運(yùn)用可擴(kuò)展的智能異構(gòu)計(jì)算最大化發(fā)掘 5G 潛力

Harpinder Matharu，賽靈思有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)部技術(shù)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)高級(jí)總監(jiān)

在 5G 商業(yè)化持續(xù)發(fā)展之際，對(duì)于 5G 能給我們這個(gè)日益互聯(lián)的世界帶來(lái)哪些影響，人們充滿(mǎn)憧憬。事實(shí)上也正是如此，隨著 5G 技術(shù)得到更廣泛的部署，預(yù)計(jì)今后十年我們將看到消費(fèi)者、企業(yè)和經(jīng)濟(jì)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(wèn)題，仍然是橫亙?cè)?5G 網(wǎng)絡(luò)部署和應(yīng)用之路上的絆腳石。

如何應(yīng)對(duì)重重挑戰(zhàn)

著眼于性能，中頻段上低于 6GHz (Sub-6GHz)的大規(guī)模 MIMO 無(wú)線(xiàn)電（32T32R 和 64T64R），是全球各地的波束中心 5G NR 部署的主導(dǎo)形態(tài)。雖然現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果已經(jīng)體現(xiàn)出令人振奮的改進(jìn)，特別是在下行鏈路吞吐量方面，但性能始終低于預(yù)期。

此外，功耗、覆蓋和成本等其他問(wèn)題，也亟需解決。除此之外，對(duì)于處于蜂窩邊緣的 UE 來(lái)說(shuō)，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(yùn)營(yíng)商和系統(tǒng) OEM 廠(chǎng)商已經(jīng)學(xué)習(xí)到豐富的寶貴經(jīng)驗(yàn)，正在對(duì)新一代的 5G NR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行多項(xiàng)改進(jìn)，以解決上述問(wèn)題。調(diào)度器（MAC 層）和波束成型（低 PHY）間的跨層協(xié)同優(yōu)化、為實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的波束成型管理而開(kāi)展的功能劃分改進(jìn)、機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 算法的大量應(yīng)用等，都是當(dāng)前一些主要的研究和實(shí)施領(lǐng)域。采用更高效的氮化鎵功率放大器、改進(jìn)功率放大器線(xiàn)性化算法、集成數(shù)字和 ADC/DAC 功能，是降低 5G NR 大規(guī)模 MIMO 天線(xiàn)板功耗與成本的主要發(fā)展方向。

必須明確的是，我們?nèi)匀惶幵?5G NR 商業(yè)推廣的早期階段。增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶是滿(mǎn)足移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中快速增長(zhǎng)帶寬需求的主要用例。立足于顛覆性服務(wù)的 5G 核心架構(gòu)，并不在目前的部署范疇中。隨著 5G 部署從非獨(dú)立模式（錨定在 LTE 上以獲取控制信令）向獨(dú)立模式過(guò)渡，我們將目睹基于服務(wù)的 5G 核心網(wǎng)逐步成形。向 5G 核心網(wǎng)的轉(zhuǎn)型，將加快新應(yīng)用和新用例的興起。這場(chǎng)轉(zhuǎn)型反過(guò)來(lái)也將相應(yīng)地在時(shí)延、吞吐量和可靠性方面，對(duì) 5G NR 基站提出進(jìn)一步的要求。5G NR 基站的安裝基礎(chǔ)能否適應(yīng)未來(lái) 3-5 年的新興要求，對(duì)部署新服務(wù)至關(guān)重要。

不斷變化的運(yùn)營(yíng)商需求

毫無(wú)疑問(wèn)，隨著更多的運(yùn)營(yíng)商計(jì)劃部署 5G，新一代 5G 設(shè)備的要求也會(huì)隨之發(fā)展演進(jìn)。占用帶寬將從 100MHz 的典型系統(tǒng)帶寬倍增至 200MHz。此外，載頻數(shù)和載頻組合數(shù)也在增加。而且，對(duì)于 Sub-6GHz 以下的無(wú)線(xiàn)電來(lái)說(shuō)，數(shù)字前端的目標(biāo)帶寬要高得多。

新一代 5G 系統(tǒng)對(duì)于中頻段或 C 頻段的典型帶寬要求是 400MHz 瞬時(shí)帶寬，其中占用帶寬為 200MHz。這樣多家運(yùn)營(yíng)商就可以共享設(shè)備，減少系統(tǒng) SKU，從而滿(mǎn)足不同國(guó)家的客戶(hù)需求。對(duì)于寬帶無(wú)線(xiàn)電，業(yè)界也正在考慮使用新型功率放大器技術(shù)，尤其是氮化鎵功率放大器技術(shù)，以進(jìn)一步降低 5-10% 的功耗。這些系統(tǒng)的線(xiàn)性化或數(shù)字預(yù)失真要復(fù)雜得多，需要大量的計(jì)算。在實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)的過(guò)程中，保持每 MHz 頻譜功耗水平不變是必備要求。

將 5G 潛力發(fā)掘到極致

對(duì)于正在構(gòu)建 5G 網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)商而言，Sub6GHz 的中頻段波束中心 5G NR 大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)，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(dú)特能力。低頻段的宏無(wú)線(xiàn)電擁有優(yōu)異的覆蓋特性。對(duì)于提供大規(guī)模、高性能、低成本的服務(wù)投放來(lái)說(shuō)，由良好協(xié)調(diào)的Sub-6GHz z 的高容量大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)和大覆蓋面積低頻段宏無(wú)線(xiàn)電共同構(gòu)成的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將是一種理想組合。

為了將網(wǎng)絡(luò)潛力發(fā)揮到極致，5G 基帶系統(tǒng)需要借助 AI/ML 算法實(shí)現(xiàn)智能化，使無(wú)線(xiàn)電以良好協(xié)調(diào)的方式工作，最大化每個(gè)無(wú)線(xiàn)電節(jié)點(diǎn)的性能，同時(shí)高效地平衡這些節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載流量。此外，除了在Sub-6GHz 的網(wǎng)絡(luò)上部署以外，5G 毫米波無(wú)線(xiàn)電還可以部署在需要高容量且無(wú)線(xiàn)電環(huán)境非常適合毫米波傳輸?shù)奈恢蒙稀?/p>

5G 毫米波無(wú)線(xiàn)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(xiàng)技術(shù)有望在未來(lái)幾年內(nèi)得到提升，屆時(shí)將能夠在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)站點(diǎn)提供最低成本的數(shù)據(jù)容量。關(guān)鍵在于，由于 5G 核心網(wǎng)的部署蓄勢(shì)待發(fā)，眾多新的服務(wù)和相關(guān)要求也將在未來(lái)幾年陸續(xù)涌現(xiàn)。擁有靈活應(yīng)變的無(wú)線(xiàn)電和基帶系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)未來(lái)需求至關(guān)重要的，只有這樣才能保持和最大化資本支出 (CAPEX) 回報(bào)，同時(shí)把握未來(lái) 5G 服務(wù)所創(chuàng)造的收益流。

推動(dòng)新一代 5G 網(wǎng)絡(luò)向前發(fā)展

隨著業(yè)界將目光投向新一代 5G 網(wǎng)絡(luò)，需要的是基于標(biāo)準(zhǔn)、高度靈活的解決方案，能夠?qū)④浖删幊棠芰Α?shí)時(shí)處理、硬件優(yōu)化和任意連接與安全性相結(jié)合。這樣的解決方案將幫助無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)廠(chǎng)商快速設(shè)計(jì)、創(chuàng)新和差異化他們的解決方案，輕松實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)，并提供顯著的 TTM 優(yōu)勢(shì)。

對(duì)自適應(yīng)計(jì)算的迫切需求

5G 基礎(chǔ)設(shè)施的要求與行業(yè)規(guī)范仍在不斷演進(jìn)發(fā)展，業(yè)界對(duì)自適應(yīng)計(jì)算產(chǎn)生了非常迫切的需求。賽靈思 7nm Versal? ACAP （自適應(yīng)計(jì)算加速平臺(tái)) 是一種新型異構(gòu)計(jì)算器件，專(zhuān)為滿(mǎn)足新一代 5G 設(shè)備的要求而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。這是一種高度集成的多核異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)，將在 5G 部署中發(fā)揮核心作用，并負(fù)責(zé)完成復(fù)雜的實(shí)時(shí)信號(hào)處理，其中包括用于提高網(wǎng)絡(luò)容量的先進(jìn)波束成型算法。

圖 1：賽靈思 7nm Versal? ACAP （自適應(yīng)計(jì)算加速平臺(tái))

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

5G 無(wú)線(xiàn)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(guī)模 MIMO 和毫米波無(wú)線(xiàn)電的第二波大規(guī)模部署。RFSoC DFE 是業(yè)界首款自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)，支持 8T8R 的 400MHz 瞬時(shí)帶寬 (iBW)、高達(dá) 7.125GHz 的直接射頻采樣 (FR1)、每天線(xiàn)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(fā)器 (FR2)。它是一個(gè)集成直接射頻采樣 DAC/ADC 和數(shù)字預(yù)失真硬化 IP 的單芯片 8T8R FDD/TDD 400MHz 器件，支持傳統(tǒng)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?jǐn)?shù)重采樣濾波器與均衡器，能夠?qū)崿F(xiàn)單位功耗性能加倍，功耗減半。

賽靈思 Zynq RFSoC DFE 平臺(tái)

未來(lái)的 5G 網(wǎng)絡(luò)

展望未來(lái)，5G 網(wǎng)絡(luò)需要更具可擴(kuò)展性、更加智能化和異構(gòu)化。分布式小蜂窩、搭載數(shù)百天線(xiàn)的大規(guī)模 MIMO、通過(guò) CloudRAN 實(shí)現(xiàn)的集中式基帶處理等技術(shù)將有力地提高覆蓋和數(shù)據(jù)吞吐量。網(wǎng)絡(luò)將需要通過(guò)回程和光通信前傳安全地連接以開(kāi)展處理。與此同時(shí)，為了確保 5G 能夠真正發(fā)揮自身潛力，運(yùn)營(yíng)商和無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施制造商需要借技術(shù)之力解決容量、連接和性能難題，靈活地支持多種標(biāo)準(zhǔn)、多個(gè)頻段和多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多樣化的 5G 用例和應(yīng)用。