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雖然5G標準尚未成型，但距離大家公認的商用化時間已不足5年（業界公認到2020年會實現5G的大規模部署）。為了搶占先機，參與標準制定，許多公司目前已提出了就5G的新興算法和應用進行原型設計的需求，全球各大移動公司據悉也都已競相開展具體的原型設計工作。在本屆2015世界移動大會上海站的展會現場，中國移動就展示了其5G基站原型平臺（5G ”Invisible” Base Station；5G “Soft” Platform），瞬間成為展會一大亮點，受到行業上下廣泛關注。 EDN China在現場有幸邀請到了原型平臺搭載的FPGA供應商賽靈思，為大家一解內部搭載的技術，雖說“什么是通往5G的最佳路徑？”這樣的宏觀問題無法在文中給出答案，但也希望和大家一同分享一些5G原型中硬件設計的構想。 中移動現場展示的原型機圖片與技術框圖如下： 圖1: 5G基站原型機中的基帶處理部分，其中所采用的大規模 FPGA陣列正是采用賽靈思（Xilinx）的28nm VIRTEX-7器件，其所配合多核CPU處理，構成5G通用平臺解決方案。 圖2：原型機的射頻單元，具有小型化、靈活、隱形等特點。可靈活實現大規模天線陣列，其陣列規模可靈活配置，支持對稱和非對稱陣列。 圖3: 5G通用平臺解決方案框圖，采用多核CPU處理+FPGA陣列架構。 據賽靈思全球銷售與市場亞太區副總裁楊飛介紹：“5G目前處于做標準和實驗的階段，業界目前普遍看到商用會在2020年實施，也可能會在日韓的驅動下提前到2018年，但其實已有很多公司，包括中興、華為，都已把未來5G潛在的一些技術，如Massive MIMO，拿到4G的網絡中做一些部署，推出了所謂的“4G+”或“pre 5G概念”，并推出了實際的樣機。當然由于標準未定，目前各家設備商都在發揮自己的創意和能力，在推進技術的同時，希望最終能轉換成標準，當然作為無線半導體領先的供應商，賽靈思也很大程度的參與其中。” 數字前端與基帶處理：大規模MIMO及算法需要夠“軟”的硬件支持 在上述原型機的介紹中可以看到，隨著預想中5G技術的更迭，基站的天線數量將不斷增加，最終形成“大規模MIMO”系統。大規模MIMO已被視為提高5G無線系統數據吞吐量和容量的關鍵技術之一。 據賽靈思方面介紹，對于大規模MIMO的優勢業界已是有目共睹，但由于需要對每根天線進行波束成型計算，其中會涉及大量的大型矩陣和線性運算，要實現大規模MIMO會顯著提高連接和信號處理的消耗需求，所以實現大規模MIMO，可能成本很高，其中就包括數字前端（DFE）處理、基帶處理、和射頻處理之間的高速連接，需要靈活的高性能信號處理。 目前，大規模MIMO天線算法可使用現行的技術實現（圖4），但隨著大規模MIMO系統向越來越礦大的天線元陣列擴展，將要求更高的集成度，需要下一代器件的實現。 圖4：基于FPGA和MPSoC的大規模MIMO概念 對于FPGA的關鍵助益，楊飛介紹道：“由于能快速實現復雜信號處理算法，FPGA一直用于各類無線基礎設施設備中，FPGA最顯著的功能就是實時地對數據進行本地處理，以減少上游處理器的負擔，而賽靈思硬件的特點是完全可編程（All programmable），更能讓硬件“軟”化。5G無線設施OEM廠會倚重可編程功能來降低設計風險，加速產品上市進程。其實，從早前的3G, TDSCDMA到LTE和5G，一路走來賽靈思都積極地先期參與各種技術研發、標準制定與前期驗證等工作，并跟進不同高速算法的實現和驗證。待規范形成后一個方面可以迅速投入量產，其次由于FPGA完全可編程的優勢，依然可根據所需的具體算法、架構、體系來進行優化，從而確保以最短的時間出臺優化的方案，支持快速量產上市。從這個意義而言，除了FPGA目前也沒有更好的其它方案可以替代。即使對于ASIC，5G物理層硬件的復雜度也會大大增加其設計難度。所以對于5G支持，硬件夠“軟”很重要。” 對于這一點，賽靈思與中興通訊在pre5G 3D/大規模MIMO基站方面的合作也是很好的例證。據最近的報道，賽靈思的可編程器件將支持中興通訊的pre5G 3D/大規模MIMO基站。中興通訊的大規模MIMO系統包含128根天線，采用類似于現有8天線系統的前部區域。中興通訊的大規模MIMO基站可將天線、基站單元和射頻集成在單個模塊中，所需的安裝空間僅為傳統系統的1/3，從而降低了運營商的運營成本和總擁有成本。而賽靈思28nm Kintex-7器件正是該解決方案的核心組件，可提供行業領先的數字前端處理功能和高級基帶算法實現，助其在單載波傳輸容量和頻譜效率等方面刷下新記錄。 下一代前傳接口：為實現大規模連接與更大容量 對于5G 網絡的大規模連接與容量要求，分布式小型基站、支持數百個天線的Massive MIMO 以及通過 CloudRAN 進行的集中式基帶處理等技術將顯著增大覆蓋范圍與數據吞吐量。而網絡則將需要通過回程及光前傳來進行安全連接，以完成處理，實現大規模連接成了另一個頭痛的焦點。 對此，楊飛也介紹道：“目前，賽靈思正與中國移動研究院（CMRI）結合C-RAN、大型天線系統和3D MIMO等新興技術，共同研究開發新型無線網絡前傳接口的關鍵技術和組件，并已就下一代前傳接口（NGFI）的開發簽署合作備忘錄（ MOU）。 ” 據賽靈思方面介紹，在目前的無線系統中，基帶設備和射頻單元通過CPRI前傳網絡協議連接（見圖5 紅色框部分），隨著其帶寬增速迅猛，需要運營商鋪設越來越多的光纖電纜,將導致部署成本的大幅增加。未來無線網絡的發展趨向于集中式的基帶架構，必然會對的前傳網絡提出更大的挑戰，亟需新技術改進前傳協議。據悉，探討的一些可能性是將部分基帶處理移動到射頻側，以降低總體有效載荷帶寬，從而利于提高射頻域的集成度。當然無論最終會否集成到射頻中，基帶處理、射頻、及相關前傳技術都將構成5G的重點。 圖5：基帶設備和射頻單元通過CPRI前傳網絡協議連接，探討的一些可能性是將部分基帶處理移動到射頻側，以降低總體有效載荷帶寬，從而利于提高射頻域的集成度。 據悉，賽靈思正通過其Zynq SoC平臺，為NGFI生態系統打造一個經驗證的NGFI參考設計。這個參考設計可以很容易地遷移到其它Zynq和Zynq UltraScale+ MPSoC 器件上，有望成為4.5G/5G無線前傳網絡研究的基準框架，并為下一代高度優化的前傳接口設計提供關鍵的技術和組件。 5G會為全可編程硬件開辟下一個藍海 除了倚重可編程功能來降低設計風險，加速產品上市進程，賽靈思全可編程硬件還從源頭滿足了運營商們和設備商的一個演進需求，那就是強調“服務”和“軟件定義”。 圖6：賽靈思全球銷售與市場亞太區副總裁楊飛 （左二）攜其亞太區通信團隊部分高層及系統架構師在世界移動大會（MWC）中移動展臺展示基于賽靈思FPGA的5G基站原型平臺 據楊飛介紹，“在這次的會議中，包括中韓日在內的各大運營商所傳達的關注重點，已不再是通信的技術和功能本身，而是強調“服務”。這對全可編程硬件而言很有利，運營商想要提供“最快”、“最好”的服務給消費者，例如有些基于物聯網或機器人的服務看似非常的天馬行空，這些貼身的服務需要強有力的應用軟件體系來支撐， 而這種強有力、反應迅速的軟件或服務體系又需要從底層，通過和軟件高度優化的硬件體系來支撐，這種硬件支撐體系需要絕對靈活、可編程。簡單來說，就是從上層服務，到最底層的硬件都是迅速可反映，迅速可編程、迅速高度優化的。全可編程器件天生就具備這方面優勢，可以從底層架構、半導體器件迎合上層服務的需求。這種“強調服務”的需求在早先2G、3G時代并不多，但現在4G乃至5G將會日益明顯，所以現在更多的半導體廠商也在5G標準制定過程中就參與其中。從底層半導體實現來支持類似NGFI等5G標準的制定。這也解釋了為何半導體廠家會直接和運營商合作，在先期參與標準制定的原因。” 在賽靈思所開啟的全可編程處理器市場中，5G會是其中非常有潛力的一塊。據楊飛介紹，目前賽靈思在5G的參與是全方位的，包括基帶、射頻、前傳、回程、毫米波等。再加上5G時代一定會是“云+物聯網”結合的時代，整個市場一定會有爆發性成長，楊飛預估，隨著帶寬和應用場景的不斷擴大，賽靈思器件的應用市場將有約5倍擴大的潛力。從28nm開始，賽靈思的 Zynq SoC就是軟件定義硬件最優化的全可編程架構，到現在已供貨的20nm UltraScale產品系列、已流片的16nm UltraScale+系列，包括最新的16nm MP SoC，器件內部所包含的各類處理資源也更為豐富，所有這些都將為5G的下一步發展提供更為可期待的提升空間。 |
