味著可以準(zhǔn)確地將信號(hào)導(dǎo)向目標(biāo)接收器。由于系統(tǒng)以很多這種波束形式將傳輸集中在特定方向上，因此覆蓋率和容量會(huì)大幅提高。

5G NR(新無(wú)線電)規(guī)范草案沒(méi)有指明所支持的 MIMO 層數(shù)量，不過(guò)很可能高達(dá) 32 至 64 層。5G 系統(tǒng)將支持在每個(gè) TTI 期間對(duì)用戶(hù)資源分配進(jìn)行快速重新配置，以實(shí)現(xiàn)更高頻譜利用率。當(dāng)支持多個(gè) MIMO 層時(shí)，這會(huì)進(jìn)一步加大系統(tǒng)復(fù)雜性。圖 2 給出了 5G MIMO 系統(tǒng)中用戶(hù)資源分配實(shí)例。時(shí)分雙工 (TDD) 有助于緩解 5G Massive MIMO 的實(shí)現(xiàn)，其中信道狀態(tài)信息利用信道互易性來(lái)確定。該方案未考慮用戶(hù)端設(shè)備或終端中的非線性。需要指明的重要一點(diǎn)是，在 5G 基站實(shí)現(xiàn)方案中，終端需要記錄多個(gè)波束并定期請(qǐng)求基站進(jìn)行資源分配，以便為上行數(shù)據(jù)傳輸分配最佳波束。當(dāng) UE 終端切換波束時(shí)，需要重新計(jì)算信道狀態(tài)信息。為了實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的系統(tǒng)，務(wù)必要引入足夠的靈活性和可編程性，以便調(diào)整實(shí)現(xiàn)方案，針對(duì)不同終端實(shí)現(xiàn)所需的性能。

圖 2：基線 5G 系統(tǒng)中的 MIMO

對(duì)于 6GHz 以下的部署，5G 系統(tǒng)通常多達(dá) 64 個(gè)天線單元。6GHz 以上可有更多的天線單元數(shù)量。數(shù)字波束形成一般用在 6GHz 頻率以下的情況(在基帶中實(shí)現(xiàn));而結(jié)合了數(shù)字和模擬波束形成技術(shù)的混合方案則用于 6GHz 以上頻率。包含 64 個(gè)天線單元的 Massive MIMO 系統(tǒng)配置會(huì)顯著增加復(fù)雜性和成本，因?yàn)橐С?L1 基帶中數(shù)字波束形成所需的大量有源無(wú)線電信號(hào)鏈和預(yù)編碼計(jì)算?；鶐幚硇盘?hào)鏈與遠(yuǎn)端射頻單元之間的連接要求急劇增加。為了比較經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)，有必要在無(wú)線電中集成 L1 基帶信號(hào)處理或其中的一部分。未來(lái)的這種功能劃分可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中 L1-L2 與無(wú)線電功能處在相同位置。圖 3 介紹了 64 個(gè)天線單元的 Massive MIMO 在不同系統(tǒng)功能邊界上的連接要求，凸顯了 L1 與無(wú)線電共址的必要性。

圖 3：Massive MIMO 系統(tǒng)中的連接挑戰(zhàn)

5G 的范圍相當(dāng)廣泛，而且整個(gè)業(yè)界又非?；钴S，提交了數(shù)百提案，因此使得商議時(shí)間大大延長(zhǎng)。對(duì)所提議的算法和網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行仿真，這樣雖說(shuō)不錯(cuò)，但還不夠。概念驗(yàn)證演示、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和測(cè)試臺(tái)對(duì)于這些提案的評(píng)估都非常關(guān)鍵。這使得一般的機(jī)構(gòu)很難審核所有提議。此外，來(lái)自市場(chǎng)的壓力也非常巨大，要求更早地發(fā)布 5G 規(guī)范。有些運(yùn)營(yíng)商對(duì)于海量機(jī)器類(lèi)通信(mMTC)和超高可靠低時(shí)延用例(URLLC)標(biāo)準(zhǔn)化的推出計(jì)劃延期感到不悅——預(yù)期在 2019 年末推出。3GPP 已針對(duì)數(shù)據(jù)選擇 LDPC，針對(duì) eMBB 用例選擇極化碼。對(duì)于 mMTC 和 URLLC 用例，LDPC、極化碼和渦輪碼都在考慮之中，不過(guò)行業(yè)還要等待更長(zhǎng)時(shí)間才能為這些用例做出結(jié)論。很多情況下，用戶(hù)終端以及 5G 基站有可能支持多種 5G 用例，這使得設(shè)計(jì)基帶編解碼器的難度加大、成本更高。

更復(fù)雜的是，運(yùn)營(yíng)商沒(méi)有明確 5G 用例如何進(jìn)行商業(yè)化部署以及哪種會(huì)在市場(chǎng)部署方面走在最前面。固定無(wú)線接入(替換最后一英里光纖)和智能城市是兩個(gè)業(yè)界領(lǐng)先的用例。采用URLLC的垂直產(chǎn)業(yè)整合以及自動(dòng)化運(yùn)輸?shù)冗€需要更長(zhǎng)時(shí)間才能從實(shí)驗(yàn)室和有限現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中走出來(lái)，實(shí)現(xiàn)更廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用。出于這些原因，5G 系統(tǒng)預(yù)計(jì)要具有足夠的靈活性和可編程性以精調(diào)系統(tǒng)功能和性能，從而在這些用例被采用后實(shí)現(xiàn)演進(jìn)并適應(yīng)市場(chǎng)現(xiàn)實(shí)。

賽靈思 All Programmable FPGA 和 SoC 在實(shí)現(xiàn) 5G 概念驗(yàn)證、測(cè)試臺(tái)驗(yàn)證以及 eMBB、URLLC 和 mMTC 用例的早期商業(yè)化試驗(yàn)中起到關(guān)鍵作用。商用芯片尚未推出，ASIC 也無(wú)法在 5G 標(biāo)準(zhǔn)化階段早期實(shí)行。就基于賽靈思 All Programmable FPGA 和 SoC 的平臺(tái)而言，其關(guān)鍵價(jià)值在于系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整以支持任意功能和增強(qiáng)型算法實(shí)現(xiàn)方案。廠商利用這些平臺(tái)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以測(cè)量實(shí)際部署環(huán)境中的性能，從而優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。第一波商用 5G 系統(tǒng)可能就要依賴(lài)這些最優(yōu)化系統(tǒng)。賽靈思 UltraScale™ 和 UltraScale+™ All Programmable FPGA 和 SoC 專(zhuān)門(mén)為滿(mǎn)足 5G 市場(chǎng)要求而設(shè)計(jì)。