标签: 大规模MIMO

1.面向未来下一代通信技术的射频测试挑战 移动通信网络的发展如下图所示，1G时代用模拟信号传输，实现了语音传输业务；2G时代，数字传输取代了模拟传输，人们能够使用手机短信和手机上网；3G时代，移动通信进入了高速IP数据网络时代，移动高速上网成为现实，大家开启了音频，视频，多媒体的时代；4G时代开始了移动互联网的全面发展时代，网络能够传输更高质量的视频图像；而随着AR、VR、物联网等技术的诞生与普及，5G应运而生，5G不再是一个单一的无线接人技术，而是多种新型无线接入技术和现有4G技术的集成，其应用场景十分广泛。 总的来说，1G到4G主要解决了“人-人”间的网络连接，实现了“沟通泛在”；5G网络则打造了“人-机-物”工业互联体系，正在推动“信息泛在”成为现实；而作为5G的延续，6G网络将进一步使万物的连接延伸至智慧层面，达到“人-自然-智慧”的连接与融合，实现“智能泛在”。 6G的目标是带领人类进入泛在智能化信息社会，并融合通信、计算、感知、智能等建立起空天地海泛在移动通信网，实现全球泛在覆盖的高速宽带通信。相比5G网络，6G最大的特点在于其全球泛在覆盖所带来的多样化：数据来源的多样化、应用的多样化、通信手段的多样化、计算的多样化等，这使得6G网络将具备以下特点： ● 更大信息容量 ● 更高传输速率 ● 更低传输时延 ● 更大连接数量 ● 更高频谱效率 ● 更高能量效率 而针对目前6G的系列特点，如需要实现更大的信息容量和高传输速率，在测试过程中会要求高速的数据传输，高速的数据采集；针对于更大的连接数量，在测试时需要考虑各个接入点之间的信号同步，仿真信道时需要进行大规模输入输出（MIMO）的仿真；针对高频谱效率以及能量效率，6G提出了新兴的技术——RIS智能超表面技术，在信道环境做文章，提高能力以及频谱效率，但是如何测试RIS对信号的增强，反射角度等问题，也是一个严峻的测试挑战。当然6G带来的测试挑战远远不止这些，在6G的发展带来的一系列测试挑战中，本文将重点针对卫星通信领域，雷达测试以及大规模MIMO测试来进行方案介绍。 2.卫星通信测试方案 （1）射频高速采集测试方案 目前来说，6G卫星通信有望用于大容量数据传输，如卫星互联网、遥感数据、卫星图像传输等。这些应用需要高速数据传输来支持大数据的传输和分析。同时6G卫星通信将需要支持大量用户和设备的连接，包括物联网设备、传感器、智能城市设备等。这些技术的实现需要高速数据传输以实现实时通信和数据交换，未来在测试中也不可避免的会需要高速的测试解决方案。 在6G时代，除了一些无线电信号，比如说eMBB+，URLLC+，mMTC+之外，还有很多ku,ka波段的卫星信号，或者是雷达信号需要进行高速的数字化采样。但是他们通常都在射频频段，而数字化一般是对基带信号进行采样： ● 对于输入的信号，需要先下变频到基带（或者是与数字化仪相匹配的频段） ● 通过数字化仪数字化后，可以获得射频信号的数字信号。德思特方案提供的高速数字化仪采样率高达5 GS/s，可支持1.5 GHz带宽。（了解更多产品信息，欢迎扫描文末二维码联系德思特） ● 当信号数字化后，数据通过PCIe总线传输，可支持3.4 GByte/s的传输速率，同时提供SCAPP软件选项，使用Nvidia的专业卡，搭配Linux系统，在不经过CPU的情况下，从采集卡中取出数据至显存或直接利用CUDA核心进行运算处理，达到海量传输的效果。 ● 数据上传到PC端，使用德思特SBench6软件进行分析，可对采样数据进行FFT运输，信号包络的观察，直方图等等分析。 （2）信号调制仿真测试方案 对于6G时代的数字调制技术，目前还在研究阶段，具体的技术和标准尚未完全确定。然而，可以预期的是，6G将需要更高效、更复杂的调制方案来满足其对于更高数据速率、更低延迟和更高可靠性的需求。这可能包括更高阶的调制方案，以及新的、更有效的编码技术。 针对调制的测试，德思特任意波形和函数发生器提供前所未有的灵活性，为工程师提供不同类型的信号和数字调制以测试传输或接收的不同阶段信号链，如调制器、解调器、混频器、滤波器、放大器、低噪声放大器（LNA）等： ● 生成比特流和触发输出信号（用于下一阶段同步）以测试编码器系统的行为。 ● 生成在一个或两个通道上提供的正交基带信号，以测试具有不同参数（例如传输滤波器类型、噪声水平）的信号的传输/接收。 ● 生成IF/RF信号以测试混频器、IF滤波器、发射器放大器和接收器级。 （3）RIS研究测试方案 在6G时代，RIS技术被认为是一种具有潜力得关键技术，它可以改变无线信道的环境，降低信道估计所需的导频开销，解决空间非平稳信道问题，提高波束训练效果以及提高通信系统的性能，提升频谱效率和能量效率。目前RIS技术仍然面临许多挑战，但是已经有许多工程师在进行RIS的研发，那在这个过程中，必不可少需要对RIS的性能进行测试 德思特RIS测试方案，由德思特便携式高频信号源，方向性极好的喇叭天线，以及接收灵敏度高优秀的德思特手持式频谱仪组成。支持两种环境下的测试： a、外场测试： 将德思特高频信号源连接到天线，接收天线连接德思特手持式频谱仪。高频信号通过发射天线转换成电磁波，并在接收天线转换为信号后，通过频谱仪测量到信号的功率。利用对比测试即可判断RIS对信道的效果。 b、暗室测试： 当进行RIS的可调控反射角度测试时，可以在微波暗室使用德思特毫米波RIS测试方案，用信号源发生毫米波信号，操控RIS对电磁波的反射角，两个天线置于弓形架中，把天线对准接收角度，再把天线移到不同的角度观察信号功率强度的变化，以此进行测试。 c、测试案例——外场测试： 客户选用了德思特外场测试方案来对他们的RIS模块性能进行测试。外场测试采用对比测试的方式进行，其中唯一的变量是有无毫米波液晶RIS，其它条件均一致。部署液晶RIS后，终端有 20 dB（100倍） 的信号增强。 3.雷达测试系统方案 雷达技术在6G中将可能成为重要的组成部分，用于智能感知和定位。雷达能够通过探测目标、测量距离、速度和方向来提供环境感知数据。在6G的智能网络中，这些数据可用于实现更高级的位置识别、环境感知和障碍物检测，帮助设备更智能地理解周围环境。雷达技术在6G中也有望与波束成形技术相结合，实现更精准的信号传输和接收。通过雷达的信号处理技术，可以实现更智能化的波束成形和定向传输，提高数据传输的效率和可靠性。 针对雷达方面的测试，德思特提出了雷达信号发生以及雷达信号的数字采集测试两个方案： （1）雷达信号的发生： 在雷达系统开发过程中，脉冲发生器产生不同持续时间的脉冲信号，可以用来供应射频调制链，以测试雷达接收器行为。 a、基本脉冲信号发生 德思特PG-1000系列脉冲发生器可以通过设备图形UI界面和触摸屏幕显示，轻松地创建具有不同脉冲宽度、频率和幅度的脉冲。采用这种解决方案，可以节省开发脉冲系统的时间，研究人员可以将更多的时间精力集中在雷达设计和测试目标上。 b、脉冲/延迟发生器的多目标仿真 在主雷达系统中，往往通过细化系统测量信号的飞行时间，以计算雷达与目标的距离。距离计算公式为：距离（km）=（延迟时间（秒）/2）*3×10^5 km/s。其中，3×10^5 km/s是对光速的近似取值。由公式不难看出，发射信号和接收信号之间的延迟大小取决于距离长短。 在多个目标的情况下，通常会接收到多个信号，并且要求检测系统能够区分它们。德思特PG1000系列脉冲发生器是测试雷达探测链的完美选择，这并不需要完整的雷达系统和一些真实的目标就可以完成多目标仿真测试。 德思特脉冲发生器的多脉冲模式提供具有不同持续时间和延迟的双脉冲、三脉冲和四脉冲，模拟多目标的发送以及回波，可重复高达125 MHz，用于测试雷达探测系统的实时频率操作。10 ps的分辨率和低于25 ps的抖动RMS提供了对射频链预期延迟进行计数，以低于cm级别的分辨率用来模拟目标检测所需的精度。 （2）雷达信号的采集测试 在6G时代，使用具有 短占空比、多种调制类型和关键定时 的脉冲波形的雷达信号需要提供 高带宽、比例采样率、长存储器和快速数据传输 的测量系统。德思特高速模块化数字化仪非常适合采集和处理雷达信号。它们提供高带宽、长采集内存和特殊采集模式，以最大限度地提高内存使用率，提供高速测量和高精度分析。 a、基本的脉冲调制 采用德思特基于PCI的四通道8位数字化仪，带宽为1.5 GHz，最大值为5 GS/s的采样率，此带宽和采样率与直接采集VHF和较低的UHF雷达以及许多高频雷达的中频兼容，在下图中，数字化仪使用2.5兆样本（MS）以每秒5千兆样本（GS/s）的最大采样率采集了500 µs的数据。虽然下图中仅使用完整内存采集了5个脉冲，但实际测试中可以采集超过8000个类似脉冲。 采集的信号在德思特SBench6中显示，同时进行采集的波形分析，比如说使用频率测量功能测量信号的载波频率，在上图左侧的信息窗格中显示结果为1.000 GHz。以及许多数值分析工具，包括快速傅立叶变换（FFT）和有限脉冲响应（FIR）滤波，提取脉冲调制波形的包络等。 b、调制脉冲采样 调制脉冲采样过程和上述基本脉冲的采样是一样的，例如下图中显示了线性扫频雷达啁啾的示例。调制脉冲显示在左侧网格中，在脉冲期间，载波频率从标称998 MHz线性变化到1002 MHz。这在右侧网格所示的FFT提供的频域视图中很明显。 同时还可以采用相位调制来实现脉冲压缩（下图中最右边图像）。相位调制技术将脉冲分成多个段，每个段都以特定的相移进行传输。这些段的长度相等。相移的选择由代码确定。公共码是二进制的，其中码值根据码序列在+1和-1之间切换，对应于0°和180°的相移。最常用的码序列是巴克码，它与其他序列的自相关性较低，并产生具有低旁瓣的频谱。 而调制后的信号可以选择在主机中（德思特高速数字化仪）进行二次开发解调。可以使用第三方软件，例如MATLAB或LabVIEW，甚至可以使用C、C++或Python进行自定义编程。德思特提供了驱动程序和示例程序，以便将这些程序与其数字化仪连接起来。上图最右边图像显示了对采集的相位调制脉冲使用专有解调程序的结果。 c、多重记录模式 为了应对雷达信号采集需要长采集内存的挑战，德思特高速数字化仪还提供多种采集模式，旨在有效地使用采集内存并减少采集之间的死区时间，从而节省存储空间。该模式对于研究雷达操作中的脉冲到脉冲的变化非常有用。 多重记录或分段模式如下图所示，允许以极短的重新准备时间（在5 GS/s采样率下约为6.5 ns）记录多个触发事件。用户可以在段内对触发前和触发后间隔进行编程。采集的段数仅受所用内存的限制，在使用先进先出（FIFO）采集模式时不受限制。与多个触发相关的重要数据存储在采集存储器中的连续段中。不记录与事件之间的死区时间相关的数据。每个触发事件都带有时间戳，因此可以知道每个触发的精确位置。 4.大规模MIMO测试方案 （1）多路信号同步采集： 在6G时代，MIMO（多输入多输出）技术将发挥至关重要的作用，实现分布式超大规模MIMO要将数据和信道状态信息在参与传输的站点之间进行实时的交互，要求站点之间具有高速连接，且各个通道间需要具有很高的同步精度。针对信号同步的数字化采集需求，德思特提出了多路信号同步数字采集的方案： 首先对多路信号输入采集板卡或者说对MIMO系统信号的数字采集来说，往往需要非常多的通道，此时一张板卡的通道数可能不足以覆盖所有的输入信号。因此德思特同步采集方案中提出了使用德思特特有的Star-Hub模块，连接8块数字化仪。例如，将8个M4i系列数字化仪与Star Hub连接在一起，可以创建一个最多有32个完全同步通道的系统。Star Hub在所有板之间分配触发和时钟信息。因此，所有连接的板都使用相同的时钟和相同的触发器运行，任何通道之间都没有相位延迟。所有触发源可以通过逻辑或组合，允许所有卡的所有通道同时成为触发源。多通道的能力允许数字化仪同时应用于多个通信通道，或创建用于天线和传播研究的测量通道阵列。 （2）大规模无线衰落仿真 无线衰落仿真可以帮助通信工程师在设计和优化通信系统时考虑到多径衰落及相关的解决方案。同时在实施新的通信方案之前，可能需要验证其可行性。通过无线衰落仿真，可以预测新方案在实际无线信道中的性能，从而评估其可行性。 针对无线衰落仿真方案，德思特提出以下解决方案，在信号输入端，通常有各种各样的信号，以及不同的信号可能需要不同的组合来进行无线衰落模拟，所以在信号输入与衰减矩阵中，可以根据客户应用，加上或者去掉此开关矩阵。信号通过衰减矩阵时，可以通过编程，任意衰减每一通道的信号强度，以此模拟信号幅度的衰落。 测试案例 客户需要测试他们多端口WIFI信号接收模块的性能，使用衰减器模拟环境中信号的衰减，当路由器信号被衰减器衰减后，信号通过天线或者线缆到接收测试模块，客户通过编程衰减曲线，模拟真实衰减，同时测试当前信道情况的WIFI信号的数据传输速率。 5.总结 在面向6G/星地融合的高速测试解决方案的探索中，德思特深入研究了射频测试的挑战、卫星通信测试方案、雷达系统测试方案以及大规模MIMO测试方案。这些方案不仅提供了对6G技术的深入理解，也提供了一种全新的测试方法，使大家能够更好地应对未来的挑战。 总的来说，6G将带领我们进入一个全新的时代，这个时代将充满无限的可能性和机遇。然而，要实现这些目标，需要有强大的测试工具和方法。德思特的高速测试解决方案为工程师提供了这样的工具和方法，使工程师能够更好地理解和应对6G的挑战！

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。” 下一页： 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 【 分页导航 】 第1页： 中移动5G基站原型机采用大规模FPGA阵列 第2页： 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 第3页： 下一代前传接口：为实现大规模连接与更大容量 第4页： 5G会为全可编程硬件开辟下一个蓝海 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载。 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。 下一页： 下一代前传接口：为实现大规模连接与更大容量 【 分页导航 】 第1页： 中移动5G基站原型机采用大规模FPGA阵列 第2页： 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 第3页： 下一代前传接口：为实现大规模连接与更大容量 第4页： 5G会为全可编程硬件开辟下一个蓝海 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载。 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。 下一页： 5G会为全可编程硬件开辟下一个蓝海? 【 分页导航 】 第1页： 中移动5G基站原型机采用大规模FPGA阵列 第2页： 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 第3页： 下一代前传接口：为实现大规模连接与更大容量 第4页： 5G会为全可编程硬件开辟下一个蓝海 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载。 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。（EDN China / 麦迪） 【 分页导航 】 第1页： 中移动5G基站原型机采用大规模FPGA阵列 第2页： 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 第3页： 下一代前传接口：为实现大规模连接与更大容量 第4页： 5G会为全可编程硬件开辟下一个蓝海 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载。 如您对5G无线技术及FPGA设计感兴趣，欢迎参加 2015年IIC-China秋季展 （8月31日~9月3日，深圳会展中心3号馆）。提前注册抢座，请点击或扫描下面的二维码：

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。（EDN China / 麦迪） 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载。 如您对5G无线技术及FPGA设计感兴趣，欢迎参加 2015年IIC-China秋季展 （8月31日~9月3日，深圳会展中心3号馆）。提前注册抢座，请点击或扫描下面的二维码：