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  • 2022-6-20 09:24
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    概述 通用软件无线电外设(USRP)设备是用于射频应用的软件定义无线电 (SDR),USRP收发器可以发送和接收低于6GHz的射频信号,可以广泛应用于多种应用中,包括5G无线通信研究、雷达探测、算法开发等,来进行对无线信号传输和接收分析。 但USRP无法支持商业化的更高频率的5G毫米波通信技术,购买一台新的毫米波仪器是非常昂贵的,所以需要考虑是否可以将现有的USRP进行升级,让现有的USRP用户,可以继续使用原有的软件开发资源。 毫米波仪器的高成本和获取难度对其研究构成了障碍,虹科USRP毫米波解决方案可以解决这一问题。通过使用现有的低频仪器升级到毫米波解决方案,毫米波研究人员可以用经济的成本和更短的时间帮助推动和实现毫米波5G通信的全面普及。 如下图所示,一个完整的毫米波系统分为三部分,分别是基带、上下变频器和波束成形器。与sub 6通信系统不同,波束成形器已集成到整个通信系统架构中,因为当使用毫米波频段作为通信频率时,信号在空中衰减非常快,这就需要使用波束成形技术来增加信号强度,因此,波束成形器是毫米波通信的必要组成部分。 波束成形器也称为封装天线(AiP),它是一种可以在特定方向上进行波束成形的天线,通常包含了阵列天线、PA、LNA、开关和移相器。根据电磁波理论,通过调整天线元的相位输出,可以在特定方向产生最大的电磁波能量传输,这就是波束成形的原理,如下图所示。 将下图USRP架构图和前面的毫米波系统架构图进行对比,可以发现USRP能够作为一个完整的基带硬件使用,此时USRP的RF端口就是毫米波仪器的中频(IF)端口。使用虹科TMKTEK UD Box 5G作为辅助上下变频器,经过中频信号到毫米波频段的上下变频,再加上波束成形器,就构成了完整的毫米波硬件架构。 但仅有的功能是不够的,还需要确认毫米波系统收发端的信号质量,以确保它可以用于各种场景中,这里需要使用误差矢量幅度(EVM)作为信号质量指标。EVM用于量化无线电发射器或接收器性能,由理想发射器发送或由接收器接收的信号将在理想位置具有星座点。然而,各种问题都可能导致实际星座点偏离理想位置,EVM是衡量偏离理想位置多远的指标,噪声、失真、杂散信号和相位噪声都会降低EVM,因此,EVM提供了无线电接收器或发射器全方位的质量测量。 解决方案 根据前面提到的概念,将所使用USRP和虹科上/下变频器进行构建和测试。如下图所示: 硬件安装 虹科双通道上/下变频器有4个端口,两个IF和两个RF端口。这里把USRP射频看成一个中频信号,所以将USRP的发射端和接收端分别接在UD Box 5G的IF口上。由于UD Box 5G是双向的,所以无需关注哪个端口连接Tx,哪个端口连接Rx。 接下来,将UD Box 5G的两个RF端口连接到波束成形器上,完成基本的硬件架构连接,最后,将二者连接到计算机上,如下图所示,可以下载并安装配套软件,来通过GUI来配置设置。 软件安装 下载控制软件并进行安装,安装完成后继续配置硬件设备,不需要运行多个配置窗口,因为软件可以控制和配置多个UD Box设备。点击“Scan Local Device”中的UD Box图标,进入UD Box 5G的配置设置。 需要确认信号亮红灯,表示UD Box 5G的PLL被锁定,然后配置RF频率、IF频率(USRP的收发器频率)、LO频率(这里可以选择 High-Side injection (HIS) 或 Low-Side injection (LSI) ①)和带宽②,然后保存配置。 注: ① 由于LO和RF的频率范围均为24-44GHz,当RF设置为最大值和最小值时,可能只能使用单侧注入; ② 此设置帮助我们计算是否会出现谐波干扰,出现干扰时会以黄色字体表示警告; ③ UD Box 5G高级设置——参考源:100 MHz时钟源,通道控制:开/关,参考控制:时钟开/关,输出电压:开/关。 测试 首先启动USRP收发器,以查看集成上下变频器和波束成形器后的信号质量,运行LabVIEW,在项目名称“LTE Design USRP RIO v19.5”下创建一个模板,然后单击创建。 在出现的LTE Application Framework操作界面里设置USRP“RF TX Power”为5dBm,经过上下变频器的信号衰减、波束成形器的信号增益、空中衰减后,信号强度约为35dBm,星座图和EVM都表明信号强度良好。 一旦测量并确认信号准备就绪,就可以控制波束成形器的波束成形角度,观察并记录信号强度和EVM的变化。这里的初始状态,发射器和接收器之间的夹角为0°,GUI也设置为0°。 如果将发射器转动-30°,会发现信号强度变弱,EVM也变差: 这是因为发射端的能量没有指向接收端,不是无线通信的理想状态。使用波束形成器改变发射机的发射角度,将信号强度和EVM测量恢复到原始信号质量: 总结 通过这个简单的测试,证明了这样的毫米波升级方案是可行的,并且具有良好的信号质量。此外,还可以使用波束成形器改变角度来提高无线通信的质量,可以利用这套毫米波设备来模拟5G通信可能遇到的问题,比如波束管理、波束算法、信道噪声等。
  • 2022-6-8 11:42
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    ​ 今天我们来介绍将sub-6GHz模拟器与波束成形器和虹科上/下变频器结合使用且不增加任何额外噪声,从而将其扩展到5G毫米波频段。 1 现状 ● 信令通信测试是电信研究、基带和基站设计的核心,基站模拟器可以在不需要实际基站的情况下进行测试,从而节省成本和时间。随着5G通信越来越多地扩展到毫米波设计和开发领域,5G开发人员和设计师必须寻找更经济高效的方式。 ​ 编辑 UE模拟器解决方案使基带研究人员、电信运营商、芯片组供应商和基础设施供应商能够通过模拟真实的网络行为和流量来验证端到端无线网络性能。 带有波束成形设备的虹科上/下变频器TMYTEK UD Box 5G能够将sub-6GHz的模拟器扩展到5G毫米波频段。波束成形设备产生一个信号波束,该波束由UD Box 5G进行上/下变频,从而将基站和UE模拟器升级为毫米波版本,使之具有3GPP标准定义功能验证的信令通信测试、高通量性能测试能力,可以应用于毫米波终端功能验证和性能测试,以及从PHY到RRC/NAS层的5G分析。 2 解决方案 ● 优势 将sub-6GHz的模拟器扩展到5G毫米波频段 在一个盒子内轻松上下变频 5G毫米波系统/通信设计开发工具 ​ 编辑 虹科上/下变频器TMYTEK UD Box 5G是一款超宽带5G NR毫米波变频器,覆盖范围高达44GHz。它带有集成混频器、内部LO以及可选的中频和射频滤波器,专门用于5G和卫星通信。 射频通道数 1/2 射频频率 24-44GHz 中频频率 0.01-14GHz 本振频率 24-44GHz 本振频率分辨率 0.01MHz 模拟器测试体系结构 对于图中所示的测试设置,基于Amarisoft SDR的UE模拟器与虹科双通道上/下变频器一起使用,UD Box 5G将高频毫米波信号转换为RF,该射频反馈至HPF。该测试展示了将现有的sub-6GHz的模拟器用于5G毫米波的能力。 ​ 编辑 该射频信号由虹科TMYTEK UD Box 5G下变频为较低的中频信号,然后被输入SDR中进行处理,输出IF被启动。 实际测试设置 测试设置如图所示,包括SDR、虹科TMYTEK UD Box 5G和控制PC。 ​ 编辑 测试结果 对频率高达43GHz的结果进行的比较表明,虹科上/下变频器不会增加任何额外的噪声,因此在所有情况下,EVM值都保持在相同的水平。 ​ 编辑 结果一览 ​ 编辑 ​
  • 2022-6-8 11:29
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    从A到G的卓越表现,广和通 5G模组 为物联网连接带来完美无线体验 5G技术自面世就承载着实现和万物互联的重要使命,既要超宽带、又要低时延、还要广连接。三大特性加持的5G将开启 无线通信 新纪元, 既带来 新机遇,同样也必然面临新挑战。 5G模组作为5G技术运用的重要载体,正乘风破浪,以硬核性能迎接挑战。 下面就带大家解锁广和通5G产品线的“关键词”,“从A到G”全面解读广和通5G产品特点,帮您全方位选好5G模组! Advancement “多芯”竞速,打开格局,全平台设计,工艺成熟。 模组,是整个物联网产业中较为成熟的关键环节,基于芯片平台进行开发。广和通已全面布局多芯平台,推出多款基于高通、联发科技、展锐等5G芯片平台的5G模组,在性能、定制化、成本上均有明显优势。 Benefits “技艺”高超,举世无双。做得了颜值担当,也担得起“专业大咖”。 2021年初,广和通率先发布全球首批支持3GPP Release16的5G模组,于2022年实现量产。多款5G模组均支持Open CPU,精简了通信应用开发流程与硬件结构设计。在基于新标准、新技术的产品开发上,广和通紧跟3GPP演进协议,后续将推出符合R17 RedCap、5G-Advanced及未来6G模组。 Certification 全面“认证”,大器早成!多重“代言”,国际标准认证齐全在手! 广和通多款5G模组已获得国际标准认证,包括Open Lab、泰尔实验室、爱立信全球网络终端测试中心等合作伙伴产品技术认证,以及多个强制性、一致性的主流运营商认证,包括AT&T、T-Mobile、ANATEL、NTT DOCOMO、德国电信、沃达丰、Telstra、CE、PTCRB等技术验收认证,多重高级别产品认证加持展现广和通模组的高品质,始终追求极致的产品品质保证。 Durability 坚如磐石,稳重可靠!有一种可靠,就叫广和通! 广和通聚焦于垂直行业终端所需性能和定制化应用。 在产品性能上,广和通5G模组已通过多个实验室实网环境下网络与外场测试。广和通5G模组在协议一致性、射频一致性、功耗、速率性能等方面表现良好。外场测试中的5G驻网、4G和5G重选与切换、数据性能、SA/NSA切换等均高于行业水平。广和通5G模组支持5G多切片和高精度授时功能,完成5G to B关键特性的调试。 Empowerment 5G模组+X,驾驭“应用”!产品有多6?“用得广,用得好”才是王道。 目前广和通5G模组已广泛应用于多个垂直领域,如FWA、智能制造、远程医疗、智慧城市、智慧交通、智慧港口、 车联网 、关键任务应急通信等,走进全球多家企业。在5G FWA领域,广和通已实现单型号大规模量产,最高可达百万级别。广和通围绕垂直行业做高度集成的无线通信解决方案,携手客户不断开拓更多类型的高速场景应用,切实使能千行百业。 Flexibility “封装”灵活,不止选择!精巧身材,提高终端部署效率。 广和通5G模组同步推出多个主流行业封装,包括LGA、M.2、Mini PCIe等。在尺寸上,广和通多款5G模组相互兼容,且与市面上多数产品匹配。为帮助客户提升整机部署的灵活性,广和通小尺寸5G模组频频亮相,精巧“身材”,大有裨益。 Globalization 版本齐全,纵横“全球”。国际范,更要走出去。 作为全球化运营的模组提供商,广和通5G模组已推出覆盖全球各地区频段的产品型号,布局包括欧洲、北美、拉美、澳大利亚、亚洲等地区的无线通信。 中国5G发牌三年,成绩斐然。广和通三年间,5G产品乘势而上,在技术、性能、质量、行业应用以及全球化发展上持续进步,不断探索。未来,我们将以更多高性能5G模组产品,点亮5G万物互联的璀璨世界!
  • 2022-6-6 17:33
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    “您已连接5G网络!” 据工信部最新统计显示:截至4月末,我国已建成5G基站161.5万个,占全球5G基站总数的60%以上。同时还是全球首个基于独立组网SA模式规模建设5G网络的国家。2022年6月6日迎来了中国5G商用发牌三周年,三年之间,我国在5G网络建设、终端应用创新、行业挖掘上都取得跨越式进步。 5G技术发挥着强大的通信能力,其中自然少不了 无线模组 的连接与枢纽作用,成千上万块模组在5G网络中紧密相连,串起5G规模化商用的庞大体系。 多芯布局,国内四网通用 广和通作为全球领先的无线通信模组提供商, 于2019年发布全球首批 5G模组 ,并在三年间,陆续推出符合3GPP演进标准的多款5G产品,在5G应用领域积累了丰富成果。 5G模组 FG 150/FM150系列 是广和通第一代5G模组,基于高通SDX55 5G调制解调器开发,符合5G工规级标准,在2020年正式获得国内四大运营商SA组网现网准入,助力终端应用在5G SA组网下充分释放价值。 2020年初,广和通相继推出基于展锐唐古拉V510 5G芯片平台的 5G模组 FG650/FM650 系列 ,拥有5G高精度授时能力,可自动适配SA/NSA双模组网,具备高集成、高性能、低功耗等技术优势。为进一步简化5G终端设备设计,广和通于今年初再次发布了基于展锐5G商用平台的极小尺寸 5G模组FG652-CN 。得益于其卓越性能和灵活体型,FG652-CN可深入应用于智能电网和设备体积轻巧要求的工业行业。 与国内四大运营商保持紧密合作 自2019年6月5G牌照发放以来,我国基础电信运营商坚持统筹谋划、适度超前原则,推动共建共享,让5G网络建设更快、更高效。这期间,我国5G关键技术创新取得新进展,广和通也始终与国内四大运营商保持紧密联系。 2020年,广和通成为首批加入中国移动5G终端先行者产业联盟成员,共同发布《5G终端、芯片及测试产业报告》;2021年,广和通高份额中标中国移动5G通用模组产品集采项目,全力加速5G通用模组商业化进程。 广和通持续与中国电信在5G物联网领域展开全面合作 ,于2019年便成为中国电信首批5G终端购销合作伙伴,于2021年签约“5G模组及5G行业终端合作”,三年间双方共同累积丰硕5G成果。 2021年,针对5G整体行业受制于模组成本过高而发展缓慢的现况, 广和通与中国联通联合发布中国联通雁飞5G模组 。该5G模组是业界首个低成本5G模组,通过深度优化和剪裁,实现了差异化和定制化。今年3月,广和通携手中国联通研究院、中科创达现网验证了全球首例5G模组端到端多切片方案,大大降低了千行百业使用5G切片的门槛,加速5G在垂直行业的应用落地。 在5G商用牌照一周年之时, FG150/FM150系列成为首批支持广电700MHz频段的5G商用模组 ,充分发挥广电700MHz高覆盖率、高传输速率、高穿透性的特点,全面赋能垂直行业。 助力海外5G FWA规模商用 针对5G FWA应用,广和通在2021年初率先发布了搭载MTK T750平台的 5G模组FG360 系列 ,便于家庭、企业及移动用户接入5G网络,打造最后一公里高速无线体验。FG360最大下行峰值可达4.67Gbps,上行峰值最大达1.25Gbps,加之支持5G NR Sub6 GHz下双载波聚合(2CC CA)200MHz频率,内置了FG360的FWA拥有更广的5G信号覆盖与畅快5G速率。FG360从2021年7月开始交付,截止2022年4月,北美市场出货量达百万级别。 与3GPP标准同行,不断推陈出新 R15作为首个5G标准,定义了第一代5G模组,R16则进一步让5G从“能用”向“好用”进阶。R16标准增强5G技术基础,包括覆盖率、移动性、功效及可靠性等,并重点将5G扩展至更多垂直行业。广和通率先发布了 R16模组FG160/FM160 系列 ,其中FM160-NA率先于2022年9月进入工程送样阶段,FM160-CN则成为首款专为国内定制的R16工规级模组。 相较于第一代5G模组,FG160/FM160系列支持R16增强特性,以超可靠性和低时延赋能5G工业互联网、车联网、智慧城市。值得一提的是,该模组已率先于5G FWA行业实现量产,在网络覆盖、性能、扩展性上均有超前提升。FG160/FM160系列支持载波聚合,可实现FDD+TDD模式下的120MHz频宽,保证更广的5G信号接入和更高的速率。FG160/FM160还支持VoNR功能,为5G FWA打造超高清语音通话体验。 助力AIoT产业降本增效 5G赋能更多垂直领域高速无线连接少不了AI算力的加持,融合AI算力的广和通 5G智能模组 推动高端机器人、无人地面车辆、智能车载后装、智慧商显等计算密集型应用发展。 2021年初,广和通便抢先发布 5G高算力智能模组SC161 ,搭载高通八核QCM6350高端平台,具备强劲CPU能力。今年初,广和通5G智能模组再添新将,正式发布基于高通QCM6490物联网解决方案设计的 SC171 ,其AI计算能力、影像处理能力以及定位能力均全线提升。SC171进一步赋能工业及消费级智能设备,使智能化设备运维更聪明、更高效、更精准。 广和通5G模组采用Open CPU解决方案,同步帮助客户简化终端设计,降低终端设备成本及功耗。在射频架构上,部分产品可支持更多的EN-DC(LTE和5G双连接)配置节点,满足客户在不同网络下的需求,帮助客户快速解决EN-DC配置复杂的问题。支持下行4*4 MIMO和上行HPUE的PC1.5设计也大大增加了高速接入5G网络的范围和传输速率。 5G的最大价值在于拓展至千行百业中的应用场景,实现无线通信价值最大化。在5G to B领域,5G正在工业、医疗、教育、交通等多个行业领域发挥赋能效应,形成多个具备商业价值的典型应用场景。身处疫情反复的时代,5G在科技抗疫中发挥“即拿即用”作用,如5G便民核酸采集工作站、5G消杀设备、5G测温仪、5G远程医疗、5G无人机物资运输等。 未来十年,是全球5G产业的高速发展期。站在中国5G商用三周年的时间节点之上,广和通承上启下,总结5G成果,规划5G未来,始终在5G探索之路上前进,以产品、生态、应用展现全行业5G智慧成果,共同遨游于5G商用的蓝海之中。
  • 2022-5-30 20:07
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    赋能下一代5G平台
    将终端用户设备连接到中央电信网络和云的无线接入网( RAN )和相关的核心网络层次结构,对于构建无处不在的蜂窝网络连接至关重要,它将扩大该技术所支持的应用场景的数量和广度。在制定开发和实施 5G RAN 和核心设备战略时,要对 5G 的要求有一个深层次的理解,并了解该技术将在何处、如何以及何时发展,有助于管理预期。 本文概述了 5G 标准和推广的现状,总结了 5G RAN 需要支持的全新的应用场景,并研究了标准的演进以支持更高的带宽和更多的应用场景。最后,本文还解释了开发人员如何利用 Achronix 现场可编程逻辑门阵列( FPGA )技术来应对他们面临的基本挑战 —— 通过一种节省成本、功耗和面积的方式,将部分处理工作负载从 CPU 卸载到基于 FPGA 的加速器上,从而支持 5G RAN 架构的优化。 5G 部署和宏观趋势 显然,现在 5G 不仅仅是用于手机连接的下一代蜂窝网络技术。 5G 和蜂窝网络连接技术的发展可赋能多个全新的应用场景,并为那些以前没有将蜂窝网络连接作为其产品组合一部分的公司开辟了新的商业机会。 5G 不再只是提供电信连接,而是成为了赋能其他各种应用场景的连接,诸如工业物联网、汽车、智慧城市和其他应用。 5G 旨在支撑家庭、城市和工厂中的数十亿个新器件(如摄像头和其他各种传感器)的连接,为医生和患者提供远程医疗支持,支持与 IT 技术的融合,并全面取代有线连接。 从根本上说, 5G 是一种比前几代技术更具频谱效率的蜂窝移动通信网络技术实现方案,具有显著增加的空中接口容量,结合波束形成 / 定向技术,以及聚合 4G 和 5G 信道的能力,所有这些都得到了很好的利用。 5G 基础设施部署开始增加,预计 5G 的采用速度比 4G 更快,移动网络运营商( MNO )推出的 5G 网络已覆盖 10 亿用户,这比 4G 达到类似水平提前了两年。 下表描述了引领未来技术发展和演进的宏观趋势。 表 1 : 影响 5G 演进的宏观趋势 推动 5G 转型的构建模块 以前的 RAN 架构( 2G 、 3G 和 4G )是基于单块构建模块,逻辑节点之间很少有交互发生。然而,从新无线电( NR )研究的最初阶段开始,人们认为将 gNodeB 基站( gNB ,即 NR 逻辑节点)在集中式单元( CU )、分布式单元( DU )和无线电单元( RU )之间拆分,将带来更多的灵活性。灵活的硬件和软件实现可支持更具可扩展性和成本效益的网络部署 —— 但前提是硬件和软件组件是可互操作的,并且可以与来自不同供应商的组件进行组合和匹配。 这种拆分化 split 架构(在集中式单元和分布式单元之间)支持对性能特征、负载管理、实时性能优化进行协调,并能够适应各种应用场景。这种拆分架构还提供了各种应用(如游戏、语音和视频)所需的服务质量( QoS ),这些应用对传输有不同的延迟容忍度和依赖性,再加上诸如农村和城市等不同的部署场景也有不同的传输方式,例如光纤与无线。下图介绍了 5G 部署所需的主要构建模块。 图 1 : 推动 5G 转型的构建模块 5G 不再只是一种 RAN ,而是需要包含从客户端到数据中心整个网络连接的技术。从历史上看,智能位于蜂窝网络的任一端,包括客户端、基站和核心网络。随着我们向万亿台互联设备迈进, MNO 无法再增加越来越多的容量,以便将数据从无线电传输到数据中心进行应用处理,然后再返回到客户端设备。例如,联网的图像传感器数量从今天的 4 亿只增加到 10 亿只,那么网络流量将从今天的大约 150 EB 增加到 400 EB 。 解决此资本支出问题的一种方法是在整个网络中更均匀地分配智能。这种变化需要分配更多的计算能力,以便能够做出更快、更有效的决策。例如,上图中标记为“多项接入边缘计算处理( Multi Access Edge Compute Processing )”的方框表示支持这种智能分配的附加类型。 上图中圈出的美元值显示了过去四年内在 RAN 和网络分层结构中设备支出的估计费用。无线通信网络本身的花费非常巨大,为研发支出的费用就高达 1200 亿美元。 上图表示了构成 5G 无线电网络的不同单元。为了支持从增强型移动宽带( eMBB )和大规模机器类通信( mMTC ),到超高可靠、低延迟通信( URLLC )等一系列不同的 5G 应用场景,需要灵活地确定这些单元在网络中的物理位置。例如,该图表示分布式单元( DU )如何作为靠近无线电单元( RU )的独立单元,以支持 5G 的低延迟、更加实时性的需求,而对于 eMBB 等非延迟密集型应用, DU 可以与 CU 在类似 vRAN 的部署中位于同一位置。 这种对灵活性的需求促使那些用于这些设计的构建模块也要具有同样的灵活性,并支持这些设计以多种方式对共同的单元进行划分。 SoC 设计的多样性以及如何实现加速器功能是应对这些挑战的重要因素。 5G RAN 需要支持哪些应用场景? 作为定义 5G 的第一步,国际电信联盟电信标准化局( ITU-T )确定了消费者、企业和行业现在和将来使用蜂窝网络的方式,然后 3GPP 开始实施所需标准的制定。作为 3GPP 所推动的新服务和市场技术推动者研究项目 SMARTER 项目的一部分,其团队确定了蜂窝网络当前和未来的先进应用场景以及所需的特性和功能。 除了一个名为固定宽带的类别外,该机构还定义了三类移动应用场景: mMTC 、 eMBB 和 URLLC 。虽然这些类别的名称并不是特别吸引人,但它们已成为行业标准术语: l mMTC —— 大规模机器类通信引入了对大规模的机器对机器交互的支持,包括电池供电的物联网设备。总的来说,这些设备需要相对较低的延迟、高度可靠的连接和高能源效率。其所面临的挑战是为数十亿台物联网设备提供可扩展性和一致的连接性,这些设备的通信频率相对较低、通信时间较短。广泛的覆盖范围和深入的室内穿透性是很重要的,同样低成本也是非常重要的。 l eMBB —— 如果 mMTC 主要是解决机器如何使用蜂窝网络,那么 eMBB 就主要解决人类如何使用蜂窝网络。此类应用场景包括 8K 视频流、沉浸式增强现实 / 虚拟现实( AR/VR )、互联交通信息娱乐和支持移动宽带连接的企业。该类别的关键要求是超高的频谱效率、极高的数据速率和超低的中断时间。 3GPP 的 R15 版本中定义的 5G NR 满足了所有这些要求。随着支持 5G NR 的基础设施开始扩展,这些应用场景变得更加广泛。这一类别可以被认为是发展和变革的结合,因为使用蜂窝网络进行连接的笔记本电脑并不完全是新事物,而沉浸式 AR/VR 和其他数据密集型应用在前几代蜂窝网络中并没有真正实现。 l URLLC – 作为一种服务,为超高可靠性、低延迟通信提供支持,是 5G 真正革命性的一个方面,因为它提供了在实际应用中尚未出现的性能等级。增加对 URLLC 的支持可实现智能交通等应用,包括能够在复杂的路况下导航并通过相互协作避免碰撞的车辆,以及与第四次工业革命相关的应用场景,包括时间关键型的工厂自动化等。它还包括远程医疗,其中包括测量生命体征并根据需要自动或半自动响应的设备,以及远程治疗,包括在救护车上、在灾难情况下或在偏远地区,根据远程医生的实时指导进行的手术。 在所有这些情况下,连接都需要非常稳定,并且需要以毫秒级或更低的端到端延迟速率运行。 3GPP 规范的 R16 和 R17 版本中定义了支持 URLLC 所需的主要功能。换句话说, URLLC 代表着 5G 的未来,即使这个未来只有几年的时间。 每个 3GPP 规范版本中都增加了各种功能,旨在解决这三个类别在不同方面的问题。在早期的规范版本中,已经解决了今天已经活跃或即将到来的特定应用场景,而未来的应用场景将在以后的版本中得到解决 —— 所有这些都是 5G 持续发展的一部分。 图 2 : 5G 应用场景分类 满足 3GPP 的 R17 和 R18 版本要求的演进 5G 的演进发展带来了一系列新的标准,这些标准得到了参与 ETSI 3GPP 组织的多家公司的认同。但 5G 标准的演进可能带来哪些技术要求呢? 下图显示了 3GPP 新标准制定过程的当前状态。当今 5G 网络中部署的设备主要由 3GPP 规范 R15 版本和 R16 版本中规定的技术组成。更先进的应用场景和由此产生的网络需求将由 3GPP 规范的未来版本( R17 和 R18 版本)来满足。 今天, 3GPP 已经通过了 R17 版本( Rel-17 )工作的中点,并计划在 2022 年中期发布。与此同时,围绕 R18 版本( Rel-18 )目标范围的讨论正在顺利进行。 3GPP 将 Rel-18 及其后续版本称为 5G Advanced ,以确认该技术的发展。 Rel-17 的功能旨在提高现有和新应用场景的网络性能。这些新功能在下图中被分为三类: 空中接口和管理功能: l 上下拆分 L1 处理和卸载 – 用于上行和下行信道的 L1 内核加速 l 复杂的 L1 MAC 调度加速 l 频谱效率、波束管理和动态频谱共享 l 灵活的 DFE 处理 / 卸载 连接性和安全性: l eCPRI 卸载和处理( Split 7.x DU/RU 灵活性) l 回传和安全卸载 l 网络处理和平衡,包括缓冲区和队列管理 计算和应用加速: l C 和 U 平面管理:在用户路径选择策略中的应用机器学习 / 人工智能( ML/AI ) l 网络数据分析 l 将边缘计算托管放在更接近于无线电单元的地方 l 带机器学习的无线电和基于应用的处理 本文将在后面的章节中将对这些类别和特征进行更详细的讨论。 图 3 : 3GPP 规范新版本时间表 Rel-18 或 5G Advanced ( 5G-A )在 Rel-17 基础上更上一层楼,通过在无线电和网络层次结构中集成机器学习技术来提供更智能的网络解决方案,以支持新的更多的应用场景,并提高网络效率。具体到无线电方面的变化, Rel-18 (先进天线系统)是支持提高频谱效率的主要工具,进一步增强了波束形成和大规模多输入 / 多输出( MIMO ),特别是在中频段和低于 6 GHz 的频谱中。 就 5G-A 的新应用场景而言,除了汽车和工业领域,还有国家安全和公共安全应用。在这些应用场景中,这些新功能可用于支持无人机的远程控制和恶意无人机检测等。 5G 网络分层结构和无线电 —— 下一代网络推动了对多样化解决方案的需求 有许多驱动因素影响着对平台多样性的需求。移动网络运营商一直希望将他们的网络建立在基于网络功能虚拟化( NFV )和软件定义网络( SDN )的技术上,并在商用现成( COTS )服务器上运行。然而, Achronix 认为单一的同质化设计无法满足 5G 发展的所有要求。不同的工作负载给网络带来了不同的压力,从而推动对不同解决方案的出现,以来满足这些需求。 新的架构将能够灵活地在集中式单元和分布式单元之间拆分和移动 5G NR 功能,这种架构带来的好处包括: l 更灵活的硬件实现方式,支持更具可扩展性、更具成本效益的解决方案。 l 能协调性能特征、负载管理、实时性能优化等功能,并根据应用场景启用 NFV/SDN 技术。 l 不同的部署场景可赋能 eMBB 、 uRLLC 和 mMTC 等不同的应用场景。反过来,这些不同的部署场景通过适应网络分层结构 / 架构(例如 ORAN )的变化,以及通过网络切分等新功能动态分配网络资源,进而支持无线电技术的发展。 新的网络 / 功能切分可能会影响对不同设备和系统级芯片( SoC )选择的需求。 图 4 : 应用场景、切分和多样性 上图显示了 3GPP 标准中规定的不同选项切分,以支持新兴的应用场景和相应的不同流量类型。该图显示了 L1 、 L2 和 L3 的不同 split ,以及在 CU 、 DU 和 RU 上相应地运行的不同功能。其中两个最受欢迎的选项是: l L2 Option 6 split ,这时上层功能被集中在网络中,但与无线电相关的特定流量调度和无线电链路控制被推向更靠近射频网络的位置。 l L1 Option 7.x split ,此时上层的 L1 处理被集中于 L2 和 L3 功能,只有下层 L1 Phy 功能被填充到 RU 中。 下图以图形方式展示了 5G NR 带来的挑战,即支持某些新天线配置所需的大量处理性能。图中左侧为具有 2 路发送和 2 路接收( 2T2R )的低频段( 20 MHz ) MIMO 天线,右侧为具有 64 路发送和 64 路接收( 64T64R )的中频段( 100 MHz )天线。从低频段到中频段的演进支持更高的频谱通道,有可能实现频谱共享、双连接和 4G 载波聚合。这些中频段要求还需要支持低于 0.5 ms 传输间隔,以及需要大量的波束形成和定向处理。 因此,如下图所示,此时所需的计算能力,尤其是 L1 处理所需的计算能力,随着这些更高的带宽开始呈指数级增长。空中接口的第 1 层处理,以及管理中频段频谱波束形成和定向,需要比低频段部署更高的处理要求。 图 5 : 5G 低频段和中频段频谱所需的处理负载(来源:爱立信博客) 为了满足 L1 处理负载的要求,业界必须考虑引入不同的异构解决方案,以高效地满足处理需求(从性能和功耗的角度来看)。再加上新的网络 / 功能 split ,这些新的解决方案可能会带来多样化的设备和 SoC 选项需求。因此,单一的同质化解决方案无法满足所有的 RAN 需求。 5G 设备的分布化推动了对灵活性和加速功能的需求 在 Rel-17 和 Rel-18 中提出的新要求推动了对更高灵活性,以及从单一 CPU 架构子系统中加速卸载负载的需求。下图显示了 5G 网络中的主要单元: RU 、 DU 和 CU 。对于这些单元中的每一个,都需要考虑如何利用由 CPU 、 DSP 和加速器(例如 GPU 、 FPGA 和 eFPGA )构成的异构架构,来满足这些新设计的延迟、功耗、面积和成本目标。 网络运营商一直希望尽可能多地使用云原生、基于软件的技术来实现所有的 RAN 功能(基于 RAN 的集中式部署),并假设在基于 x86 或 Arm® 的 CPU 平台上运行的解决方案能够最大限度地提高灵活性。研究表明,对于低频段部署(大约 600-700 MHz ,服务带宽为 50-25 Mbps ),基带和控制可以在 CPU 平台上以最小量的加速卸载来提供服务。其结果是实现了集中的 DU 和 CU 功能,使用光纤连接到 RU ,在无线电中只有最少的处理功能。 在各种部署中,都可以利用一个 COTS 服务器来处理一个具有单个 CPU 内核的低频段单元的所有事务。对于这些类型的部署,将软件中的所有内容作为虚拟化或容器化工作负载运行,其性能、成本和功耗需求都是可行的。在这种情况下,从图中可以看出, DU 中的 L2+ 功能以及 L1 的大部分处理都可以与 CU 中的核心网络功能一起位于小型服务器中。 然而,随着各种部署转向 6 GHz 以下的中频段,如大约在 3.5 至 3.6 GHz 范围内,正如在前面的图中所看到的,无线电处理(包括 L1 模块中的基带功能和 L2 模块中的大部分功能)几乎呈指数级增长。在这种情况下,下行和上行处理负载会增加 20-40 倍。在没有加速功能的情况下,运行一个带有完整负载的中频段单元将需要超过 16 个 x86 内核。然而,这样一个系统的成本和功耗在商业上是不可行的,因此需要将某些 L1 层和 L2 层功能卸载到专用硬件中,其重要性在未来日益凸显 —— 硬件加速器要么位于 CU 中,要么分布在远程 DU 和 RU 中更接近于无线电接口的位置。 图 6 : 5G 设备的分散化推动了对更高灵活性和加速功能的需求 除了 CNF/VNF 之外,这里列出的项目是从 x86 、 Arm 或 R5 CPU 子系统中卸载工作负载到硬件加速器的理想选择。一些示例如下: l 在盒子之间的接口上进行网络处理和分类管理,包括传输 / 后传 / 安全接口、 eCPRI 前传接口,或需要流量管理器、分类器等的地方 l L1 处理和波束形成是必须使用加速的另一个领域,可利用 DSP 或 eFPGA 技术或两者兼而有之来实现加速功能,这对实现吞吐量最大化和优化功耗至关重要。 此外,在 2025 年前,几乎所有 RAN SoC 的默认要求都可能是机器学习加速 —— 这一功能不仅可以应用于在 5G 上运行的应用场景中的学习和推理功能,还可以应用于 RAN L1 物理层的增强。研究表明, AI/ML 可以显著提高 L1 PHY 性能,其中第一个研究领域是 AI/ML 增强可以应用于波束管理、信道估算和预测。 5G Advanced 、 eFPGA 和 FPGA 加速 未来, FPGA 和 eFPGA 技术可用于 5G 设计的各个领域。正如前面所讨论的,在可编程性和计算效率之间总是存在着利弊权衡。虽然 CPU 提供了终极的可编程性,但基于图形处理器( GPU )、 FPGA 和专用集成电路( ASIC )的硬件解决方案总是提供更低功耗这一优势,但灵活性却大大降低。 从历史上看, FPGA 已被广泛用于前几代的蜂窝网络的设计中。在 3G 和 4G 设计中,系统的重要部分是围绕独立 FPGA 设计的。这些 FPGA 用于加速空中接口的某些功能,它们与基带单元上用于空中接口处理的 DSP 紧密结合。 FPGA 还用于 CPRI 连接的传输和安全接口、机箱接口和回传以及安全接口。 在 ASIC 中集成 FPGA 功能可使 5G 设计所面临的一些挑战得以解决。与独立 FPGA 相比,在 SoC 中集成 eFPGA 功能可以提供一种更低成本的解决方案,因为设计人员能够只选择嵌入所需的资源,同时减少了电路板面积、增加了封装和 I/O 。在与 CPU 和 DSP 资源紧密耦合的 SoC 上进行集成,可提供更高的带宽、更低的延迟和更低的功耗,同时还能随着规格的变化对已部署的设备进行实时现场升级,从而提高灵活性。 图 7 : 5G Advanced :用于异构计算加速的 eFPGA IP 和 FPGA 在上图中,红色方框说明了如何使用 Achronix eFPGA 和 FPGA 技术将灵活性集成到全新的 RU 、 DU 和 CU 设计中,其实现方式既可以是一个独立的器件、单片 SoC ,也可以在 chiplet 设计中作为其中一颗晶粒被封装在多芯合封模块中。 对于 CU 和核心 RAN 应用,可以使用一个或多个 FPGA 来支持非常高的数据速率和计算密度,以帮助服务器卸载各种面向特定的网络和无线电的工作负载。 Achronix 正在与该领域内的许多伙伴进行合作,他们正在开发有针对性的解决方案。 Napatech 和 Accolade 等公司正在开发面向智能网卡( SmartNIC )的 FPGA 半导体知识产权( IP )。这些 SmartNIC 可用于多种不同的 5G 需求,包括用于基于 vRAN 部署的 DU 。由此产生的设计包括用于网络、 PDCP 、安全(空中接口和回传)、 OVS 和 L1 卸载的技术。未来,这些解决方案很可能还将用于多接入边缘计算的机器学习推理,特别是无线电应用。 上图中的红色单元代表了 RU 和 DU 中的 eFPGA 功能,以及如何将一个或多块嵌入式 FPGA ( eFPGA )逻辑块与 CPU 、 DSP 和存储子系统一起集成到 SoC 设计中。 在 SoC 上集成 eFPGA eFPGA 是集成到定制 SoC 或 ASIC 中的内核。该 IP 可以通过购买授权获得并使用,这类似于半导体设计中使用的其他 IP 。与独立 FPGA 的设计过程不同, eFPGA 设计人员可以根据其客户应用的需要,选择确切数量的逻辑、 DSP 和存储资源。在进入大批量生产时, eFPGA 还可通过取代独立的 FPGA 来降低系统成本、功耗和电路板面积。 Speedcore™ eFPGA IP 架构包含了许多架构性增强功能,可显著提高性能、降低功耗并缩小芯片面积。在选择 Speedcore eFPGA 时,设计人员可以选择架构性单元的最佳组合,包括: l 逻辑 – 6 输入查找表( LUT )及集成广泛的 MUX 功能和快速加法器 l 逻辑 RAM – 对于 LRAM2k ,每个存储块容量为 2 kb ;对于 LRAM4k ,每个存储块容量为 4 kb l 块 RAM – 对于 BRAM72k ,每个存储块容量为 72 kb ;对于 BRAM20k ,每个存储块容量为 20 kb l DSP64 – 每个单元块上带有 18 × 27 乘法器、 64 位累加器和 27 位预加器 l 机器学习处理器( MLP ) – 每单元块上有 32 个乘法器 / 累加器( MAC ),支持整数和浮点格式 在基于 SoC 的设计中集成 eFPGA 功能是一种理想的方式,可以提供一个灵活的、可扩展的平台,以最大限度地提高 RAN 设计性能,同时仍能满足这些新设计严格的功耗目标。集成 eFPGA 技术可以在提供独立 FPGA 所具有的优势之外,还可以提供一些额外的优势: l 与 CPU 或 GPU 方案相比,在相同的计算能力下,这些基于 eFPGA 的设计的功耗更低,并可灵活地增加和更改功能。 l eFPGA 的可重新配置特性提供了灵活性,以满足不断演进发展的标准,并可对已部署在现场的设备进行更新 l 一个低延迟、高能效、高度灵活的 eFPGA IP 块可以在多个 SoC 设计中重复使用 将 FPGA 功能与 CPU 、 DSP 和存储子系统紧密耦合也带来了优势。独立的 FPGA 芯片是通过它自己及其他芯片上集成的高速 SerDesS/PHY 与它们相连,它们都需要消耗电能。将 eFPGA 集成到 SoC 中,就可以消除设计中两侧芯片对 SerDes 接口的需求,并且只需要部署您实际需求所需的功能,因而在芯片面积上也当然有所节省。 设计人员可以选择集成单个或多个 eFPGA 实例,它们可以被集成在一颗 SoC 中的任何地方,其大小可以从几千个 LUT 扩展到几十万个 LUT 。这些 eFPGA 实例可以与 CPU 子系统紧密耦合,以高效地利用共享缓存和存储子系统来执行高性能、低延迟的任务。例如, Arm 提供的可 CHI-E 总线作为其架构的一部分,支持一致的网状互连,从而支持一些应用程序将 CPU 上的高负载卸载到 eFPGA 单元块中进行专项处理。 图 8 : 使用 eFPGA 来满足 ASIC/SoC 中的 5G Advanced 功能: RU 、 DU (和 CU )实现 Speedcore eFPGA 技术已经过量产验证。我们的客户已经为这些类型的应用提供了超过 1000 万个搭载该 IP 的器件,它们已被用于各种功能,包括支持 eCPRI 连接、后传和安全接口、用于数字预失真适应的无线电数字前端( DFE )算法功能卸载、波束形成卸载以及带有 Split L1 ( I/FFT 、 RACH 、 LDPC 等)的基带重新分隔。 eFPGA 作为 5G NR 功能的加速器 Achronix 的目标是使用 Speedster® 独立 FPGA 芯片和 Speedcore eFPGA IP 技术来满足 5G-A 和 6G 的需求。 Achronix 与合作伙伴一道致力于开发各种解决方案,以应对影响 5G 发展所面临的当前和长期趋势。 Achronix 的技术可以提供的一些优势包括: l 用于加速各种 5G 工作负载的高性能架构 ——Achronix 为每种功耗 / 面积预算提供高性能的解决方案,并支持 FPGA 和 eFPGA 技术以卓越的能效加速工作负载。 l 多样化的解决方案和生态系统 ——Achronix 支持设计人员可以自由地紧密耦合定制加速器,并为基于 eFPGA 和 FPGA 的环境提供补充操作。 Achronix 生态系统包括了广泛的合作伙伴,共同推动包括 eCPRI 、无线电卸载和芯片到芯片( C2C )互连等 5G 功能创新。 l 可从云扩展到无线电接口 ——Achronix 解决方案提供了为服务器卸载工作负载所需的性能,包括适用于 5G 应用的 FPGA SmartNIC 设计,以及通过 eFPGA 扩展性能来满足 RAN 中的吞吐量和功耗需求。此外,该架构可在其间的所有的点上进行扩展。 本文重点介绍了 5G 演进发展过程中面临的主要挑战: l 数据处理 —— 为实现更高的频谱效率并满足端到端的延迟要求, 5G RAN 需要在数据处理中执行更复杂的算法。在考虑这些算法的需求时,重要的是要在硬件和软件任务之间找到适当的平衡,以便系统达到其性能、功耗和成本的目标。对于从 CPU 子系统中卸载工作负载, eFPGA 是一种理想的选择。 l 部署场景—— 一种给定的 RAN 所支持的特定应用场景对整个系统有很大的影响,因为每个应用场景( mMTC 、 eMBB 、 URLLC )都有其独有的特点。一种方案可能不适用于所有场景。决定如何在不同的设备之间划分网络功能以支持给定的应用场景集可能会影响 RAN 设计。 l 无线电和频谱 —— 5G 使用更多的频谱,设备在低频段(低于 1 GHz )、中频段( 1 GHz 至 2.6 GHz 或 3.5 GHz 至 8 GHz )和高频段( 24 GHz 至 40 GHz )运行。每个频段对边缘性能、容量、速度和延迟都有自己的一组要求。随着新的频谱资产可用,这些不同的要求需要由 RAN 系统来满足。 l 供应链和生态系统 —— 5G 正在以多种方式颠覆供应链。一些计划旨在减少对供应商的依赖,同时专有和开放软件平台的可用性也在日益增加。基础设施的支持等级也因地区而异。原始设备制造商( OEM )可能需要重新评估和修正他们的生态系统合作伙伴关系。 l 新兴标准 ——对 5G 标准演进的投资规模是巨大的,以支持新的应用场景和附加功能。特别是 Rel-17 和 Rel-18 将支持许多新的应用场景。除了 3GPP ,还有一些独立的行业组织,如电信基础设施项目( TIP )和 Open RAN 联盟( O-RAN ),他们正在致力于 5G 运营和部署方面的工作。越来越多的人倾向于将 O-RAN 联盟作为推动接口规范发展的关键行业组织。 总结 无线接入网和 5G 网络分层结构将发生变化。将设备形态从今天的基带和无线电功能分散到单独的盒子中,将要求功能可能位于网络的多个不同部分,以支持不同的可选 split 项。未来,移动网络运营商将需要使用切分技术动态地划分网络功能。随着整个网络功能的虚拟化,使用运行在商用标准化( COTS )服务器上的容器化和虚拟化功能将变得非常普遍。然而, 5G 的成功取决于实现灵活的、可扩展的平台,其功耗、吞吐量和延迟是支持 L1 和天线中大规模 MIMO 的关键,尤其是在 RAN 中。在网络分层结构中,边缘计算等新功能将需要把机器学习功能推向更靠近无线电接口的位置。带有 CPU 和 DSP 功能的可扩展、异构 SoC 架构,加上其可将工作负载卸载到 FPGA 和基于 ASIC 、 SoC 、 ASSP 的 eFPGA 上的加速能力,将因为可满足近期和中期的 5G 规范变化而被广泛采用。 总之, eFPGA IP 是应对这些新设计挑战的关键要素,这是因为它具有可扩展功能,用以满足 3GPP R17 和 R18 即 5G Advanced 和 6G 中的新规范,以及实现 一些尚未可知的功能。
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