借助Zynq RFSoC DFE因應(yīng)5G大規(guī)模部署挑戰(zhàn)

 隨著5G基礎(chǔ)設(shè)施和裝置設(shè)備的部署，5G已從概念轉(zhuǎn)變成為現(xiàn)實；5G經(jīng)濟(jì)顯然不會只是3G或4G的復(fù)制品。新的挑戰(zhàn)需要能自行調(diào)適的解決方案，既要可以處理多樣化的需求，同時也要能夠隨市場需求的變化而持續(xù)演進(jìn)發(fā)展。
Zynq UltraScale+ RFSoC DFE因其架構(gòu)上整合了比傳統(tǒng)軟件化邏輯（soft logic）更多的硬件化IP邏輯，使得其在保持靈活應(yīng)變價值的同時，還能媲美客制化的ASIC在成本和功耗上的競爭力，因此能輕松應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

5G面臨的前線挑戰(zhàn)

日益提高的無線電效能和復(fù)雜性

無線電單元（Radio Unit；RU）對更大帶寬的需求，不僅是為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，營運(yùn)商還需要為現(xiàn)有和新的頻段解決復(fù)雜的無線電配置問題。為滿足這些需求，無線電應(yīng)從設(shè)計上支持可能的最大瞬間帶寬（instantaneous bandwidth；iBW）。例如，早期5G無線電支持高達(dá)200MHz的帶寬，但未來的無線電需要支持高達(dá)400MHz的帶寬。
盡管5G已成為預(yù)設(shè)的無線標(biāo)準(zhǔn)，但4G大量傳輸仍會持續(xù)數(shù)年。即使在升級或安裝5G網(wǎng)絡(luò)時，營運(yùn)商仍須提供4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋；再者，由于基地臺的空間是按照單位和重量租用的，同時支持4G和5G的多模式RU有助于降低資本支出（CAPEX）和營運(yùn)成本（OPEX）。 5G無線電的另一個復(fù)雜之處是分布式單元（Distributed Unit；DU）接口，其典型劃分為7.1、7.2和7.3，而RU必須對此給予全面支持。

5G的多樣化應(yīng)用及不斷演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)

3G主要與語音和訊息有關(guān)，營運(yùn)商的盈利模式是出售以分鐘計算的通話時間和訊息數(shù)量。而4G有一項應(yīng)用是行動數(shù)據(jù)，它促成了智能型手機(jī)的興起，營運(yùn)商也因此開始每月以GB為單位銷售數(shù)據(jù)。
5G則如圖一所示，擁有三種主要用途：增強(qiáng)型行動寬帶（Enhanced Mobile Broadband；eMBB）、超高可靠度且低延遲通訊（Ultra-Reliable Low-Latency Communication；URLLC）和大規(guī)模機(jī)器型通訊（Massive Machine Type Communication；mMTC）。當(dāng)分別優(yōu)化其中一個用途，將會導(dǎo)致非常不一樣的無線電解決方案；而5G將它們?nèi)诤铣山y(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

 
圖一 : 5G應(yīng)用

現(xiàn)今的5G全部圍繞著eMBB而發(fā)展。業(yè)者爭相部署5G以吸引消費者使用速度最快的網(wǎng)絡(luò)。
至于URLLC和mMTC則相對較為新穎，目前還沒有已開發(fā)的市場或經(jīng)濟(jì)體實現(xiàn)它們。URLLC主要倡導(dǎo)的應(yīng)用就是自動駕駛，但5G網(wǎng)絡(luò)不會在該領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。其原因在于自動駕駛的過程要求原位（in situ）運(yùn)行。有一種可行的URLLC應(yīng)用，是將車輛或機(jī)器設(shè)備運(yùn)行在采礦和救災(zāi)這類的危險環(huán)境中。
mMTC的應(yīng)用則適用于每平方公里存在上百萬個互聯(lián)設(shè)備的情況。目前智能家庭裝置的WiFi運(yùn)作狀況良好，不會被5G取代。mMTC的應(yīng)用對于工業(yè)、商業(yè)和政府治理（例如智慧工廠、智慧城市）來說將更加重要。

不斷演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)

4G LTE標(biāo)準(zhǔn)在2009年的第9版中最終確定，并在隨后的8年里，透過5個3GPP版本的推出不斷演進(jìn)，直至發(fā)展到4G LTE Advanced。
5G的第一階段和第二階段已經(jīng)在第15版和第16版中完成定義，并涵蓋eMBB、mMTC和URLLC的基礎(chǔ)。第17版已經(jīng)開始訂定，而第18版也已經(jīng)開始籌劃。未來十年，5G標(biāo)準(zhǔn)將隨著市場需求而發(fā)展。

5G市場顛覆

5G將面臨的一大挑戰(zhàn)可以概括為市場顛覆。回顧4G可以發(fā)現(xiàn)，其市場相當(dāng)單一且固定。4G只有一項應(yīng)用，市場由傳統(tǒng)營運(yùn)商所構(gòu)成，他們向消費者銷售數(shù)據(jù)，并向傳統(tǒng)硬件OEM廠商購買網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備。
如今，O-RAN聯(lián)盟和電信基礎(chǔ)架構(gòu)項目（Telecom Infra Project）都透過供貨商多元化，顛覆既有的商業(yè)模式。Dish、Rakuten和RJIO等顛覆性的5G營運(yùn)商正挑戰(zhàn)著他們的同行和既有營運(yùn)商。顛覆和真正的創(chuàng)新將會發(fā)生在使用mMTC和URLLC功能，以提供完善的企業(yè)專網(wǎng)解決方案中。最終結(jié)果是有了新的營運(yùn)商和供貨商參與其中且富有活力的5G經(jīng)濟(jì)，如圖三所示。

圖二 : 5G將助力實現(xiàn)專網(wǎng)中的創(chuàng)新


 
圖三 : 5G新的商業(yè)模式、市場和競爭

Zynq RFSoC DFE滿足當(dāng)前和未來的5G需求

Zynq RFSoC DFE在硬化或類ASIC的結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了已知和運(yùn)算密集型 DFE（Digital Front-End；數(shù)字前端）功能，能同時以4G和5G新無線電（New Radio；NR） 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置。


 
圖四 : Zynq RFSoC DFE整合了硬化IP的完整DFE子系統(tǒng)

如圖五所示，這些硬化單元占用更少的芯片面積，與傳統(tǒng)FPGA軟件化邏輯相比，能節(jié)省高達(dá)80％的功耗。由于每個硬化的IP核心在物理尺寸上都小于軟件化邏輯，因此與Zynq UltraScale+ RFSoC第三代組件相比，添加了額外的核心就能提供2倍DFE處理能力。


 
圖五 : 采用硬化IP的優(yōu)勢

在充分利用DFE硬化模塊的情況下，Zynq RFSoC DFE的功耗比相較于使用在第三代Zynq RFSoC組件上的等效執(zhí)行方案降低約50%。
如圖六所示，硬化模塊以與數(shù)據(jù)流保持一致的方式，按規(guī)律布局在Zynq RFSoC DFE上。每個IP功能都由多個實例組成，使組件能根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展或縮減。為提供最大的靈活性，使用者可以繞過任何模塊并在數(shù)據(jù)路徑中的任意點添加邏輯。


圖六 : Zynq RFSoC DFE功能模塊圖

Zynq RFSoC DFE在FR1（高達(dá) 7.125GHz）中支持高達(dá)400MHz iBW的多頻段和多模式無線電，并且在作為FR2的IF收發(fā)器時提供高達(dá)1600MHz iBW。

結(jié)語
總而言之，賽靈思Zynq UltraScale+ RFSoC DFE延續(xù)了Zynq UltraScale+ RFSoC的成功基礎(chǔ)，將所有關(guān)鍵和運(yùn)算密集型數(shù)字處理模塊納入一個硬化且符合標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)內(nèi)，同時為未知的未來需求和市場需求內(nèi)建自行調(diào)適邏輯，既提供可媲美ASIC的優(yōu)勢，又保持一貫以來的靈活應(yīng)變能力和上市速度。
（本文作者David Brubaker為賽靈思資深產(chǎn)品線經(jīng)理）