【導讀】5G雖然只是個(gè)雛形，但是很多公司已經(jīng)提出了5G原型設計的需求及算法。5G瞬間成為通信領(lǐng)域的亮點(diǎn)，本文就隨小編一起拆解移動(dòng)5G原型機，看其內部硬件設計是怎樣構想的。
中移動(dòng)現場(chǎng)展示的原型機圖片與技術(shù)框圖如下：
據賽靈思全球銷(xiāo)售與市場(chǎng)亞太區副總裁楊飛介紹：“5G目前處于做標準和實(shí)驗的階段，業(yè)界目前普遍看到商用會(huì )在2020年實(shí)施，也可能會(huì )在日韓的驅動(dòng)下提前到2018年，但其實(shí)已有很多公司，包括中興、華為，都已把未來(lái)5G潛在的一些技術(shù)，如Massive MIMO，拿到4G的網(wǎng)絡(luò )中做一些部署，推出了所謂的“4G+”或“pre 5G概念”，并推出了實(shí)際的樣機。當然由于標準未定，目前各家設備商都在發(fā)揮自己的創(chuàng )意和能力，在推進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，希望最終能轉換成標準，當然作為無(wú)線(xiàn)半導體領(lǐng)先的供應商，賽靈思也很大程度的參與其中。”
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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(zhù)預想中5G技術(shù)的更迭，基站的天線(xiàn)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(wú)線(xiàn)系統數據吞吐量和容量的關(guān)鍵技術(shù)之一。
據賽靈思方面介紹，對于大規模MIMO的優(yōu)勢業(yè)界已是有目共睹，但由于需要對每根天線(xiàn)進(jìn)行波束成型計算，其中會(huì )涉及大量的大型矩陣和線(xiàn)性運算，要實(shí)現大規模MIMO會(huì )顯著(zhù)提高連接和信號處理的消耗需求，所以實(shí)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(xiàn)算法可使用現行的技術(shù)實(shí)現（圖4），但隨著(zhù)大規模MIMO系統向越來(lái)越礦大的天線(xiàn)元陣列擴展，將要求更高的集成度，需要下一代器件的實(shí)現。
圖4：基于FPGA和MPSoC的大規模MIMO概念
對于FPGA的關(guān)鍵助益，楊飛介紹道：“由于能快速實(shí)現復雜信號處理算法，FPGA一直用于各類(lèi)無(wú)線(xiàn)基礎設施設備中，FPGA最顯著(zhù)的功能就是實(shí)時(shí)地對數據進(jìn)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(diǎn)是完全可編程（All programmable），更能讓硬件“軟”化。5G無(wú)線(xiàn)設施OEM廠(chǎng)會(huì )倚重可編程功能來(lái)降低設計風(fēng)險，加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。
其實(shí)，從早前的3G, TDSCDMA到LTE和5G，一路走來(lái)賽靈思都積極地先期參與各種技術(shù)研發(fā)、標準制定與前期驗證等工作，并跟進(jìn)不同高速算法的實(shí)現和驗證。待規范形成后一個(gè)方面可以迅速投入量產(chǎn)，其次由于FPGA完全可編程的優(yōu)勢，依然可根據所需的具體算法、架構、體系來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，從而確保以最短的時(shí)間出臺優(yōu)化的方案，支持快速量產(chǎn)上市。從這個(gè)意義而言，除了FPGA目前也沒(méi)有更好的其它方案可以替代。即使對于A(yíng)SIC，5G物理層硬件的復雜度也會(huì )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(diǎn)，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(xiàn)，采用類(lèi)似于現有8天線(xiàn)系統的前部區域。中興通訊的大規模MIMO基站可將天線(xiàn)、基站單元和射頻集成在單個(gè)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(yíng)商的運營(yíng)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(yè)領(lǐng)先的數字前端處理功能和高級基帶算法實(shí)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(shí)現大規模連接與更大容量
對于5G 網(wǎng)絡(luò )的大規模連接與容量要求，分布式小型基站、支持數百個(gè)天線(xiàn)的Massive MIMO 以及通過(guò) CloudRAN 進(jìn)行的集中式基帶處理等技術(shù)將顯著(zhù)增大覆蓋范圍與數據吞吐量。而網(wǎng)絡(luò )則將需要通過(guò)回程及光前傳來(lái)進(jìn)行安全連接，以完成處理，實(shí)現大規模連接成了另一個(gè)頭痛的焦點(diǎn)。
對此，楊飛也介紹道：“目前，賽靈思正與中國移動(dòng)研究院（CMRI）結合C-RAN、大型天線(xiàn)系統和3D MIMO等新興技術(shù)，共同研究開(kāi)發(fā)新型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )前傳接口的關(guān)鍵技術(shù)和組件，并已就下一代前傳接口（NGFI）的開(kāi)發(fā)簽署合作備忘錄（ MOU）。 ”
據賽靈思方面介紹，在目前的無(wú)線(xiàn)系統中，基帶設備和射頻單元通過(guò)CPRI前傳網(wǎng)絡(luò )協(xié)議連接（見(jiàn)圖5 紅色框部分），隨著(zhù)其帶寬增速迅猛，需要運營(yíng)商鋪設越來(lái)越多的光纖電纜,將導致部署成本的大幅增加。未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展趨向于集中式的基帶架構，必然會(huì )對的前傳網(wǎng)絡(luò )提出更大的挑戰，亟需新技術(shù)改進(jìn)前傳協(xié)議。據悉，探討的一些可能性是將部分基帶處理移動(dòng)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(wú)論最終會(huì )否集成到射頻中，基帶處理、射頻、及相關(guān)前傳技術(shù)都將構成5G的重點(diǎn)。
據悉，賽靈思正通過(guò)其Zynq SoC平臺，為NGFI生態(tài)系統打造一個(gè)經(jīng)驗證的NGFI參考設計。這個(gè)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(wú)線(xiàn)前傳網(wǎng)絡(luò )研究的基準框架，并為下一代高度優(yōu)化的前傳接口設計提供關(guān)鍵的技術(shù)和組件。
5G會(huì )為全可編程硬件開(kāi)辟下一個(gè)藍海
除了倚重可編程功能來(lái)降低設計風(fēng)險，加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，賽靈思全可編程硬件還從源頭滿(mǎn)足了運營(yíng)商們和設備商的一個(gè)演進(jìn)需求，那就是強調“服務(wù)”和“軟件定義”。
在賽靈思所開(kāi)啟的全可編程處理器市場(chǎng)中，5G會(huì )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(shí)代一定會(huì )是“云+物聯(lián)網(wǎng)”結合的時(shí)代，整個(gè)市場(chǎng)一定會(huì )有爆發(fā)性成長(cháng)，楊飛預估，隨著(zhù)帶寬和應用場(chǎng)景的不斷擴大，賽靈思器件的應用市場(chǎng)將有約5倍擴大的潛力。從28nm開(kāi)始，賽靈思的 Zynq SoC就是軟件定義硬件最優(yōu)化的全可編程架構，到現在已供貨的20nm UltraScale產(chǎn)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(lèi)處理資源也更為豐富，所有這些都將為5G的下一步發(fā)展提供更為可期待的提升空間。
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