運用可擴展的智能異構計算最大化發掘 5G 潛力

Harpinder Matharu，賽靈思有線與無線業務部技術市場營銷高級總監

在 5G 商業化持續發展之際，對于 5G 能給我們這個日益互聯的世界帶來哪些影響，人們充滿憧憬。事實上也正是如此，隨著 5G 技術得到更廣泛的部署，預計今后十年我們將看到消費者、企業和經濟的面貌，將被 5G 功能重塑一新。

然而， 5G變革潛力雖然令人期待，但放眼全球， 性能、功耗、覆蓋、成本等問題，仍然是橫亙在 5G 網絡部署和應用之路上的絆腳石。

如何應對重重挑戰

著眼于性能，中頻段上低于 6GHz (Sub-6GHz)的大規模 MIMO 無線電（32T32R 和 64T64R），是全球各地的波束中心 5G NR 部署的主導形態。雖然現場結果已經體現出令人振奮的改進，特別是在下行鏈路吞吐量方面，但性能始終低于預期。

此外，功耗、覆蓋和成本等其他問題，也亟需解決。除此之外，對于處于蜂窩邊緣的 UE 來說，上行鏈路的性能也一直不盡如人意。

值得欣慰的是，在第一階段的 5G NR 部署中，運營商和系統 OEM 廠商已經學習到豐富的寶貴經驗，正在對新一代的 5G NR 系統設計進行多項改進，以解決上述問題。調度器（MAC 層）和波束成型（低 PHY）間的跨層協同優化、為實現更優異的波束成型管理而開展的功能劃分改進、機器學習 (ML) 算法的大量應用等，都是當前一些主要的研究和實施領域。采用更高效的氮化鎵功率放大器、改進功率放大器線性化算法、集成數字和 ADC/DAC 功能，是降低 5G NR 大規模 MIMO 天線板功耗與成本的主要發展方向。

必須明確的是，我們仍然處在 5G NR 商業推廣的早期階段。增強型移動寬帶是滿足移動網絡中快速增長帶寬需求的主要用例。立足于顛覆性服務的 5G 核心架構，并不在目前的部署范疇中。隨著 5G 部署從非獨立模式（錨定在 LTE 上以獲取控制信令）向獨立模式過渡，我們將目睹基于服務的 5G 核心網逐步成形。向 5G 核心網的轉型，將加快新應用和新用例的興起。這場轉型反過來也將相應地在時延、吞吐量和可靠性方面，對 5G NR 基站提出進一步的要求。5G NR 基站的安裝基礎能否適應未來 3-5 年的新興要求，對部署新服務至關重要。

不斷變化的運營商需求

毫無疑問，隨著更多的運營商計劃部署 5G，新一代 5G 設備的要求也會隨之發展演進。占用帶寬將從 100MHz 的典型系統帶寬倍增至 200MHz。此外，載頻數和載頻組合數也在增加。而且，對于 Sub-6GHz 以下的無線電來說，數字前端的目標帶寬要高得多。

新一代 5G 系統對于中頻段或 C 頻段的典型帶寬要求是 400MHz 瞬時帶寬，其中占用帶寬為 200MHz。這樣多家運營商就可以共享設備，減少系統 SKU，從而滿足不同國家的客戶需求。對于寬帶無線電，業界也正在考慮使用新型功率放大器技術，尤其是氮化鎵功率放大器技術，以進一步降低 5-10% 的功耗。這些系統的線性化或數字預失真要復雜得多，需要大量的計算。在實現這些改進的過程中，保持每 MHz 頻譜功耗水平不變是必備要求。

將 5G 潛力發掘到極致

對于正在構建 5G 網絡的運營商而言，Sub6GHz 的中頻段波束中心 5G NR 大規模 MIMO 系統，提供了更高的蜂窩容量，并具備將容量指向最需要地方的獨特能力。低頻段的宏無線電擁有優異的覆蓋特性。對于提供大規模、高性能、低成本的服務投放來說，由良好協調的Sub-6GHz z 的高容量大規模 MIMO 系統和大覆蓋面積低頻段宏無線電共同構成的移動網絡將是一種理想組合。

為了將網絡潛力發揮到極致，5G 基帶系統需要借助 AI/ML 算法實現智能化，使無線電以良好協調的方式工作，最大化每個無線電節點的性能，同時高效地平衡這些節點之間的負載流量。此外，除了在Sub-6GHz 的網絡上部署以外，5G 毫米波無線電還可以部署在需要高容量且無線電環境非常適合毫米波傳輸的位置上。

5G 毫米波無線電目前還處于早期試用階段，在世界上某些地方已有部署。這項技術有望在未來幾年內得到提升，屆時將能夠在移動網絡中的多個站點提供最低成本的數據容量。關鍵在于，由于 5G 核心網的部署蓄勢待發，眾多新的服務和相關要求也將在未來幾年陸續涌現。擁有靈活應變的無線電和基帶系統來適應未來需求至關重要的，只有這樣才能保持和最大化資本支出 (CAPEX) 回報，同時把握未來 5G 服務所創造的收益流。

推動新一代 5G 網絡向前發展

隨著業界將目光投向新一代 5G 網絡，需要的是基于標準、高度靈活的解決方案，能夠將軟件可編程能力、實時處理、硬件優化和任意連接與安全性相結合。這樣的解決方案將幫助無線系統廠商快速設計、創新和差異化他們的解決方案，輕松實現現場升級，并提供顯著的 TTM 優勢。

對自適應計算的迫切需求

5G 基礎設施的要求與行業規范仍在不斷演進發展，業界對自適應計算產生了非常迫切的需求。賽靈思 7nm Versal? ACAP （自適應計算加速平臺) 是一種新型異構計算器件，專為滿足新一代 5G 設備的要求而專門設計。這是一種高度集成的多核異構計算平臺，將在 5G 部署中發揮核心作用，并負責完成復雜的實時信號處理，其中包括用于提高網絡容量的先進波束成型算法。

圖 1：賽靈思 7nm Versal? ACAP （自適應計算加速平臺)

5G 要求使用波束成型技術。這需要高計算密度與先進的高速連接（片上和片外）才能滿足 5G 的低時延要求。不僅如此，不同的系統功能劃分需求和算法實現方案也會帶來廣泛的處理性能與計算精度。傳統 FPGA 面臨的最大挑戰在于，如何良好地滿足這一需求，同時又能解決散熱問題并克服系統占用空間約束。Versal ACAP 能夠在低功耗下提供優異的計算密度，從而完成波束成型算法需要的實時、低時延信號處理。AI 引擎是 Versal AI Core 系列的組成部分，是實現所需的數學功能的理想方案，不僅提供了高計算密度、先進連接，而且還能夠進行重新編程與重新配置（即使在部署之后）。

5G 無線電的突破性集成

賽靈思 RFSoC DFE 器件提供了硬化 IP 的突破性集成，旨在解決 5G NR 多頻段宏、大規模 MIMO 和毫米波無線電的第二波大規模部署。RFSoC DFE 是業界首款自適應無線電平臺，支持 8T8R 的 400MHz 瞬時帶寬 (iBW)、高達 7.125GHz 的直接射頻采樣 (FR1)、每天線最多 8 載波的多頻段載波聚合以及最高 1600MHz 的 iBW 毫米波 IF 收發器 (FR2)。它是一個集成直接射頻采樣 DAC/ADC 和數字預失真硬化 IP 的單芯片 8T8R FDD/TDD 400MHz 器件，支持傳統帶寬和超寬帶寬 (400MHz) 氮化鎵功率放大器、400MHz CFR、多載波多頻段 DUC/DDC 和分數重采樣濾波器與均衡器，能夠實現單位功耗性能加倍，功耗減半。

賽靈思 Zynq RFSoC DFE 平臺

未來的 5G 網絡

展望未來，5G 網絡需要更具可擴展性、更加智能化和異構化。分布式小蜂窩、搭載數百天線的大規模 MIMO、通過 CloudRAN 實現的集中式基帶處理等技術將有力地提高覆蓋和數據吞吐量。網絡將需要通過回程和光通信前傳安全地連接以開展處理。與此同時，為了確保 5G 能夠真正發揮自身潛力，運營商和無線基礎設施制造商需要借技術之力解決容量、連接和性能難題，靈活地支持多種標準、多個頻段和多個子網絡，實現多樣化的 5G 用例和應用。