运用可扩展的智能异构计算最大化发掘 5G 潜力

运用可扩展的智能异构计算最大化发掘 5G 潜力

Harpinder Matharu，赛灵思有线与无线业务部技术市场营销高级总监

在 5G 商业化持续发展之际，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。事实上也正是如此，随着 5G 技术得到更广泛的部署，预计今后十年我们将看到消费者、企业和经济的面貌，将被 5G 功能重塑一新。

然而， 5G变革潜力虽然令人期待，但放眼全球， 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。

如何应对重重挑战

着眼于性能，中频段上低于 6GHz (Sub-6GHz)的大规模 MIMO 无线电（32T32R 和 64T64R），是全球各地的波束中心 5G NR 部署的主导形态。虽然现场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，对于处于蜂窝边缘的 UE 来说，上行链路的性能也一直不尽如人意。

值得欣慰的是，在第一阶段的 5G NR 部署中，运营商和系统 OEM 厂商已经学习到丰富的宝贵经验，正在对新一代的 5G NR 系统设计进行多项改进，以解决上述问题。调度器（MAC 层）和波束成型（低 PHY）间的跨层协同优化、为实现更优异的波束成型管理而开展的功能划分改进、机器学习 (ML) 算法的大量应用等，都是当前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、集成数字和 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，我们仍然处在 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带宽需求的主要用例。立足于颠覆性服务的 5G 核心架构，并不在目前的部署范畴中。随着 5G 部署从非独立模式（锚定在 LTE 上以获取控制信令）向独立模式过渡，我们将目睹基于服务的 5G 核心网逐步成形。向 5G 核心网的转型，将加快新应用和新用例的兴起。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 Sub-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，以进一步降低 5-10% 的功耗。这些系统的线性化或数字预失真要复杂得多，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 潜力发掘到极致

对于正在构建 5G 网络的运营商而言，Sub6GHz 的中频段波束中心 5G NR 大规模 MIMO 系统，提供了更高的蜂窝容量，并具备将容量指向最需要地方的独特能力。低频段的宏无线电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Sub-6GHz z 的高容量大规模 MIMO 系统和大覆盖面积低频段宏无线电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，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，同时高效地平衡这些节点之间的负载流量。此外，除了在Sub-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 毫米波无线电目前还处于早期试用阶段，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提升，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陆续涌现。拥有灵活应变的无线电和基带系统来适应未来需求至关重要的，只有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

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™ ACAP （自适应计算加速平台) 是一种新型异构计算器件，专为满足新一代 5G 设备的要求而专门设计。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型算法。

图 1：赛灵思 7nm Versal™ ACAP （自适应计算加速平台)

5G 要求使用波束成型技术。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需求和算法实现方案也会带来广泛的处理性能与计算精度。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，从而完成波束成型算法需要的实时、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）。

5G 无线电的突破性集成

赛灵思 RFSoC DFE 器件提供了硬化 IP 的突破性集成，旨在解决 5G NR 多频段宏、大规模 MIMO 和毫米波无线电的第二波大规模部署。RFSoC DFE 是业界首款自适应无线电平台，支持 8T8R 的 400MHz 瞬时带宽 (iBW)、高达 7.125GHz 的直接射频采样 (FR1)、每天线最多 8 载波的多频段载波聚合以及最高 1600MHz 的 iBW 毫米波 IF 收发器 (FR2)。它是一个集成直接射频采样 DAC/ADC 和数字预失真硬化 IP 的单芯片 8T8R FDD/TDD 400MHz 器件，支持传统带宽和超宽带宽 (400MHz) 氮化镓功率放大器、400MHz CFR、多载波多频段 DUC/DDC 和分数重采样滤波器与均衡器，能够实现单位功耗性能加倍，功耗减半。

赛灵思 Zynq RFSoC DFE 平台

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。网络将需要通过回程和光通信前传安全地连接以开展处理。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。