5G基础设施和对端到端可编程性的需求

作者：Alok Sanghavi，Achronix半导体公司高级产品营销经理。

一、引言

我们目前处于蜂窝连接的转型时期，未来无处不在的无线连接正在兴起。在全球范围内，2G、3G和4G的成功推动手机使用量达到了令人难以置信的75亿部。令人震惊的是，这使得移动设备的数量比全球人口还要多。或许更具影响力的是，蜂窝连接对那些之前被数字化剥夺权利的人产生的影响; 例如，2016年撒哈拉以南非洲地区每100人通常有1部固定电话，但有74台移动连接设备。

展望未来十年，随着5G的出现，无线基础设施将变得更加普遍，甚至与我们日常生活的方方面面完全融为一体。 5G延续了先前蜂窝标准(在驱动带宽方面)的模式，但也将其扩展到更多设备和使用模式。

主要趋势包括：

(1) 对增强型移动宽带(eMBB)和其他应用的带宽增加需求，特别是以10倍现有吞吐量或者更高速率驱动的瞬时可用带宽。

• 这将是5G标准化带来的首波驱动力，其中3GPP已于2017年完成非独立(即LTE辅助)新无线电(NR)，2018年可提供5G独立版，如图1所示。
• 5G的部署也将根据频段情况分阶段进行，首先部署6GHz以下，然后是毫米波(mmWave)频率的连续频段，以便在稍后阶段支持关键eMBB应用。

图1：5G的ITU和3GPP时间表

(2) 随着物联网(IoT)蜂窝网络连接的到来而连接到大量的设备。预计到2020年将有500亿台蜂窝网络连接的设备。这些需求当中的一部分可以通过现有标准满足，同时也要靠Release 16版本中海量机器类通信(mMTC)的现有规范去实现了。

(3) 新的应用模式也在不断涌现，这对移动设备及其蜂窝无线基础设施提出了新的要求。示例包括：

• 用于连接多个电池供电物联网端点的低带宽、低功耗的要求，以实现mMTC相关的连接和监控;
• 用于车辆到车辆和车辆到基础设施的连接(C-V2X)高可靠性、低延迟蜂窝网络，以补充现有的V2X解决方案;
• 为远程手术和增强/虚拟现实等新兴应用提供的高可靠性、低延迟支持。

后两类应用将通过即将推出的3GPP超可靠、低延迟连接(URLLC)标准来解决。

(4) 对边缘分析和移动边缘计算(MEC)的新需求。计算重心正在从以前估计的将数据发送到集中式计算资源进行处理，转变为移到位于数据生成原点附近的分布式计算资源的新范例。造成这种转变的原因是多方面的：新兴应用严格的延迟要求、越来越庞大的数据量，以及优化稀缺网络资源的愿望等等许多方面。

二、基带

在本文中，我们考虑如何通过具有高性能CPU子系统和包括FPGA可重编程加速硬件处理单元的SoC架构来成功应对5G的独特需求。

基带从网络接口(例如以太网)获取数据，并将其转换为通过前传(Fronthaul)接口传输到射频前端进行传入/传出的复杂样本。以下高级原理图包括用于LTE下行链路的发送器(图2a)，以及用于上行链路的接收器(图2b)。

(a)下行链路

(b)上行链路

图2：基带处理的高级原理图

三、基带L1处理的案例研究

在这里，我们举例说明如何将基带处理(尤其是Layer-1层)映射到关键处理元器件上，如处理器子系统、CPU和DSP内核，以及固定和灵活的硬件加速，如图3所示。

图3：关键基带处理元器件

1. 前传(天线接口)连接

除了前面描述的处理元器件之外，还有一个灵活的天线接口功能模块：这是连接基带和射频单元所需的元件。传统上，这是通用公共无线电接口(CPRI)，有时是开放式基站架构计划(OBSAI)兼容的部分。

然而，越来越多的方案在转向指定一个更灵活的前传接口，以允许基带和RF前端之间的不同映射(如图4所示)。IEEE对下一代前传接口NGFI(IEEE1914)进行了持续的跟进，包括用于基于分组的前传传输网络标准IEEE1914.1和以太网无线电(RoE)包封和映射标准IEEE1914.1。同时，还有其他行业项目指定了5G前传接口并可共享，例如eCPRI。

鉴于前传接口面临的各种规范、标准和要求，FPGA很适合其应用，并通常用于支持此接口，如图3所示。

2. 可加速5G上市时间的分立结构

图4将5G所需的处理元器件映射为具有独立器件的分立式架构，包括CPU SoC、辅助FPGA加速和天线接口。此配置反映了在可以提供经过优化的5G专用集成电路( ASIC)之前，可以在5G原型设计和早期量产中部署的实施方案。

(1) CPU系统级芯片里面包括：Arm处理器组合以及用于Layer-1处理和硬化加速器的DSP内核，用于固定的、明确定义的功能。

在此示例中，假设现有的4G ASIC SoC可用，因此具有通用加速(例如MACSEC)以及LTE特定加速：前向纠错(特别是turbo编解码器)、快速傅立叶变换和离散傅里叶变换，以在上行链路上支持SC-FDMA。

(2) 灵活的天线接口

如前所述，前传天线接口非常适合用FPGA来实现。这是在线配置的，数据从射频单元发出(在上行链路上)，然后是被转换为诸如以太网等具有标准连接的协议。

(3) 硬件加速FPGA

• 辅助加速FPGA实现了在基带SoC上不可提供的所有必要的计算密集型功能。这可以是5G特定的功能或先前未曾规划的功能。
• 在此处显示的示例中，使用了CCIX互连。该标准允许基于不同指令集架构的处理器将缓存一致性、对等处理的优势扩展到包括FPGA和定制ASIC在内的多种加速器件上。

图4：可加速5G上市时间的分立结构

3. 基于Chiplet的5G实现

（编辑：核心网）

【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容!