运用可扩展的智能异构计算将 5G 潜力发挥到极致

FPGA开发圈 2020-08-27 00:00

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Harpinder Matharu

赛灵思有线与无线事业部技术市场高级总监

在 5G 商业化方兴未艾之际，对于 5G 能给我们这个日益互联的世界带来哪些影响，人们充满憧憬。

事实上，随着 5G 技术得到更广泛的部署，今后十年我们预计将看到消费者、企业和经济的面貌被 5G 功能重塑一新。

尽管拥有这样的变革潜力，但性能、功耗、覆盖、成本等问题仍然是横亘在 5G 网络部署和应用之路上的绊脚石。

应对重重挑战

着眼于性能，在中频段上低于 6GHz 的大规模 MIMO 无线电（32T32R 和 64T64R）是全球各地以波束成形为中心的 5G NR 部署的主导形态。

虽然现场测试结果已经体现出令人振奋的改进，特别是在下行链路吞吐量方面，但性能始终低于预期。

此外，功耗、覆盖和成本等其他问题也亟需解决。除此之外，对于处在蜂窝边缘的 UE 来说，上行链路的性能一直欠佳。

运营商和系统 OEM 厂商已从第一阶段的 5G NR 部署中学习到宝贵经验，正在对新一代 5G NR 系统设计进行多项改进，以解决这些问题。

调度器（ MAC 层）和波束成形（低 PHY ）间的跨层协同优化、为实现更优异的波束成形管理而开展的功能划分改进、机器学习（ ML ）算法的大量应用是一些主要的研究和实施领域。

采用更高效的氮化镓功率放大器、改进功率放大器线性化算法、集成数据处理和 ADC/DAC 功能，是降低 5G NR 大规模 MIMO 天线板功耗与成本的主要发展方向。

必须明确的是，我们仍然处于 5G NR 商业推广的早期阶段。增强型移动宽带是满足移动网络中快速增长的带宽需求的主要应用场景。立足于颠覆性基于微服务的 5G 核心网架构并不在目前的部署范畴中。

随着 5G 部署从非独立组网模式（锚定在 LTE 上以获取控制信令）向独立组网模式过渡，我们将目睹基于微服务的 5G 核心网逐步成形。向 5G 核心网的转型将加快新应用和新应用场景的兴起。

这场转型反过来也将相应地在时延、吞吐量和可靠性方面对 5G NR 基站提出进一步的要求。5G NR 基站的安装基础能否适应未来 3-5 年的新兴要求，对部署新服务来说至关重要。

不断变化的运营商需求

毫无疑问，随着更多的运营商计划部署 5G，新一代 5G 设备的要求也会随之发展演进。占用带宽将从 100MHz 的典型系统带宽倍增至 200MHz。

此外，载频数和载频组合数也在增加。而且对于 6GHz 以下的无线电来说，数字前端的目标带宽要高得多。

新一代 5G 系统对于中频段或 C 频段的典型带宽要求是 400MHz 瞬时带宽，其中占用带宽为 200MHz。这样多家运营商就可以共享设备，减少系统 SKU，从而满足不同国家的客户需求。

对于宽带无线电，业界也正在考虑使用新型功率放大器技术，尤其是氮化镓功率放大器技术，以进一步将功耗降低 5-10%。

这些系统的线性化或数字预失真将更加复杂，需要大量的计算。在实现这些改进的过程中，保持每 MHz 频谱功耗水平不变是必备要求。

将 5G 潜力发挥到极致水平

对于正在构建 5G 网络的运营商而言，低于 6GHz 的中频段以波束成形为中心的 5G NR 大规模 MIMO 系统可以提供更高的蜂窝容量，并具备独特能力将容量指向最需要的地方。

低频段的宏站拥有优异的覆盖特性。对于提供大规模、高性能、低成本的服务投放来说，由良好协调的低于 6GHz 的高容量大规模 MIMO 系统和大覆盖面积低频段宏站共同构成的移动网络将是一种理想组合。

为了将网络潜力发挥到极致水平，5G 基带系统需要借助 AI/ML 算法实现智能化，使无线电以良好协调的方式工作，最大化每个无线电节点的性能，同时高效地均衡这些节点之间的负载流量。

此外，除了在低于 6GHz 的网络上部署以外，5G 毫米波无线电还可以部署在需要高容量且无线电环境非常适合毫米波传输的位置上。

5G 毫米波无线电处于早期试用阶段，在世界上某些地方已有部署。这项技术有望在未来几年内得到改进，届时将能够在移动网络中的多个站点提供最低成本的数据容量。

关键在于，由于 5G 核心网的部署蓄势待发，众多新的服务和相关要求也将在未来几年涌现出来。

拥有灵活应变的无线电和基带系统来适应未来需求是至关重要的，这样才能保持和最大化资本支出（ CAPEX ）回报，同时把握未来 5G 服务所创造的收益流。

推动新一代 5G 网络向前发展

随着业界将目光投向新一代 5G 网络，需要的是基于标准、高度灵活的解决方案，能够将软件可编程能力、实时处理、硬件优化和任意连接与安全性相结合。

这样的解决方案将帮助无线系统厂商快速设计、创新和差异化他们的解决方案，轻松实现现场升级，并提供显著的 TTM 优势。

对自适应计算的迫切需求

随着 5G 基础设施的要求与行业规范仍在不断演进发展，业界对自适应计算产生了非常迫切的需求。

赛灵思 7nm Versal™ 自适应计算加速平台（ ACAP ）是一种新型异构计算器件，专为满足新一代 5G 设备的要求而精心设计。

这是一种高度集成的多核异构计算平台，将在 5G 部署中发挥核心作用，并负责完成复杂的实时信号处理，其中包括用于提高网络容量的先进波束成形算法。

5G 要求使用波束成形技术。这需要高计算密度与先进的高速连接（片上和片外）才能满足 5G 的低时延要求。

不仅如此，不同的系统功能划分和算法实现方案也会带来大量的处理性能与计算精度的需求。传统 FPGA 面临的最大挑战在于，如何良好地满足这一需求，同时又能解决散热问题并克服系统占用空间约束。

Versal ACAP 能够在低功耗下提供优异的计算密度，从而完成波束成形算法需要的实时、低时延信号处理。

AI 引擎是 Versal AI Core 系列的组成部分，是实现所需的数学功能的理想方案，不仅提供了高计算密度、先进连接，而且还能够进行重新编程与重新配置（即使在部署之后）。

未来的 5G 网络

展望未来，5G 网络需要更具可扩展性、更加智能化和异构化。

分布式小蜂窝、搭载数百天线的大规模 MIMO、通过 CloudRAN 实现的集中式基带处理等技术将有力地提高覆盖和数据吞吐量。网络将需要通过回传和光前传安全地连接以执行处理。

与此同时，为了确保 5G 能够真正发挥自身潜力，运营商和无线基础设施制造商需要借技术之力解决容量、连接和性能难题，灵活地支持多种标准、多个频段和多个子网络，实现多样化的 5G 用例和应用。

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