將終端用戶設(shè)備連接到中央電信網(wǎng)絡(luò)和云的無線接入網(wǎng)(RAN)和相關(guān)的核心網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，對(duì)于構(gòu)建無處不在的蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接至關(guān)重要，它將擴(kuò)大該技術(shù)所支持的應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)量和廣度。在制定開發(fā)和實(shí)施5G RAN和核心設(shè)備戰(zhàn)略時(shí)，要對(duì)5G的要求有一個(gè)深層次的理解，并了解該技術(shù)將在何處、如何以及何時(shí)發(fā)展，有助于管理預(yù)期。
本文概述了5G標(biāo)準(zhǔn)和推廣的現(xiàn)狀，總結(jié)了5G RAN需要支持的全新的應(yīng)用場(chǎng)景，并研究了標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)以支持更高的帶寬和更多的應(yīng)用場(chǎng)景。最后，本文還解釋了開發(fā)人員如何利用Achronix現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)技術(shù)來應(yīng)對(duì)他們面臨的基本挑戰(zhàn)——通過一種節(jié)省成本、功耗和面積的方式，將部分處理工作負(fù)載從CPU卸載到基于FPGA的加速器上，從而支持5G RAN架構(gòu)的優(yōu)化。
5G部署和宏觀趨勢(shì)
顯然，現(xiàn)在5G不僅僅是用于手機(jī)連接的下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。5G和蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)的發(fā)展可賦能多個(gè)全新的應(yīng)用場(chǎng)景，并為那些以前沒有將蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接作為其產(chǎn)品組合一部分的公司開辟了新的商業(yè)機(jī)會(huì)。5G不再只是提供電信連接，而是成為了賦能其他各種應(yīng)用場(chǎng)景的連接，諸如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、汽車、智慧城市和其他應(yīng)用。5G旨在支撐家庭、城市和工廠中的數(shù)十億個(gè)新器件(如攝像頭和其他各種傳感器)的連接，為醫(yī)生和患者提供遠(yuǎn)程醫(yī)療支持，支持與IT技術(shù)的融合，并全面取代有線連接。
從根本上說，5G是一種比前幾代技術(shù)更具頻譜效率的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，具有顯著增加的空中接口容量，結(jié)合波束形成/定向技術(shù)，以及聚合4G和5G信道的能力，所有這些都得到了很好的利用。
5G基礎(chǔ)設(shè)施部署開始增加，預(yù)計(jì)5G的采用速度比4G更快，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商(MNO)推出的5G網(wǎng)絡(luò)已覆蓋10億用戶，這比4G達(dá)到類似水平提前了兩年。
下表描述了引領(lǐng)未來技術(shù)發(fā)展和演進(jìn)的宏觀趨勢(shì)。
表1：影響5G演進(jìn)的宏觀趨勢(shì)
推動(dòng)5G轉(zhuǎn)型的構(gòu)建模塊
以前的RAN架構(gòu)(2G、3G和4G)是基于單塊構(gòu)建模塊，邏輯節(jié)點(diǎn)之間很少有交互發(fā)生。然而，從新無線電(NR)研究的最初階段開始，人們認(rèn)為將gNodeB基站(gNB，即NR邏輯節(jié)點(diǎn))在集中式單元(CU)、分布式單元(DU)和無線電單元(RU)之間拆分，將帶來更多的靈活性。靈活的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)可支持更具可擴(kuò)展性和成本效益的網(wǎng)絡(luò)部署——但前提是硬件和軟件組件是可互操作的，并且可以與來自不同供應(yīng)商的組件進(jìn)行組合和匹配。
這種拆分化split架構(gòu)(在集中式單元和分布式單元之間)支持對(duì)性能特征、負(fù)載管理、實(shí)時(shí)性能優(yōu)化進(jìn)行協(xié)調(diào)，并能夠適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)景。這種拆分架構(gòu)還提供了各種應(yīng)用(如游戲、語音和視頻)所需的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，這些應(yīng)用對(duì)傳輸有不同的延遲容忍度和依賴性，再加上諸如農(nóng)村和城市等不同的部署場(chǎng)景也有不同的傳輸方式，例如光纖與無線。下圖介紹了5G部署所需的主要構(gòu)建模塊。
圖1：推動(dòng)5G轉(zhuǎn)型的構(gòu)建模塊
5G不再只是一種RAN，而是需要包含從客戶端到數(shù)據(jù)中心整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的技術(shù)。從歷史上看，智能位于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的任一端，包括客戶端、基站和核心網(wǎng)絡(luò)。隨著我們向萬億臺(tái)互聯(lián)設(shè)備邁進(jìn)，MNO無法再增加越來越多的容量，以便將數(shù)據(jù)從無線電傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行應(yīng)用處理，然后再返回到客戶端設(shè)備。例如，聯(lián)網(wǎng)的圖像傳感器數(shù)量從今天的4億只增加到10億只，那么網(wǎng)絡(luò)流量將從今天的大約150 EB增加到400 EB。
解決此資本支出問題的一種方法是在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中更均勻地分配智能。這種變化需要分配更多的計(jì)算能力，以便能夠做出更快、更有效的決策。例如，上圖中標(biāo)記為“多項(xiàng)接入邊緣計(jì)算處理(Multi Access Edge Compute Processing)”的方框表示支持這種智能分配的附加類型。
上圖中圈出的美元值顯示了過去四年內(nèi)在RAN和網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中設(shè)備支出的估計(jì)費(fèi)用。無線通信網(wǎng)絡(luò)本身的花費(fèi)非常巨大，為研發(fā)支出的費(fèi)用就高達(dá)1200億美元。
上圖表示了構(gòu)成5G無線電網(wǎng)絡(luò)的不同單元。為了支持從增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)和大規(guī)模機(jī)器類通信(mMTC)，到超高可靠、低延遲通信(URLLC)等一系列不同的5G應(yīng)用場(chǎng)景，需要靈活地確定這些單元在網(wǎng)絡(luò)中的物理位置。例如，該圖表示分布式單元(DU)如何作為靠近無線電單元(RU)的獨(dú)立單元，以支持5G的低延遲、更加實(shí)時(shí)性的需求，而對(duì)于eMBB等非延遲密集型應(yīng)用，DU可以與CU在類似vRAN的部署中位于同一位置。
這種對(duì)靈活性的需求促使那些用于這些設(shè)計(jì)的構(gòu)建模塊也要具有同樣的靈活性，并支持這些設(shè)計(jì)以多種方式對(duì)共同的單元進(jìn)行劃分。SoC設(shè)計(jì)的多樣性以及如何實(shí)現(xiàn)加速器功能是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的重要因素。
5G RAN需要支持哪些應(yīng)用場(chǎng)景?
作為定義5G的第一步，國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化局(ITU-T)確定了消費(fèi)者、企業(yè)和行業(yè)現(xiàn)在和將來使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的方式，然后3GPP開始實(shí)施所需標(biāo)準(zhǔn)的制定。作為3GPP所推動(dòng)的新服務(wù)和市場(chǎng)技術(shù)推動(dòng)者研究項(xiàng)目SMARTER項(xiàng)目的一部分，其團(tuán)隊(duì)確定了蜂窩網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前和未來的先進(jìn)應(yīng)用場(chǎng)景以及所需的特性和功能。
除了一個(gè)名為固定寬帶的類別外，該機(jī)構(gòu)還定義了三類移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景：mMTC、eMBB和URLLC。雖然這些類別的名稱并不是特別吸引人，但它們已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語：
● mMTC——大規(guī)模機(jī)器類通信引入了對(duì)大規(guī)模的機(jī)器對(duì)機(jī)器交互的支持，包括電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備?？偟膩碚f，這些設(shè)備需要相對(duì)較低的延遲、高度可靠的連接和高能源效率。其所面臨的挑戰(zhàn)是為數(shù)十億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可擴(kuò)展性和一致的連接性，這些設(shè)備的通信頻率相對(duì)較低、通信時(shí)間較短。廣泛的覆蓋范圍和深入的室內(nèi)穿透性是很重要的，同樣低成本也是非常重要的。
● eMBB——如果mMTC主要是解決機(jī)器如何使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，那么eMBB就主要解決人類如何使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)。此類應(yīng)用場(chǎng)景包括8K視頻流、沉浸式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)、互聯(lián)交通信息娛樂和支持移動(dòng)寬帶連接的企業(yè)。該類別的關(guān)鍵要求是超高的頻譜效率、極高的數(shù)據(jù)速率和超低的中斷時(shí)間。
3GPP的R15版本中定義的5G NR滿足了所有這些要求。隨著支持5G NR的基礎(chǔ)設(shè)施開始擴(kuò)展，這些應(yīng)用場(chǎng)景變得更加廣泛。這一類別可以被認(rèn)為是發(fā)展和變革的結(jié)合，因?yàn)槭褂梅涓C網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的筆記本電腦并不完全是新事物，而沉浸式AR/VR和其他數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用在前幾代蜂窩網(wǎng)絡(luò)中并沒有真正實(shí)現(xiàn)。
● URLLC – 作為一種服務(wù)，為超高可靠性、低延遲通信提供支持，是5G真正革命性的一個(gè)方面，因?yàn)樗峁┝嗽趯?shí)際應(yīng)用中尚未出現(xiàn)的性能等級(jí)。增加對(duì)URLLC的支持可實(shí)現(xiàn)智能交通等應(yīng)用，包括能夠在復(fù)雜的路況下導(dǎo)航并通過相互協(xié)作避免碰撞的車輛，以及與第四次工業(yè)革命相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景，包括時(shí)間關(guān)鍵型的工廠自動(dòng)化等。它還包括遠(yuǎn)程醫(yī)療，其中包括測(cè)量生命體征并根據(jù)需要自動(dòng)或半自動(dòng)響應(yīng)的設(shè)備，以及遠(yuǎn)程治療，包括在救護(hù)車上、在災(zāi)難情況下或在偏遠(yuǎn)地區(qū)，根據(jù)遠(yuǎn)程醫(yī)生的實(shí)時(shí)指導(dǎo)進(jìn)行的手術(shù)。
在所有這些情況下，連接都需要非常穩(wěn)定，并且需要以毫秒級(jí)或更低的端到端延遲速率運(yùn)行。3GPP規(guī)范的R16和R17版本中定義了支持URLLC所需的主要功能。換句話說，URLLC代表著5G的未來，即使這個(gè)未來只有幾年的時(shí)間。
每個(gè)3GPP規(guī)范版本中都增加了各種功能，旨在解決這三個(gè)類別在不同方面的問題。在早期的規(guī)范版本中，已經(jīng)解決了今天已經(jīng)活躍或即將到來的特定應(yīng)用場(chǎng)景，而未來的應(yīng)用場(chǎng)景將在以后的版本中得到解決——所有這些都是5G持續(xù)發(fā)展的一部分。
圖2：5G應(yīng)用場(chǎng)景分類
滿足3GPP的R17和R18版本要求的演進(jìn)
5G的演進(jìn)發(fā)展帶來了一系列新的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)得到了參與ETSI 3GPP組織的多家公司的認(rèn)同。但5G標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)可能帶來哪些技術(shù)要求呢?
下圖顯示了3GPP新標(biāo)準(zhǔn)制定過程的當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)今5G網(wǎng)絡(luò)中部署的設(shè)備主要由3GPP規(guī)范R15版本和R16版本中規(guī)定的技術(shù)組成。更先進(jìn)的應(yīng)用場(chǎng)景和由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)需求將由3GPP規(guī)范的未來版本(R17和R18版本)來滿足。
今天，3GPP已經(jīng)通過了R17版本(Rel-17)工作的中點(diǎn)，并計(jì)劃在2022年中期發(fā)布。與此同時(shí)，圍繞R18版本(Rel-18)目標(biāo)范圍的討論正在順利進(jìn)行。3GPP將Rel-18及其后續(xù)版本稱為5G Advanced，以確認(rèn)該技術(shù)的發(fā)展。
Rel-17的功能旨在提高現(xiàn)有和新應(yīng)用場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)性能。這些新功能在下圖中被分為三類：
空中接口和管理功能：
● 上下拆分L1處理和卸載 – 用于上行和下行信道的L1內(nèi)核加速
● 復(fù)雜的L1 MAC調(diào)度加速
● 頻譜效率、波束管理和動(dòng)態(tài)頻譜共享
● 靈活的DFE處理/卸載
連接性和安全性：
● eCPRI卸載和處理(Split 7.x DU/RU靈活性)
● 回傳和安全卸載
● 網(wǎng)絡(luò)處理和平衡，包括緩沖區(qū)和隊(duì)列管理
計(jì)算和應(yīng)用加速：
● C和U平面管理：在用戶路徑選擇策略中的應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)/人工智能(ML/AI)
● 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析
● 將邊緣計(jì)算托管放在更接近于無線電單元的地方
● 帶機(jī)器學(xué)習(xí)的無線電和基于應(yīng)用的處理
本文將在后面的章節(jié)中將對(duì)這些類別和特征進(jìn)行更詳細(xì)的討論。
圖3：3GPP規(guī)范新版本時(shí)間表
Rel-18或5G Advanced(5G-A)在Rel-17基礎(chǔ)上更上一層樓，通過在無線電和網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中集成機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來提供更智能的網(wǎng)絡(luò)解決方案，以支持新的更多的應(yīng)用場(chǎng)景，并提高網(wǎng)絡(luò)效率。具體到無線電方面的變化，Rel-18(先進(jìn)天線系統(tǒng))是支持提高頻譜效率的主要工具，進(jìn)一步增強(qiáng)了波束形成和大規(guī)模多輸入/多輸出(MIMO)，特別是在中頻段和低于6 GHz的頻譜中。
就5G-A的新應(yīng)用場(chǎng)景而言，除了汽車和工業(yè)領(lǐng)域，還有國家安全和公共安全應(yīng)用。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，這些新功能可用于支持無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制和惡意無人機(jī)檢測(cè)等。
5G網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)和無線電——下一代網(wǎng)絡(luò)推動(dòng)了對(duì)多樣化解決方案的需求
有許多驅(qū)動(dòng)因素影響著對(duì)平臺(tái)多樣性的需求。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商一直希望將他們的網(wǎng)絡(luò)建立在基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的技術(shù)上，并在商用現(xiàn)成(COTS)服務(wù)器上運(yùn)行。然而，Achronix認(rèn)為單一的同質(zhì)化設(shè)計(jì)無法滿足5G發(fā)展的所有要求。不同的工作負(fù)載給網(wǎng)絡(luò)帶來了不同的壓力，從而推動(dòng)對(duì)不同解決方案的出現(xiàn)，以來滿足這些需求。
新的架構(gòu)將能夠靈活地在集中式單元和分布式單元之間拆分和移動(dòng)5G NR功能，這種架構(gòu)帶來的好處包括：
● 更靈活的硬件實(shí)現(xiàn)方式，支持更具可擴(kuò)展性、更具成本效益的解決方案。
● 能協(xié)調(diào)性能特征、負(fù)載管理、實(shí)時(shí)性能優(yōu)化等功能，并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景啟用NFV/SDN技術(shù)。
● 不同的部署場(chǎng)景可賦能eMBB、uRLLC和mMTC等不同的應(yīng)用場(chǎng)景。反過來，這些不同的部署場(chǎng)景通過適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)/架構(gòu)(例如ORAN)的變化，以及通過網(wǎng)絡(luò)切分等新功能動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源，進(jìn)而支持無線電技術(shù)的發(fā)展。
新的網(wǎng)絡(luò)/功能切分可能會(huì)影響對(duì)不同設(shè)備和系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)選擇的需求。
圖4：應(yīng)用場(chǎng)景、切分和多樣性
上圖顯示了3GPP標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的不同選項(xiàng)切分，以支持新興的應(yīng)用場(chǎng)景和相應(yīng)的不同流量類型。該圖顯示了L1、L2和L3的不同split，以及在CU、DU和RU上相應(yīng)地運(yùn)行的不同功能。其中兩個(gè)最受歡迎的選項(xiàng)是：
● L2 Option 6 split，這時(shí)上層功能被集中在網(wǎng)絡(luò)中，但與無線電相關(guān)的特定流量調(diào)度和無線電鏈路控制被推向更靠近射頻網(wǎng)絡(luò)的位置。
● L1 Option 7.x split，此時(shí)上層的L1處理被集中于L2和L3功能，只有下層L1 Phy功能被填充到RU中。
下圖以圖形方式展示了5G NR帶來的挑戰(zhàn)，即支持某些新天線配置所需的大量處理性能。圖中左側(cè)為具有2路發(fā)送和2路接收(2T2R)的低頻段(20 MHz)MIMO天線，右側(cè)為具有64路發(fā)送和64路接收(64T64R)的中頻段(100 MHz)天線。從低頻段到中頻段的演進(jìn)支持更高的頻譜通道，有可能實(shí)現(xiàn)頻譜共享、雙連接和4G載波聚合。這些中頻段要求還需要支持低于0.5 ms傳輸間隔，以及需要大量的波束形成和定向處理。
因此，如下圖所示，此時(shí)所需的計(jì)算能力，尤其是L1處理所需的計(jì)算能力，隨著這些更高的帶寬開始呈指數(shù)級(jí)增長。空中接口的第1層處理，以及管理中頻段頻譜波束形成和定向，需要比低頻段部署更高的處理要求。
圖5：5G低頻段和中頻段頻譜所需的處理負(fù)載(來源：愛立信博客)
為了滿足L1處理負(fù)載的要求，業(yè)界必須考慮引入不同的異構(gòu)解決方案，以高效地滿足處理需求(從性能和功耗的角度來看)。再加上新的網(wǎng)絡(luò)/功能split，這些新的解決方案可能會(huì)帶來多樣化的設(shè)備和SoC選項(xiàng)需求。因此，單一的同質(zhì)化解決方案無法滿足所有的RAN需求。
5G設(shè)備的分布化推動(dòng)了對(duì)靈活性和加速功能的需求
在Rel-17和Rel-18中提出的新要求推動(dòng)了對(duì)更高靈活性，以及從單一CPU架構(gòu)子系統(tǒng)中加速卸載負(fù)載的需求。下圖顯示了5G網(wǎng)絡(luò)中的主要單元：RU、DU和CU。對(duì)于這些單元中的每一個(gè)，都需要考慮如何利用由CPU、DSP和加速器(例如GPU、FPGA和eFPGA)構(gòu)成的異構(gòu)架構(gòu)，來滿足這些新設(shè)計(jì)的延遲、功耗、面積和成本目標(biāo)。
網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商一直希望盡可能多地使用云原生、基于軟件的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)所有的RAN功能(基于RAN的集中式部署)，并假設(shè)在基于x86或Arm?的CPU平臺(tái)上運(yùn)行的解決方案能夠最大限度地提高靈活性。研究表明，對(duì)于低頻段部署(大約600-700 MHz，服務(wù)帶寬為50-25 Mbps)，基帶和控制可以在CPU平臺(tái)上以最小量的加速卸載來提供服務(wù)。其結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了集中的DU和CU功能，使用光纖連接到RU，在無線電中只有最少的處理功能。
在各種部署中，都可以利用一個(gè)COTS服務(wù)器來處理一個(gè)具有單個(gè)CPU內(nèi)核的低頻段單元的所有事務(wù)。對(duì)于這些類型的部署，將軟件中的所有內(nèi)容作為虛擬化或容器化工作負(fù)載運(yùn)行，其性能、成本和功耗需求都是可行的。在這種情況下，從圖中可以看出，DU中的L2+功能以及L1的大部分處理都可以與CU中的核心網(wǎng)絡(luò)功能一起位于小型服務(wù)器中。
然而，隨著各種部署轉(zhuǎn)向6 GHz以下的中頻段，如大約在3.5至3.6 GHz范圍內(nèi)，正如在前面的圖中所看到的，無線電處理(包括L1模塊中的基帶功能和L2模塊中的大部分功能)幾乎呈指數(shù)級(jí)增長。在這種情況下，下行和上行處理負(fù)載會(huì)增加20-40倍。在沒有加速功能的情況下，運(yùn)行一個(gè)帶有完整負(fù)載的中頻段單元將需要超過16個(gè)x86內(nèi)核。然而，這樣一個(gè)系統(tǒng)的成本和功耗在商業(yè)上是不可行的，因此需要將某些L1層和L2層功能卸載到專用硬件中，其重要性在未來日益凸顯——硬件加速器要么位于CU中，要么分布在遠(yuǎn)程DU和RU中更接近于無線電接口的位置。
圖6：5G設(shè)備的分散化推動(dòng)了對(duì)更高靈活性和加速功能的需求
除了CNF/VNF之外，這里列出的項(xiàng)目是從x86、Arm或R5 CPU子系統(tǒng)中卸載工作負(fù)載到硬件加速器的理想選擇。一些示例如下：
● 在盒子之間的接口上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)處理和分類管理，包括傳輸/后傳/安全接口、eCPRI前傳接口，或需要流量管理器、分類器等的地方
● L1處理和波束形成是必須使用加速的另一個(gè)領(lǐng)域，可利用DSP或eFPGA技術(shù)或兩者兼而有之來實(shí)現(xiàn)加速功能，這對(duì)實(shí)現(xiàn)吞吐量最大化和優(yōu)化功耗至關(guān)重要。
此外，在2025年前，幾乎所有RAN SoC的默認(rèn)要求都可能是機(jī)器學(xué)習(xí)加速——這一功能不僅可以應(yīng)用于在5G上運(yùn)行的應(yīng)用場(chǎng)景中的學(xué)習(xí)和推理功能，還可以應(yīng)用于RAN L1物理層的增強(qiáng)。研究表明，AI/ML可以顯著提高L1 PHY性能，其中第一個(gè)研究領(lǐng)域是AI/ML增強(qiáng)可以應(yīng)用于波束管理、信道估算和預(yù)測(cè)。
5G Advanced、eFPGA和FPGA加速
未來，F(xiàn)PGA和eFPGA技術(shù)可用于5G設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。正如前面所討論的，在可編程性和計(jì)算效率之間總是存在著利弊權(quán)衡。雖然CPU提供了終極的可編程性，但基于圖形處理器(GPU)、FPGA和專用集成電路(ASIC)的硬件解決方案總是提供更低功耗這一優(yōu)勢(shì)，但靈活性卻大大降低。
從歷史上看，F(xiàn)PGA已被廣泛用于前幾代的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中。在3G和4G設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的重要部分是圍繞獨(dú)立FPGA設(shè)計(jì)的。這些FPGA用于加速空中接口的某些功能，它們與基帶單元上用于空中接口處理的DSP緊密結(jié)合。FPGA還用于CPRI連接的傳輸和安全接口、機(jī)箱接口和回傳以及安全接口。
在ASIC中集成FPGA功能可使5G設(shè)計(jì)所面臨的一些挑戰(zhàn)得以解決。與獨(dú)立FPGA相比，在SoC中集成eFPGA功能可以提供一種更低成本的解決方案，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員能夠只選擇嵌入所需的資源，同時(shí)減少了電路板面積、增加了封裝和I/O。在與CPU和DSP資源緊密耦合的SoC上進(jìn)行集成，可提供更高的帶寬、更低的延遲和更低的功耗，同時(shí)還能隨著規(guī)格的變化對(duì)已部署的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)，從而提高靈活性。
圖7：5G Advanced：用于異構(gòu)計(jì)算加速的eFPGA IP和FPGA
在上圖中，紅色方框說明了如何使用Achronix eFPGA和FPGA技術(shù)將靈活性集成到全新的RU、DU和CU設(shè)計(jì)中，其實(shí)現(xiàn)方式既可以是一個(gè)獨(dú)立的器件、單片SoC，也可以在chiplet設(shè)計(jì)中作為其中一顆晶粒被封裝在多芯合封模塊中。
對(duì)于CU和核心RAN應(yīng)用，可以使用一個(gè)或多個(gè)FPGA來支持非常高的數(shù)據(jù)速率和計(jì)算密度，以幫助服務(wù)器卸載各種面向特定的網(wǎng)絡(luò)和無線電的工作負(fù)載。
Achronix正在與該領(lǐng)域內(nèi)的許多伙伴進(jìn)行合作，他們正在開發(fā)有針對(duì)性的解決方案。Napatech和Accolade等公司正在開發(fā)面向智能網(wǎng)卡(SmartNIC)的FPGA半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)。這些SmartNIC可用于多種不同的5G需求，包括用于基于vRAN部署的DU。由此產(chǎn)生的設(shè)計(jì)包括用于網(wǎng)絡(luò)、PDCP、安全(空中接口和回傳)、OVS和L1卸載的技術(shù)。未來，這些解決方案很可能還將用于多接入邊緣計(jì)算的機(jī)器學(xué)習(xí)推理，特別是無線電應(yīng)用。
上圖中的紅色單元代表了RU和DU中的eFPGA功能，以及如何將一個(gè)或多塊嵌入式FPGA(eFPGA)邏輯塊與CPU、DSP和存儲(chǔ)子系統(tǒng)一起集成到SoC設(shè)計(jì)中。
在SoC上集成eFPGA
eFPGA是集成到定制SoC或ASIC中的內(nèi)核。該IP可以通過購買授權(quán)獲得并使用，這類似于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中使用的其他IP。與獨(dú)立FPGA的設(shè)計(jì)過程不同，eFPGA設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)其客戶應(yīng)用的需要，選擇確切數(shù)量的邏輯、DSP和存儲(chǔ)資源。在進(jìn)入大批量生產(chǎn)時(shí)，eFPGA還可通過取代獨(dú)立的FPGA來降低系統(tǒng)成本、功耗和電路板面積。
Speedcore? eFPGA IP架構(gòu)包含了許多架構(gòu)性增強(qiáng)功能，可顯著提高性能、降低功耗并縮小芯片面積。在選擇Speedcore eFPGA時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以選擇架構(gòu)性單元的最佳組合，包括：
● 邏輯 – 6輸入查找表(LUT)及集成廣泛的MUX功能和快速加法器
● 邏輯RAM – 對(duì)于LRAM2k，每個(gè)存儲(chǔ)塊容量為2 kb;對(duì)于LRAM4k，每個(gè)存儲(chǔ)塊容量為4 kb
● 塊RAM – 對(duì)于BRAM72k，每個(gè)存儲(chǔ)塊容量為72 kb;對(duì)于BRAM20k，每個(gè)存儲(chǔ)塊容量為20 kb
● DSP64 – 每個(gè)單元塊上帶有18 × 27乘法器、64位累加器和27位預(yù)加器
● 機(jī)器學(xué)習(xí)處理器(MLP) – 每單元塊上有32個(gè)乘法器/累加器(MAC)，支持整數(shù)和浮點(diǎn)格式
在基于SoC的設(shè)計(jì)中集成eFPGA功能是一種理想的方式，可以提供一個(gè)靈活的、可擴(kuò)展的平臺(tái)，以最大限度地提高RAN設(shè)計(jì)性能，同時(shí)仍能滿足這些新設(shè)計(jì)嚴(yán)格的功耗目標(biāo)。集成eFPGA技術(shù)可以在提供獨(dú)立FPGA所具有的優(yōu)勢(shì)之外，還可以提供一些額外的優(yōu)勢(shì)：
● 與CPU或GPU方案相比，在相同的計(jì)算能力下，這些基于eFPGA的設(shè)計(jì)的功耗更低，并可靈活地增加和更改功能。
● eFPGA的可重新配置特性提供了靈活性，以滿足不斷演進(jìn)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，并可對(duì)已部署在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行更新
● 一個(gè)低延遲、高能效、高度靈活的eFPGA IP塊可以在多個(gè)SoC設(shè)計(jì)中重復(fù)使用
將FPGA功能與CPU、DSP和存儲(chǔ)子系統(tǒng)緊密耦合也帶來了優(yōu)勢(shì)。獨(dú)立的FPGA芯片是通過它自己及其他芯片上集成的高速SerDesS/PHY與它們相連，它們都需要消耗電能。將eFPGA集成到SoC中，就可以消除設(shè)計(jì)中兩側(cè)芯片對(duì)SerDes接口的需求，并且只需要部署您實(shí)際需求所需的功能，因而在芯片面積上也當(dāng)然有所節(jié)省。
設(shè)計(jì)人員可以選擇集成單個(gè)或多個(gè)eFPGA實(shí)例，它們可以被集成在一顆SoC中的任何地方，其大小可以從幾千個(gè)LUT擴(kuò)展到幾十萬個(gè)LUT。這些eFPGA實(shí)例可以與CPU子系統(tǒng)緊密耦合，以高效地利用共享緩存和存儲(chǔ)子系統(tǒng)來執(zhí)行高性能、低延遲的任務(wù)。例如，Arm提供的可CHI-E總線作為其架構(gòu)的一部分，支持一致的網(wǎng)狀互連，從而支持一些應(yīng)用程序?qū)PU上的高負(fù)載卸載到eFPGA單元塊中進(jìn)行專項(xiàng)處理。
圖8：使用eFPGA來滿足ASIC/SoC中的5G Advanced功能：RU、DU(和CU)實(shí)現(xiàn)
Speedcore eFPGA技術(shù)已經(jīng)過量產(chǎn)驗(yàn)證。我們的客戶已經(jīng)為這些類型的應(yīng)用提供了超過1000萬個(gè)搭載該IP的器件，它們已被用于各種功能，包括支持eCPRI連接、后傳和安全接口、用于數(shù)字預(yù)失真適應(yīng)的無線電數(shù)字前端(DFE)算法功能卸載、波束形成卸載以及帶有Split L1(I/FFT、RACH、LDPC等)的基帶重新分隔。
eFPGA作為5G NR功能的加速器
Achronix的目標(biāo)是使用Speedster?獨(dú)立FPGA芯片和Speedcore eFPGA IP技術(shù)來滿足5G-A和6G的需求。Achronix與合作伙伴一道致力于開發(fā)各種解決方案，以應(yīng)對(duì)影響5G發(fā)展所面臨的當(dāng)前和長期趨勢(shì)。Achronix的技術(shù)可以提供的一些優(yōu)勢(shì)包括：
● 用于加速各種5G工作負(fù)載的高性能架構(gòu)——Achronix為每種功耗/面積預(yù)算提供高性能的解決方案，并支持FPGA和eFPGA技術(shù)以卓越的能效加速工作負(fù)載。
● 多樣化的解決方案和生態(tài)系統(tǒng)——Achronix支持設(shè)計(jì)人員可以自由地緊密耦合定制加速器，并為基于eFPGA和FPGA的環(huán)境提供補(bǔ)充操作。Achronix生態(tài)系統(tǒng)包括了廣泛的合作伙伴，共同推動(dòng)包括eCPRI、無線電卸載和芯片到芯片(C2C)互連等5G功能創(chuàng)新。
● 可從云擴(kuò)展到無線電接口——Achronix解決方案提供了為服務(wù)器卸載工作負(fù)載所需的性能，包括適用于5G應(yīng)用的FPGA SmartNIC設(shè)計(jì)，以及通過eFPGA擴(kuò)展性能來滿足RAN中的吞吐量和功耗需求。此外，該架構(gòu)可在其間的所有的點(diǎn)上進(jìn)行擴(kuò)展。
本文重點(diǎn)介紹了5G演進(jìn)發(fā)展過程中面臨的主要挑戰(zhàn)：
● 數(shù)據(jù)處理——為實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率并滿足端到端的延遲要求，5G RAN需要在數(shù)據(jù)處理中執(zhí)行更復(fù)雜的算法。在考慮這些算法的需求時(shí)，重要的是要在硬件和軟件任務(wù)之間找到適當(dāng)?shù)钠胶?，以便系統(tǒng)達(dá)到其性能、功耗和成本的目標(biāo)。對(duì)于從CPU子系統(tǒng)中卸載工作負(fù)載，eFPGA是一種理想的選擇。
● 部署場(chǎng)景——一種給定的RAN所支持的特定應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有很大的影響，因?yàn)槊總€(gè)應(yīng)用場(chǎng)景(mMTC、eMBB、URLLC)都有其獨(dú)有的特點(diǎn)。一種方案可能不適用于所有場(chǎng)景。決定如何在不同的設(shè)備之間劃分網(wǎng)絡(luò)功能以支持給定的應(yīng)用場(chǎng)景集可能會(huì)影響RAN設(shè)計(jì)。
● 無線電和頻譜——5G使用更多的頻譜，設(shè)備在低頻段(低于1 GHz)、中頻段(1 GHz至2.6 GHz或3.5 GHz至8 GHz)和高頻段(24 GHz至40 GHz)運(yùn)行。每個(gè)頻段對(duì)邊緣性能、容量、速度和延遲都有自己的一組要求。隨著新的頻譜資產(chǎn)可用，這些不同的要求需要由RAN系統(tǒng)來滿足。
● 供應(yīng)鏈和生態(tài)系統(tǒng)——5G正在以多種方式顛覆供應(yīng)鏈。一些計(jì)劃旨在減少對(duì)供應(yīng)商的依賴，同時(shí)專有和開放軟件平臺(tái)的可用性也在日益增加。基礎(chǔ)設(shè)施的支持等級(jí)也因地區(qū)而異。原始設(shè)備制造商(OEM)可能需要重新評(píng)估和修正他們的生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴關(guān)系。
● 新興標(biāo)準(zhǔn)——對(duì)5G標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)的投資規(guī)模是巨大的，以支持新的應(yīng)用場(chǎng)景和附加功能。特別是Rel-17和Rel-18將支持許多新的應(yīng)用場(chǎng)景。除了3GPP，還有一些獨(dú)立的行業(yè)組織，如電信基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目(TIP)和Open RAN聯(lián)盟(O-RAN)，他們正在致力于5G運(yùn)營和部署方面的工作。越來越多的人傾向于將O-RAN聯(lián)盟作為推動(dòng)接口規(guī)范發(fā)展的關(guān)鍵行業(yè)組織。
總結(jié)
無線接入網(wǎng)和5G網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。將設(shè)備形態(tài)從今天的基帶和無線電功能分散到單獨(dú)的盒子中，將要求功能可能位于網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)不同部分，以支持不同的可選split項(xiàng)。未來，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將需要使用切分技術(shù)動(dòng)態(tài)地劃分網(wǎng)絡(luò)功能。隨著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化，使用運(yùn)行在商用標(biāo)準(zhǔn)化(COTS)服務(wù)器上的容器化和虛擬化功能將變得非常普遍。然而，5G的成功取決于實(shí)現(xiàn)靈活的、可擴(kuò)展的平臺(tái)，其功耗、吞吐量和延遲是支持L1和天線中大規(guī)模MIMO的關(guān)鍵，尤其是在RAN中。在網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中，邊緣計(jì)算等新功能將需要把機(jī)器學(xué)習(xí)功能推向更靠近無線電接口的位置。帶有CPU和DSP功能的可擴(kuò)展、異構(gòu)SoC架構(gòu)，加上其可將工作負(fù)載卸載到FPGA和基于ASIC、SoC、ASSP的eFPGA上的加速能力，將因?yàn)榭蓾M足近期和中期的5G規(guī)范變化而被廣泛采用。
總之，eFPGA IP是應(yīng)對(duì)這些新設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵要素，這是因?yàn)樗哂锌蓴U(kuò)展功能，用以滿足3GPP R17和R18即5G Advanced和6G中的新規(guī)范，以及實(shí)現(xiàn)一些尚未可知的功能。
（轉(zhuǎn)載）
