借助全可编程技术兑现 5G 的承诺

作者：Harpinder Matharu 和 Paul Newson 

第 5 代无线接入网络有望满足 2020 年及以后新型用例及应用的系统和服务要求。连通各行各业并支持新服务是 5G 技术最重要的方面，以便为满足 2020 年信息社会的要求做好准备。第 4 代或 4G LTE 主要在于连接人和地，是以通信和信息共享为核心主题。5G 通过为 4G 的通信和信息共享主题增加可靠、弹性的控制与监控功能，从而将连接范围扩展到机器设备。这种转变对系统要求和设计原理产生了深远影响。5G 愿景可以说包罗万象，涉及人们生活的方方面面，会影响人们如何生产产品，如何管理生产过程中的能源与环境，如何运输、存储和消费物品，影响人们如何生活、工作、通勤、娱乐和甚至放松等等。

因此，需要使用虚拟化和软件定义网络来挑战 5G 系统/网络性能极限，以确保实现更高的网络容量、更高的用户吞吐量、更高的频谱、更高的带宽、更低的时延、更低的功耗、更高的可靠性和更高的连接密度。5G 架构包含模块化网络功能。这些功能可按需部署和扩展，从而能够以低成本方式满足广泛的应用案例需求。

4G LTE 技术很成功，非常适合 6GHz 以下频谱。5G 则增加了 6GHz 以上频谱，为无线电接入网络开启了大段未使用频谱。它还支持大于 20MHz 的载波，降低控制开销，提高 RAN 灵活性以满足多种用例需求。支持大于 6GHz 的频谱是 5G 技术最具前景的属性之一，或许也是难度最大的特性。6GHz 以上通道模型由 3GPP 于 2016 年 6 月发布,其精度对正确设计基站和用户设备（UE）设计起关键作用。现实情况是，还需做更多工作和现场测试以提高这些模型的精度。这期间，系统设计需要具有灵活性和内在的可编程性，以根据在现场经验调整和改进底层算法。

将端到端时延减小到 1ms 以内是 5G 的另一个重要目标，旨在满足任务关键型应用的超高可靠低时延用例，以及扩展的移动宽带用例（诸如承诺为服务提供商带来更高收入的游戏）的要求。5G 正在改进帧结构以实现上述这一目标。图 1 给出一种准 5G 标准帧结构方案。该方案具有 100-200 微秒级的很短的传输时间间隔(TTI)，比 4G LTE 的 TTI（1ms）缩短 10 倍，具备快速的 Hybrid ARQ（自动重发请求）确认，可缩短系统时延。利用前载解调制参考和控制信号，可在接收帧的期间执行帧处理，而不是等缓冲整个子帧之后再处理。帧结构还用来简化和加速每子帧的快速调度请求。因此，5G 基带所需的计算与 4G LTE 系统相比会显著增加。

5G 有望支持灵活的帧结构，以适应不同用例和应用要求，例如数据包长度和端到端时延。有两种子帧扩展方法正在考虑中，它们具有灵活的每子帧符号数量和可变的子帧长度。也可将两种方法混合使用。两种方法都支持多种传输类型（下行链路、上行链路和混合方式）。子帧持续时间和采样率与基线 5G 数字论定义的一样。灵活帧结构对物理 (PHY) 层实现有影响。逐符号看，FFT 长度和循环前缀可能不同。符号数量、每物理资源块的 OFDM 子载波数量和 QAM 符号数量就每子帧而言可能会不同，具有可变的保护时段位置和长度。这会显著增大 5G PHY 的实现复杂性。至少在最初几年，构建 5G 系统最为得当的方法应该是利用可编程 FPGA 和 SoC 随标准演进来扩展和升级系统，并根据现场的性能测量结果改进和调整实现方案。

 图 1：一种准标准的基线 5G 帧结构

MIMO 技术非常适合厘米波 (3-30 GHz) 和毫米波 (30-300GHz) 频率，这是价格便宜而且未充分利用的频谱资源，有大量可用的连续波段。频率越高，传输信号的传播损耗越大。不过，更高频率下能获得很窄的笔形波束，可实现更大天线增益，以补偿较高的传播损耗。此外，随着载波频率增加，天线单元的尺寸会减小。因此，可以在更小的区域装入更多天线单元。例如，包含 20 个单元的 2.6GHz 最先进天线大约是一米高。在 15GHz下，可以设计具有 200 个单元但只有 5cm 宽、20cm 高的天线。天线单元增多，意味着可以准确地将信号导向目标接收器。由于系统以很多这种波束形式将传输集中在特定方向上，因此覆盖率和容量会大幅提高。 

5G NR（新无线电）规范草案没有指明所支持的 MIMO 层数量，不过很可能高达 32 至 64 层。5G 系统将支持在每个 TTI 期间对用户资源分配进行快速重新配置，以实现更高频谱利用率。当支持多个 MIMO 层时，这会进一步加大系统复杂性。图 2 给出了 5G MIMO 系统中用户资源分配实例。时分双工 (TDD) 有助于缓解 5G Massive MIMO 的实现，其中信道状态信息利用信道互易性来确定。该方案未考虑用户端设备或终端中的非线性。需要指明的重要一点是，在 5G 基站实现方案中，终端需要记录多个波束并定期请求基站进行资源分配，以便为上行数据传输分配最佳波束。当 UE 终端切换波束时，需要重新计算信道状态信息。为了实现如此复杂的系统，务必要引入足够的灵活性和可编程性，以便调整实现方案，针对不同终端实现所需的性能。

图 2：基线 5G 系统中的 MIMO

对于 6GHz 以下的部署，5G 系统通常多达 64 个天线单元。6GHz 以上可有更多的天线单元数量。数字波束形成一般用在 6GHz 频率以下的情况（在基带中实现）；而结合了数字和模拟波束形成技术的混合方案则用于 6GHz 以上频率。包含 64 个天线单元的 Massive MIMO 系统配置会显著增加复杂性和成本，因为要支持 L1 基带中数字波束形成所需的大量有源无线电信号链和预编码计算。基带处理信号链与远端射频单元之间的连接要求急剧增加。为了比较经济地实现这些系统，有必要在无线电中集成 L1 基带信号处理或其中的一部分。未来的这种功能划分可能导致网络节点中 L1-L2 与无线电功能处在相同位置。图 3 介绍了 64 个天线单元的 Massive MIMO 在不同系统功能边界上的连接要求，凸显了 L1 与无线电共址的必要性。

图 3：Massive MIMO 系统中的连接挑战

5G 的范围相当广泛，而且整个业界又非常活跃，提交了数百提案，因此使得商议时间大大延长。对所提议的算法和网络配置进行仿真，这样虽说不错，但还不够。概念验证演示、现场试验和测试台对于这些提案的评估都非常关键。这使得一般的机构很难审核所有提议。此外，来自市场的压力也非常巨大，要求更早地发布 5G 规范。有些运营商对于海量机器类通信(mMTC)和超高可靠低时延用例(URLLC)标准化的推出计划延期感到不悦——预期在 2019 年末推出。3GPP 已针对数据选择 LDPC，针对 eMBB 用例选择极化码。对于 mMTC 和 URLLC 用例，LDPC、极化码和涡轮码都在考虑之中，不过行业还要等待更长时间才能为这些用例做出结论。很多情况下，用户终端以及 5G 基站有可能支持多种 5G 用例，这使得设计基带编解码器的难度加大、成本更高。

更复杂的是，运营商没有明确 5G 用例如何进行商业化部署以及哪种会在市场部署方面走在最前面。固定无线接入（替换最后一英里光纤）和智能城市是两个业界领先的用例。采用URLLC的垂直产业整合以及自动化运输等还需要更长时间才能从实验室和有限现场试验中走出来，实现更广泛的市场应用。出于这些原因，5G 系统预计要具有足够的灵活性和可编程性以精调系统功能和性能，从而在这些用例被采用后实现演进并适应市场现实。

赛灵思 All Programmable FPGA 和 SoC 在实现 5G 概念验证、测试台验证以及 eMBB、URLLC 和 mMTC 用例的早期商业化试验中起到关键作用。商用芯片尚未推出，ASIC 也无法在 5G 标准化阶段早期实行。就基于赛灵思 All Programmable FPGA 和 SoC 的平台而言，其关键价值在于系统可以动态调整以支持任意功能和增强型算法实现方案。厂商利用这些平台运行现场试验，以测量实际部署环境中的性能，从而优化系统实现方案。第一波商用 5G 系统可能就要依赖这些最优化系统。

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