分享一些5G原型中硬件设计的构想

　　虽然5G标准尚未成型，但距离大家公认的商用化时间已不足5年（业界公认到2020年会实现5G的大规模部署）。为了抢占先机，参与标准制定，许多公司目前已提出了就5G的新兴算法和应用进行原型设计的需求，全球各大移动公司据悉也都已竞相开展具体的原型设计工作。在本届2015世界移动大会上海站的展会现场，中国移动就展示了其5G基站原型平台（5G ”Invisible” Base Station；5G “Soft” Platform），瞬间成为展会一大亮点，受到行业上下广泛关注。
　　EDN China在现场有幸邀请到了原型平台搭载的FPGA供应商赛灵思，为大家一解内部搭载的技术，虽说“什么是通往5G的最佳路径？”这样的宏观问题无法在文中给出答案，但也希望和大家一同分享一些5G原型中硬件设计的构想。
　　中移动现场展示的原型机图片与技术框图如下：
　　
　　图1： 5G基站原型机中的基带处理部分，其中所采用的大规模 FPGA阵列正是采用赛灵思（Xilinx）的28nm VIRTEX-7器件，其所配合多核CPU处理，构成5G通用平台解决方案。
　　
　　图2：原型机的射频单元，具有小型化、灵活、隐形等特点。可灵活实现大规模天线阵列，其阵列规模可灵活配置，支持对称和非对称阵列。
　　
　　图3： 5G通用平台解决方案框图，采用多核CPU处理+FPGA阵列架构。
　　据赛灵思全球销售与市场亚太区副总裁杨飞介绍：“5G目前处于做标准和实验的阶段，业界目前普遍看到商用会在2020年实施，也可能会在日韩的驱动下提前到2018年，但其实已有很多公司，包括中兴、华为，都已把未来5G潜在的一些技术，如Massive MIMO，拿到4G的网络中做一些部署，推出了所谓的“4G+”或“pre 5G概念”，并推出了实际的样机。当然由于标准未定，目前各家设备商都在发挥自己的创意和能力，在推进技术的同时，希望最终能转换成标准，当然作为无线半导体领先的供应商，赛灵思也很大程度的参与其中。”
　　数字前端与基带处理：大规模MIMO及算法需要够“软”的硬件支持
　　在上述原型机的介绍中可以看到，随着预想中5G技术的更迭，基站的天线数量将不断增加，最终形成“大规模MIMO”系统。大规模MIMO已被视为提高5G无线系统数据吞吐量和容量的关键技术之一。
　　据赛灵思方面介绍，对于大规模MIMO的优势业界已是有目共睹，但由于需要对每根天线进行波束成型计算，其中会涉及大量的大型矩阵和线性运算，要实现大规模MIMO会显著提高连接和信号处理的消耗需求，所以实现大规模MIMO，可能成本很高，其中就包括数字前端（DFE）处理、基带处理、和射频处理之间的高速连接，需要灵活的高性能信号处理。
　　目前，大规模MIMO天线算法可使用现行的技术实现（图4），但随着大规模MIMO系统向越来越矿大的天线元阵列扩展，将要求更高的集成度，需要下一代器件的实现。
　　
　　图4：基于FPGA和MPSoC的大规模MIMO概念
　　对于FPGA的关键助益，杨飞介绍道：“由于能快速实现复杂信号处理算法，FPGA一直用于各类无线基础设施设备中，FPGA最显著的功能就是实时地对数据进行本地处理，以减少上游处理器的负担，而赛灵思硬件的特点是完全可编程（All programmable），更能让硬件“软”化。5G无线设施OEM厂会倚重可编程功能来降低设计风险，加速产品上市进程。其实，从早前的3G， TDSCDMA到LTE和5G，一路走来赛灵思都积极地先期参与各种技术研发、标准制定与前期验证等工作，并跟进不同高速算法的实现和验证。待规范形成后一个方面可以迅速投入量产，其次由于FPGA完全可编程的优势，依然可根据所需的具体算法、架构、体系来进行优化，从而确保以最短的时间出台优化的方案，支持快速量产上市。从这个意义而言，除了FPGA目前也没有更好的其它方案可以替代。即使对于ASIC，5G物理层硬件的复杂度也会大大增加其设计难度。所以对于5G支持，硬件够“软”很重要。”
　　对于这一点，赛灵思与中兴通讯在pre5G 3D/大规模MIMO基站方面的合作也是很好的例证。据最近的报道，赛灵思的可编程器件将支持中兴通讯的pre5G 3D/大规模MIMO基站。中兴通讯的大规模MIMO系统包含128根天线，采用类似于现有8天线系统的前部区域。中兴通讯的大规模MIMO基站可将天线、基站单元和射频集成在单个模块中，所需的安装空间仅为传统系统的1/3，从而降低了运营商的运营成本和总拥有成本。而赛灵思28nm Kintex-7器件正是该解决方案的核心组件，可提供行业领先的数字前端处理功能和高级基带算法实现，助其在单载波传输容量和频谱效率等方面刷下新记录。
　　下一代前传接口：为实现大规模连接与更大容量
　　对于5G 网络的大规模连接与容量要求，分布式小型基站、支持数百个天线的Massive MIMO 以及通过 CloudRAN 进行的集中式基带处理等技术将显著增大覆盖范围与数据吞吐量。而网络则将需要通过回程及光前传来进行安全连接，以完成处理，实现大规模连接成了另一个头痛的焦点。
　　对此，杨飞也介绍道：“目前，赛灵思正与中国移动研究院（CMRI）结合C-RAN、大型天线系统和3D MIMO等新兴技术，共同研究开发新型无线网络前传接口的关键技术和组件，并已就下一代前传接口（NGFI）的开发签署合作备忘录（ MOU）。 ”
　　据赛灵思方面介绍，在目前的无线系统中，基带设备和射频单元通过CPRI前传网络协议连接（见图5 红色框部分），随着其带宽增速迅猛，需要运营商铺设越来越多的光纤电缆，将导致部署成本的大幅增加。未来无线网络的发展趋向于集中式的基带架构，必然会对的前传网络提出更大的挑战，亟需新技术改进前传协议。据悉，探讨的一些可能性是将部分基带处理移动到射频侧，以降低总体有效载荷带宽，从而利于提高射频域的集成度。当然无论最终会否集成到射频中，基带处理、射频、及相关前传技术都将构成5G的重点。
　　
　　图5：基带设备和射频单元通过CPRI前传网络协议连接，探讨的一些可能性是将部分基带处理移动到射频侧，以降低总体有效载荷带宽，从而利于提高射频域的集成度。
　　据悉，赛灵思正通过其Zynq SoC平台，为NGFI生态系统打造一个经验证的NGFI参考设计。这个参考设计可以很容易地迁移到其它Zynq和Zynq UltraScale+ MPSoC 器件上，有望成为4.5G/5G无线前传网络研究的基准框架，并为下一代高度优化的前传接口设计提供关键的技术和组件。
　　5G会为全可编程硬件开辟下一个蓝海
　　除了倚重可编程功能来降低设计风险，加速产品上市进程，赛灵思全可编程硬件还从源头满足了运营商们和设备商的一个演进需求，那就是强调“服务”和“软件定义”。
　　
　　图6：赛灵思全球销售与市场亚太区副总裁杨飞 （左二）携其亚太区通信团队部分高层及系统架构师在世界移动大会（MWC）中移动展台展示基于赛灵思FPGA的5G基站原型平台
　　据杨飞介绍，“在这次的会议中，包括中韩日在内的各大运营商所传达的关注重点，已不再是通信的技术和功能本身，而是强调“服务”。这对全可编程硬件而言很有利，运营商想要提供“最快”、“最好”的服务给消费者，例如有些基于物联网或机器人的服务看似非常的天马行空，这些贴身的服务需要强有力的应用软件体系来支撑， 而这种强有力、反应迅速的软件或服务体系又需要从底层，通过和软件高度优化的硬件体系来支撑，这种硬件支撑体系需要绝对灵活、可编程。简单来说，就是从上层服务，到最底层的硬件都是迅速可反映，迅速可编程、迅速高度优化的。全可编程器件天生就具备这方面优势，可以从底层架构、半导体器件迎合上层服务的需求。这种“强调服务”的需求在早先2G、3G时代并不多，但现在4G乃至5G将会日益明显，所以现在更多的半导体厂商也在5G标准制定过程中就参与其中。从底层半导体实现来支持类似NGFI等5G标准的制定。这也解释了为何半导体厂家会直接和运营商合作，在先期参与标准制定的原因。”
　　在赛灵思所开启的全可编程处理器市场中，5G会是其中非常有潜力的一块。据杨飞介绍，目前赛灵思在5G的参与是全方位的，包括基带、射频、前传、回程、毫米波等。再加上5G时代一定会是“云+物联网”结合的时代，整个市场一定会有爆发性成长，杨飞预估，随着带宽和应用场景的不断扩大，赛灵思器件的应用市场将有约5倍扩大的潜力。从28nm开始，赛灵思的 Zynq SoC就是软件定义硬件最优化的全可编程架构，到现在已供货的20nm UltraScale产品系列、已流片的16nm UltraScale+系列，包括最新的16nm MP SoC，器件内部所包含的各类处理资源也更为丰富，所有这些都将为5G的下一步发展提供更为可期待的提升空间。