借助Zynq RFSoC DFE解決 5G 大規(guī)模部署難題

隨著 5G 基礎(chǔ)設(shè)施和實(shí)現(xiàn)設(shè)備不斷進(jìn)入實(shí)際部署，5G 已從概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)；很顯然，5G 經(jīng)濟(jì)不會只是3G 或 4G 的復(fù)制品。

新的挑戰(zhàn)需要靈活應(yīng)變的解決方案，既要能夠處理多樣化的需求，同時(shí)也要能夠隨市場需求的變化而持續(xù)演進(jìn)發(fā)展。Zynq? UltraScale+? RFSoC DFE因其架構(gòu)上集成了比傳統(tǒng)軟邏輯更多的硬化 IP 邏輯， 使得其在保持賽靈思一貫的靈活應(yīng)變價(jià)值的同時(shí)，還能媲美定制 ASIC 在成本和功耗上的競爭力，因此能輕松應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

圖1 5G 用例

5G 面臨的前沿挑戰(zhàn)

日益提高的無線電性能和復(fù)雜性

無線電單元 (RU) 對更大帶寬的需求，不僅是為了增加數(shù)據(jù)速率。運(yùn)營商還需要為現(xiàn)有和新的頻段解決復(fù)雜的無線電配置問題。為滿足這些需求，無線電應(yīng)從設(shè)計(jì)上支持盡可能寬的瞬時(shí)帶寬 (iBW)。例如，早期 5G 無線電支持高達(dá) 200MHz 的帶寬，但未來的無線電需要支持高達(dá) 400MHz。

盡管 5G 現(xiàn)已成為默認(rèn)的無線標(biāo)準(zhǔn)，但 4G 出貨仍將以大批量延續(xù)多年。在升級或安裝 5G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，運(yùn)營商必須提供 4G 覆蓋。因?yàn)樾盘査臻g是按單元和重量租用的，同時(shí)支持 4G 和 5G 的多模 RU 有助于降低資本支出和運(yùn)營成本。

5G 無線電的另一個(gè)復(fù)雜之處是分布式單元 (DU) 接口。典型劃分是 7.1、7.2 和 7.3；RU 必須給予全面支持。 

5G 多樣化用例及不斷演進(jìn)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)

3G 主要圍繞語音和短信；運(yùn)營商的盈利模式是出售以分鐘計(jì)算的通話時(shí)間和短信數(shù)量。4G 有一個(gè)用例，那就是移動數(shù)據(jù)，它促成了智能手機(jī)的興起，運(yùn)營商由此開始按月出售按 GB 計(jì)算的數(shù)據(jù)。

5G 則如圖 1 所示，擁有三種主要用例：增強(qiáng)型移動寬帶 (eMBB)、超高可靠低時(shí)延通信 (URLLC) 和大規(guī)模機(jī)器類通信 (mMTC)。如果單獨(dú)優(yōu)化每一個(gè)用例，則會導(dǎo)致各種無線電解決方案大相徑庭；而 5G 將它們?nèi)诤铣山y(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 

今天的 5G 全部圍繞 eMBB。運(yùn)營商爭相部署 5G，以吸引客戶使用速度最快的網(wǎng)絡(luò)。

因?yàn)?URLLC 和 mMTC 屬于新用例，還沒有發(fā)達(dá)市場或發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體實(shí)施它們。URLLC 宣傳的主要應(yīng)用是自動駕駛，但 5G 網(wǎng)絡(luò)不會在該領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。這個(gè)過程要求實(shí)時(shí)運(yùn)行。一種可行的 URLLC 用例是將車輛或機(jī)器設(shè)備運(yùn)行在采礦和救災(zāi)等對人為操作而言過于危險(xiǎn)的環(huán)境中。 

mMTC 用例適用于每平方公里存在上百萬個(gè)互聯(lián)設(shè)備的情況。對于智能家居設(shè)備，WiFi 工作表現(xiàn)良好，5G 不會取代。mMTC 用例對于工業(yè)、商業(yè)和政務(wù)應(yīng)用（例如智能工廠、智能城市）來說將更加重要。

圖2 5G 將助力實(shí)現(xiàn)專用網(wǎng)絡(luò)中的創(chuàng)新

不斷演進(jìn)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)

隨著 2009 第 9 版的發(fā)布，4G LTE 標(biāo)準(zhǔn)最終確定，并在隨后的 8 年里，通過 5 個(gè) 3GPP 版本的推出不斷演進(jìn)，直至演進(jìn)到 4G LTE Advanced。

5G 的第一階段和第二階段在第 15 版和第 16 版中完成定義，覆蓋了基礎(chǔ) eMBB、mMTC 和 URLLC。第 17 版的制定工作已經(jīng)啟動，第 18 版也已經(jīng)進(jìn)入規(guī)劃。5G 標(biāo)準(zhǔn)將在今后十年里隨市場需求而演進(jìn)發(fā)展。

5G 市場突變

我們可以將 5G 面臨的又一大挑戰(zhàn)廣義地稱作市場突變。回顧 4G 市場，可見其相當(dāng)僵化。4G 只有一個(gè)用例，且市場由傳統(tǒng)運(yùn)營商構(gòu)成，他們向消費(fèi)者銷售數(shù)據(jù)，并從傳統(tǒng)硬件 OEM 廠商那里購買網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。  

如今，O-RAN 聯(lián)盟和電信基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目都在通過實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商多元化，顛覆既有的商業(yè)模式。顛覆性 5G 運(yùn)營商，如 Dish、Rakuten 和 RJIO 正在向他們的同行和既有運(yùn)營商發(fā)起挑戰(zhàn)。

在使用 mMTC 和 URLLC 功能提供完整的企業(yè)級解決方案的專用網(wǎng)絡(luò)中，將會發(fā)生顛覆和真正的創(chuàng)新。

結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了有新運(yùn)營商和新供應(yīng)商參與其中且富有活力的 5G 經(jīng)濟(jì)，如圖 3 所示。

圖3 5G：新的商業(yè)模式、市場和競爭

Zynq RFSoC DFE 助力滿足當(dāng)前和未來的 5G 需求

Zynq RFSoC DFE 在硬化的或類 ASIC 的結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了已知的計(jì)算密集型 DFE 功能。這些結(jié)構(gòu)經(jīng)過配置，能同時(shí)用于 4G 和 5G 新無線電 (NR) 標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 Zynq RFSoC DFE 集成了帶有硬化 IP 的完整 DFE 子系統(tǒng)

這些硬化單元占用的芯片面積減小，與圖 5 所示的傳統(tǒng) FPGA 軟邏輯相比，能節(jié)省功耗高達(dá) 80%。因?yàn)槊總€(gè)硬化的 IP 核在物理尺寸上都小于軟邏輯，與 Zynq UltraScale+ RFSoC Gen 3 器件相比，增加核心就能提供 2 倍 DFE 處理能力。

圖5 硬化 IP 實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)勢

在充分利用 DFE 硬化 IP 塊的情況下，Zynq RFSoC DFE 的功耗比實(shí)現(xiàn)在 第三代Zynq RFSoC 器件上的等效實(shí)現(xiàn)方案低 50% 左右。

如圖 6 所示，硬化 IP 塊以與數(shù)據(jù)流保持一致的方式，按規(guī)律布局在 Zynq RFSoC DFE 上。每個(gè) IP 功能都由多個(gè)實(shí)例組成，支持器件根據(jù)應(yīng)用來縮放。為提供最大的靈活性，用戶能在數(shù)據(jù)路徑上的任何點(diǎn)繞過任意塊和添加邏輯。

圖6 Zynq RFSoC DFE 功能原理圖

Zynq RFSoC DFE 支持 FR1（高達(dá)7.125GHz）下 iBW 最大 400MHz 的多頻段、多模式無線電。在用作 FR2 的 IF 收發(fā)器時(shí)，支持最大 1600MHz 的 iBW。

總之，賽靈思 Zynq UltraScale+ RFSoC DFE 延續(xù)了 Zynq UltraScale+ RFSoC 的成功基礎(chǔ)，將所有關(guān)鍵的計(jì)算密集型數(shù)字處理塊包含在符合標(biāo)準(zhǔn)的硬化配置內(nèi)，同時(shí)為未知的未來需求和市場需求內(nèi)置自適應(yīng)邏輯，既提供了可媲美 ASIC 的優(yōu)勢，又保持了賽靈思一貫以來的靈活應(yīng)變能力和市場投放速度。