借助全可編程技術(shù)兌現 5G 的承諾

第 5 代無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )有望滿(mǎn)足 2020 年及以后新型用例及應用的系統和服務(wù)要求。連通各行各業(yè)并支持新服務(wù)是 5G 技術(shù)最重要的方面，以便為滿(mǎn)足 2020 年信息社會(huì )的要求做好準備。第 4 代或 4G LTE 主要在于連接人和地，是以通信和信息共享為核心主題。5G 通過(guò)為 4G 的通信和信息共享主題增加可靠、彈性的控制與監控功能，從而將連接范圍擴展到機器設備。這種轉變對系統要求和設計原理產(chǎn)生了深遠影響。5G 愿景可以說(shuō)包羅萬(wàn)象，涉及人們生活的方方面面，會(huì )影響人們如何生產(chǎn)產(chǎn)品，如何管理生產(chǎn)過(guò)程中的能源與環(huán)境，如何運輸、存儲和消費物品，影響人們如何生活、工作、通勤、娛樂(lè )和甚至放松等等。

因此，需要使用虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò )來(lái)挑戰 5G 系統/網(wǎng)絡(luò )性能極限，以確保實(shí)現更高的網(wǎng)絡(luò )容量、更高的用戶(hù)吞吐量、更高的頻譜、更高的帶寬、更低的時(shí)延、更低的功耗、更高的可靠性和更高的連接密度。5G 架構包含模塊化網(wǎng)絡(luò )功能。這些功能可按需部署和擴展，從而能夠以低成本方式滿(mǎn)足廣泛的應用案例需求。

4G LTE 技術(shù)很成功，非常適合 6GHz 以下頻譜。5G 則增加了 6GHz 以上頻譜，為無(wú)線(xiàn)電接入網(wǎng)絡(luò )開(kāi)啟了大段未使用頻譜。它還支持大于 20MHz 的載波，降低控制開(kāi)銷(xiāo)，提高 RAN 靈活性以滿(mǎn)足多種用例需求。支持大于 6GHz 的頻譜是 5G 技術(shù)最具前景的屬性之一，或許也是難度最大的特性。6GHz 以上通道模型由 3GPP 于 2016 年 6 月發(fā)布,其精度對正確設計基站和用戶(hù)設備(UE)設計起關(guān)鍵作用?，F實(shí)情況是，還需做更多工作和現場(chǎng)測試以提高這些模型的精度。這期間，系統設計需要具有靈活性和內在的可編程性，以根據在現場(chǎng)經(jīng)驗調整和改進(jìn)底層算法。

將端到端時(shí)延減小到 1ms 以?xún)仁?5G 的另一個(gè)重要目標，旨在滿(mǎn)足任務(wù)關(guān)鍵型應用的超高可靠低時(shí)延用例，以及擴展的移動(dòng)寬帶用例(諸如承諾為服務(wù)提供商帶來(lái)更高收入的游戲)的要求。5G 正在改進(jìn)幀結構以實(shí)現上述這一目標。圖 1 給出一種準 5G 標準幀結構方案。該方案具有 100-200 微秒級的很短的傳輸時(shí)間間隔(TTI)，比 4G LTE 的 TTI(1ms)縮短 10 倍，具備快速的 Hybrid ARQ(自動(dòng)重發(fā)請求)確認，可縮短系統時(shí)延。利用前載解調制參考和控制信號，可在接收幀的期間執行幀處理，而不是等緩沖整個(gè)子幀之后再處理。幀結構還用來(lái)簡(jiǎn)化和加速每子幀的快速調度請求。因此，5G 基帶所需的計算與 4G LTE 系統相比會(huì )顯著(zhù)增加。

5G 有望支持靈活的幀結構，以適應不同用例和應用要求，例如數據包長(cháng)度和端到端時(shí)延。有兩種子幀擴展方法正在考慮中，它們具有靈活的每子幀符號數量和可變的子幀長(cháng)度。也可將兩種方法混合使用。兩種方法都支持多種傳輸類(lèi)型(下行鏈路、上行鏈路和混合方式)。子幀持續時(shí)間和采樣率與基線(xiàn) 5G 數字論定義的一樣。靈活幀結構對物理 (PHY) 層實(shí)現有影響。逐符號看，FFT 長(cháng)度和循環(huán)前綴可能不同。符號數量、每物理資源塊的 OFDM 子載波數量和 QAM 符號數量就每子幀而言可能會(huì )不同，具有可變的保護時(shí)段位置和長(cháng)度。這會(huì )顯著(zhù)增大 5G PHY 的實(shí)現復雜性。至少在最初幾年，構建 5G 系統最為得當的方法應該是利用可編程 FPGA 和 SoC 隨標準演進(jìn)來(lái)擴展和升級系統，并根據現場(chǎng)的性能測量結果改進(jìn)和調整實(shí)現方案。

圖 1：一種準標準的基線(xiàn) 5G 幀結構

MIMO 技術(shù)非常適合厘米波 (3-30 GHz) 和毫米波 (30-300GHz) 頻率，這是價(jià)格便宜而且未充分利用的頻譜資源，有大量可用的連續波段。頻率越高，傳輸信號的傳播損耗越大。不過(guò)，更高頻率下能獲得很窄的筆形波束，可實(shí)現更大天線(xiàn)增益，以補償較高的傳播損耗。此外，隨著(zhù)載波頻率增加，天線(xiàn)單元的尺寸會(huì )減小。因此，可以在更小的區域裝入更多天線(xiàn)單元。例如，包含 20 個(gè)單元的 2.6GHz 最先進(jìn)天線(xiàn)大約是一米高。在 15GHz下，可以設計具有 200 個(gè)單元但只有 5cm 寬、20cm 高的天線(xiàn)。天線(xiàn)單元增多，意味著(zhù)可以準確地將信號導向目標接收器。由于系統以很多這種波束形式將傳輸集中在特定方向上，因此覆蓋率和容量會(huì )大幅提高。

5G NR(新無(wú)線(xiàn)電)規范草案沒(méi)有指明所支持的 MIMO 層數量，不過(guò)很可能高達 32 至 64 層。5G 系統將支持在每個(gè) TTI 期間對用戶(hù)資源分配進(jìn)行快速重新配置，以實(shí)現更高頻譜利用率。當支持多個(gè) MIMO 層時(shí)，這會(huì )進(jìn)一步加大系統復雜性。圖 2 給出了 5G MIMO 系統中用戶(hù)資源分配實(shí)例。時(shí)分雙工 (TDD) 有助于緩解 5G Massive MIMO 的實(shí)現，其中信道狀態(tài)信息利用信道互易性來(lái)確定。該方案未考慮用戶(hù)端設備或終端中的非線(xiàn)性。需要指明的重要一點(diǎn)是，在 5G 基站實(shí)現方案中，終端需要記錄多個(gè)波束并定期請求基站進(jìn)行資源分配，以便為上行數據傳輸分配最佳波束。當 UE 終端切換波束時(shí)，需要重新計算信道狀態(tài)信息。為了實(shí)現如此復雜的系統，務(wù)必要引入足夠的靈活性和可編程性，以便調整實(shí)現方案，針對不同終端實(shí)現所需的性能。

圖 2：基線(xiàn) 5G 系統中的 MIMO

對于 6GHz 以下的部署，5G 系統通常多達 64 個(gè)天線(xiàn)單元。6GHz 以上可有更多的天線(xiàn)單元數量。數字波束形成一般用在 6GHz 頻率以下的情況(在基帶中實(shí)現);而結合了數字和模擬波束形成技術(shù)的混合方案則用于 6GHz 以上頻率。包含 64 個(gè)天線(xiàn)單元的 Massive MIMO 系統配置會(huì )顯著(zhù)增加復雜性和成本，因為要支持 L1 基帶中數字波束形成所需的大量有源無(wú)線(xiàn)電信號鏈和預編碼計算?；鶐幚硇盘栨溑c遠端射頻單元之間的連接要求急劇增加。為了比較經(jīng)濟地實(shí)現這些系統，有必要在無(wú)線(xiàn)電中集成 L1 基帶信號處理或其中的一部分。未來(lái)的這種功能劃分可能導致網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中 L1-L2 與無(wú)線(xiàn)電功能處在相同位置。圖 3 介紹了 64 個(gè)天線(xiàn)單元的 Massive MIMO 在不同系統功能邊界上的連接要求，凸顯了 L1 與無(wú)線(xiàn)電共址的必要性。

圖 3：Massive MIMO 系統中的連接挑戰

5G 的范圍相當廣泛，而且整個(gè)業(yè)界又非?；钴S，提交了數百提案，因此使得商議時(shí)間大大延長(cháng)。對所提議的算法和網(wǎng)絡(luò )配置進(jìn)行仿真，這樣雖說(shuō)不錯，但還不夠。概念驗證演示、現場(chǎng)試驗和測試臺對于這些提案的評估都非常關(guān)鍵。這使得一般的機構很難審核所有提議。此外，來(lái)自市場(chǎng)的壓力也非常巨大，要求更早地發(fā)布 5G 規范。有些運營(yíng)商對于海量機器類(lèi)通信(mMTC)和超高可靠低時(shí)延用例(URLLC)標準化的推出計劃延期感到不悅——預期在 2019 年末推出。3GPP 已針對數據選擇 LDPC，針對 eMBB 用例選擇極化碼。對于 mMTC 和 URLLC 用例，LDPC、極化碼和渦輪碼都在考慮之中，不過(guò)行業(yè)還要等待更長(cháng)時(shí)間才能為這些用例做出結論。很多情況下，用戶(hù)終端以及 5G 基站有可能支持多種 5G 用例，這使得設計基帶編解碼器的難度加大、成本更高。

更復雜的是，運營(yíng)商沒(méi)有明確 5G 用例如何進(jìn)行商業(yè)化部署以及哪種會(huì )在市場(chǎng)部署方面走在最前面。固定無(wú)線(xiàn)接入(替換最后一英里光纖)和智能城市是兩個(gè)業(yè)界領(lǐng)先的用例。采用URLLC的垂直產(chǎn)業(yè)整合以及自動(dòng)化運輸等還需要更長(cháng)時(shí)間才能從實(shí)驗室和有限現場(chǎng)試驗中走出來(lái)，實(shí)現更廣泛的市場(chǎng)應用。出于這些原因，5G 系統預計要具有足夠的靈活性和可編程性以精調系統功能和性能，從而在這些用例被采用后實(shí)現演進(jìn)并適應市場(chǎng)現實(shí)。

賽靈思 All Programmable FPGA 和 SoC 在實(shí)現 5G 概念驗證、測試臺驗證以及 eMBB、URLLC 和 mMTC 用例的早期商業(yè)化試驗中起到關(guān)鍵作用。商用芯片尚未推出，ASIC 也無(wú)法在 5G 標準化階段早期實(shí)行。就基于賽靈思 All Programmable FPGA 和 SoC 的平臺而言，其關(guān)鍵價(jià)值在于系統可以動(dòng)態(tài)調整以支持任意功能和增強型算法實(shí)現方案。廠(chǎng)商利用這些平臺運行現場(chǎng)試驗，以測量實(shí)際部署環(huán)境中的性能，從而優(yōu)化系統實(shí)現方案。第一波商用 5G 系統可能就要依賴(lài)這些最優(yōu)化系統。賽靈思 UltraScale™ 和 UltraScale+™ All Programmable FPGA 和 SoC 專(zhuān)門(mén)為滿(mǎn)足 5G 市場(chǎng)要求而設計。