——優(yōu)化成本、功耗與性能，確保第二輪 5G 的成功

作者：BRENDAN FARLEY，賽靈思無線工程副總裁及EMEA 總經(jīng)理

未來的無線時代，是業(yè)界借助各類先進技術開發(fā)出強有力的產(chǎn)品，最大限度地提高系統(tǒng)性能，并同時優(yōu)化成本與功耗。這一趨勢，將為移動運營商，以及包括企業(yè)、消費者和經(jīng)濟實體在內(nèi)的整個 5G 生態(tài)系統(tǒng)，開啟全新 5G 產(chǎn)品及服務部署的大門。5G 技術潛力巨大，但業(yè)界應如何克服成本、功耗及性能方面的挑戰(zhàn)，從而確保第二輪 5G 的成功呢？

任何精明的商人都深知保護好自身投資的重要性，這同樣也適用于運營商及其 4G 投資。現(xiàn)有的 4G 網(wǎng)絡由基站和承載無線接入網(wǎng)組成部分的各類基礎設施組成，因此，當今的運營商正在探索如何立足原有投資進行拓展，將其升級成 5G 網(wǎng)絡。例如，城市等高密度應用區(qū)域需要額外的無線信號載量。基于海量多輸入多輸出 （mMIMO） 面板構建 5G 無線骨干網(wǎng)，運營商可將無源 4G 面板替換為有源 5G 面板對現(xiàn)有基站進行升級。當然，安裝不僅要簡單，而且還要低成本，因此必須選擇最經(jīng)濟實惠的硬件。

改善成本優(yōu)化

運營商可通過多種方法確保其 5G 網(wǎng)絡基礎設施是成本優(yōu)化的。例如，在使用 5G mMIMO 面板升級現(xiàn)有 4G 基站時，采用先進芯片技術，意味著原始設備制造商 （OEM） 可以構建最適合自身獨特需求的系統(tǒng)。因此，面板可以根據(jù)特定的成本要求以及性能和帶寬標準來構建。在運營成本 （OPEX） 方面，功率放大器 （PA） 將左右無線電面板的功耗，因此使用最新的 PA 技術極為關鍵。此外，mMIMO 面板的外形應與現(xiàn)有的 4G 無源面板相近，這樣無需改造安裝空間就可以進行直接替換。

為進一步推動 5G 產(chǎn)品的部署，運營商之間開始通力合作，分擔 5G 設備的相關成本。例如，沃達豐和西班牙電信公司在英國宣布了共享基站和面板基礎設施的計劃。這兩家運營商表示，該網(wǎng)絡共享協(xié)議將幫助他們加快 5G 技術的部署并降低部署成本。這一協(xié)議的達成，來自 3GPP 規(guī)范的支持，運營商能夠在同一個設備中共享 4G 和 5G 信號，且設備也可以由多個運營商共享。

GaN 功放技術

在 5G 網(wǎng)絡的部署中，功耗是另一大亟需解決的關鍵問題。目前，基于橫向擴散金屬氧化物半導體 （LDMOS） 技術的 PA， 占據(jù)著無線應用功放的市場主導地位，其功耗超過了 1KW。因此，業(yè)界正在大力探索替代技術。具體來說，基于氮化鎵 （GaN） 的 PA 一經(jīng)興起就已開始被部署，因為基于 GaN 的技術在帶寬和功率密度要求方面超過了現(xiàn)有的基于芯片的 LMDOS 技術，所以這一趨勢意義非凡。以中國市場應用為例，GaN 由于極高的能效得到了廣泛應用，普遍用于 3.5 GHZ 等高頻率場景。GaN 可以顯著改善 PA 整體功耗，這對面板的尺寸、體積、重量和成本構成了連鎖效應。

由于 GaN 技術是非線性的，因此需要提供更強大的數(shù)字預失真 （DPD） 算法來線性化最節(jié)能的 GaN PA。一旦解決了功耗問題，就可以減少散熱器的體積和重量。散熱器的主要作用是化解射頻（RF）部分產(chǎn)生的熱量，因此，通過降低RF的功耗，可以縮減散熱器的體積和重量。散熱器體積和重量決定了現(xiàn)場安裝人員的數(shù)量以及在信號塔中安裝此類面板所需要的設備。成本的換算系數(shù)在2-3 倍之間，具體取決于安裝面板的體積、重量以及需的人數(shù)而有所變化。

先進芯片的集成技術

基于 GaN 的數(shù)字過程自動化 （DPA） 必須更加強大，而且處理 400MHz 以上帶寬的能力也至關重要。賽靈思最近發(fā)布了一款新產(chǎn)品 Zynq RFSoC DFE，該產(chǎn)品具有標準蜂窩 IP 硬模塊功能，支持低功耗與低成本。自適應 RFSoC 平臺集成比軟邏輯更多的硬化 IP，從而實現(xiàn)了高性能、低功耗及低成本的靈活應變解決方案。該器件包括可編程邏輯，支持用戶自定義和添加自己的算法，并隨著標準和帶寬的變化而優(yōu)化和升級其設計。這種靈活應變能力以及適應未來永不過時的特性，具有巨大的優(yōu)勢。

此外，硬化的 DPD IP 基于賽靈思量產(chǎn)驗證的軟 IP 核而開發(fā)，并為支持高級寬帶 GaN PA而強化以提高電源效率。從本質(zhì)上講，，在互操作性方案（如 ORAN、TIP）、新型服務提供商以及更激烈的競爭驅(qū)動下，5G 的部署面臨顛覆性的業(yè)務模式，硬化的 DPD IP所帶來的市場敏捷性彌足珍貴。該平臺硬件靈活應變的特性不僅有助于創(chuàng)新，同時還可提供 ASIC 所具備的同等優(yōu)勢，無需 NRE 即可為新市場進入者以及傳統(tǒng) OEM 廠商等用戶，降低風險和整體擁有成本 （TCO）。

圖 1：Zynq RFSoC DFE 原理圖

性能優(yōu)化

在研究分布式單元 （DU） 時，許多運營商都被束縛在 OEM 廠商提供的專有系統(tǒng)上，對此類系統(tǒng)的優(yōu)化幾乎沒有控制權。隨著 5G 的出現(xiàn)，3GPP 意味著被分解的基站，即分布式單元/中央單元 （DU/CU），可以完全被虛擬化。一個可行的解決方案可能是商品化的服務器方案，它運行開放的軟件，運營商可針對網(wǎng)絡性能和 5G 服務進行自主控制及優(yōu)化。在整體容量增益方面，DU 和 無線電單元（RU）之間的分區(qū)是確保實現(xiàn) 3- 5 倍系統(tǒng)容量提升的關鍵。這在很大程度上取決于 DU 功能與 RU 內(nèi)計算機和功能之間的分區(qū)與架構分割。

上行鏈路性能

更深入研究性能優(yōu)化時，基帶和無線電之間正確的架構分配是獲得性能承諾的關鍵。第一輪部署中，特別是在上行聯(lián)絡 （UL）中存在一些性能限制，沒有實現(xiàn)預期的帶寬和容量。

RU 中的波束成形器性能受到多種因素的影響，例如波束權重的壽命和準度等。此外，有限的波束權重頻率分辨率也會影響 5G 系統(tǒng)的上行鏈路性能，因為通常大約每 12 個子載波之間只共享一個波束權重。這是因為如果每個子載波都應用了單獨的波束權重，前傳 （FH） 接口就會完全飽和。

如何應對這些 UL 性能挑戰(zhàn)？在 RU 中直接執(zhí)行基于參考符號的信道估算和波束權重計算，也就意味著它們可以直接應用于波束成形器，從而實現(xiàn)低時延的信道模型更新及更高性能。通過為每個子載波提供波束權重，也將帶來波束權重頻率分辨率的提高，從而在 UL 環(huán)節(jié)提供更高性能。但這需要額外的計算。幸運的是，賽靈思 Versal ACAP 等最新芯片技術可在低功耗下提供出色的的計算密度，能夠執(zhí)行波束成形算法所需的實時、低時延信號處理。作為Versal AI Core 系列的關鍵組成部分，AI 引擎是實現(xiàn)所需數(shù)學函數(shù)的理想選擇，可提供高計算密度、高級連接以及重新編程和重新配置的功能。此外，ACAP 器件還提供了升級波束成形器所需的更大容量，甚至在部署后還可添加額外的功能。

O-RAN 虛擬化

最后，談到 5G 的未來，我們不能不提到開放 RAN （O-RAN）。5G 運營商正在穩(wěn)步擺脫傳統(tǒng)的專有無線設備，轉(zhuǎn)而采用開放、分解式的 DU/CU 和 RU 方案，從而可為 DU/CU（O-DU 和 O-CU）和 RU （O-RU） 選擇不同的供應商。采用 O-RAN 架構和規(guī)范，運營商不僅可為其 O-RAN 的每個單元選擇更具創(chuàng)新性的方法，而且還可從減少資本支出/運營支出以及降低總體擁有成本 （TCO） 中獲得優(yōu)勢。

無論是 O-RAN 還是虛擬基帶單元 （vBBU），這種“5G虛擬化”都承載著電信公司在邊緣部署各種軟件服務的承諾，如視頻流、游戲或要求嚴格的汽車服務等。隨著支持全新更高帶寬服務的 5G 基礎設施投資的增長，催生出了更大系統(tǒng)加速的需求，以滿足不斷增長的規(guī)模及帶寬需求。為了滿足這種需求，賽靈思為 5G網(wǎng)絡中的 O-RAN 分布式單元 （O-DU） 及 vBBU 提供了 T1 電信加速器卡 （T1 Telco Accelerator Card）。賽靈思電信加速器卡可卸載對時延敏感且吞吐量密集的 5G 基帶功能，從而釋放電信服務器處理器，實現(xiàn)更多精彩的商業(yè)化軟件功能。

圖 2：T1 電信加速器卡

靈活應變的未來

未來的 5G 技術將是什么樣的？沒錯，它必定是靈活應變的。第一輪 5G 已經(jīng)為我們提供了了一幅清晰的成功指標及新一輪挑戰(zhàn)的圖景。顯然，先進的芯片技術是實現(xiàn)5G 愿景的關鍵組成部分， 即以經(jīng)濟可行的方式實現(xiàn)更大容量、優(yōu)化的功耗、成本與性能，以及更優(yōu)質(zhì)和創(chuàng)的新產(chǎn)品與服務。