創(chuàng)新技術推動快速部署新型 5G 產品

作者：賽靈思有線與無線事業(yè)部工程副總裁及歐洲、中東和非洲區(qū)域總經(jīng)理 Brendan Farley

5G 產業(yè)潛力巨大，但行業(yè)如何才能克服成本、功耗與性能等相關挑戰(zhàn)，確保 5G 在第二次浪潮中大獲成功？

無線行業(yè)的未來取決于是否能夠綜合運用先進技術最大化系統(tǒng)性能，同時最優(yōu)化成本與功耗以提供極具競爭力的產品。賽靈思無線工程副總裁及歐洲、中東和非洲區(qū)域總經(jīng)理 Brendan Farley如是說。他認為，無論是從業(yè)務、消費者，還是從經(jīng)濟可行的角度，這都將移動運營商和整個 5G 生態(tài)系統(tǒng)加速部署新型5G 產品和服務的關鍵。

任何精明的商人都知道如何保護自己的投資。對于運營商和他們的 4G 投資來說，同樣如此。現(xiàn)有的 4G 網(wǎng)絡由蜂窩鐵塔和托管無線電接入網(wǎng)不同部分的設施等基礎設施構成，因此運營商如今正在探索如何以這些投資為基礎，升級換代到 5G。例如，大城市等高密度地點需要無線電擴容。采用大規(guī)模多輸入多輸出 (mMIMO) 面板構成 5G 無線電部署的基干，運營商可以利用他們的現(xiàn)有站點，將無源 4G 面板替換為有源 5G 面板，實現(xiàn)站點的升級換代。當然，安裝需要簡便、低成本，硬件需要盡可能經(jīng)濟實用。

更好的成本優(yōu)化

運營商可通過多種方式確保其 5G 網(wǎng)絡基礎設施的成本最優(yōu)化。例如，在用 5G mMIMO 面板升級現(xiàn)有的 4G 站點時采用先進芯片技術，原始設備制造商 (OEM) 就可以構建最符合自己獨特需求的系統(tǒng)。這最終意味著可以針對具體的成本要求和性能以及帶寬標準構建面板。站在運營費用 (OPEX) 的角度，功率放大器 (PA) 常占據(jù)無線電面板功耗消耗的大部分，因此使用最先進的 PA 技術至關重要。此外，mMIMO 面板的外形尺寸也應近似于現(xiàn)有的 4G 無源面板，這樣無需增大空間占用面積就能直接替換。

為了進一步推進 5G 部署，運營商已經(jīng)開始通過共擔 5G 設備的相關成本來進行合作。具體而言，英國的沃達豐 (Vodafone) 和西班牙電信 (Telefónica) 英國公司宣布了共享蜂窩鐵塔和面板基礎設施的計劃。兩家運營商表示，通過簽署網(wǎng)絡共享協(xié)議，雙方可以加快 5G 技術的部署速度，降低 5G 技術的應用成本。根據(jù) 3GPP 規(guī)格，這是一種可行的做法，因為 3GPP 規(guī)格允許運營商在同一個無線電內共享 4G 和 5G，而且無線電可供多家運營商共享。

用于 PA 的氮化鎵技術

在部署 5G 網(wǎng)絡時，功耗是另一個需要解決的關鍵問題。如今，基于橫向擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS) 技術的 PA 是無線電總功耗的主要來源，功耗超過 1,000W。因此，現(xiàn)在正在探索替代性技術的做法可以理解。具體而言，基于氮化鎵 (GaN) 的 PA 已經(jīng)開始興起并已投入實際使用。從帶寬和功率密度要求的角度來看，由于基于氮化鎵的技術在性能上優(yōu)于硅基 LMDOS 技術，因此這種做法具有實際意義。以中國為例，因為 GaN 擁有出色的能效，尤其是在 3.5GHz 這樣的較高頻率上，氮化鎵目前正得到廣泛地使用。使用 GaN 后，PA 的總功耗將大幅降低，而且隨后這將惠及面板的尺寸、體積、重量和成本。

由于 GaN 技術是非線性技術，需要采用經(jīng)過大力強化的數(shù)字預失真 (DPD) 算法，才能讓能效最優(yōu)的 GaN PA 實現(xiàn)線性化。一旦功耗問題成功解決，就可以隨之減小散熱器的體積和重量。使用散熱器的主要目的是散發(fā) RF 段的熱量，因此降低 RF 的功耗后，散熱器的體積和重量也能下降。面板的體積和重量決定了在鐵塔上安裝這些面板所需的安裝工人和使用的設備的數(shù)量。

成本變動幅度可在 2-3 倍，這取決于面板的體積、重量和安裝面板所需的工人數(shù)。

先進的芯片集成

使用 GaN 的數(shù)字流程自動化 (DPA) 需要更強大的性能，并應該能夠處理 400MHz 及以上的帶寬。賽靈思近期推出了一款新產品 Zynq RFSoC DFE。為降低功耗和成本，該產品提供標準單元和 IP 硬化塊功能。這種自適應 RFSoC 平臺集成了比軟邏輯更多的硬化 IP，從而使得其性能和能效更高、成本更低，且兼具靈活性。該器件內置可編程邏輯，允許用戶按需定制和添加自己的算法，而且能夠跟隨標準變化和帶寬變化優(yōu)化和升級自己的設計。這種自適應特性和未來兼容能力是巨大的優(yōu)勢。

此外，硬化的 DPD IP 基于賽靈思經(jīng)量產驗證的軟核 IP，并增強了對先進寬帶 GaN PA 的支持，以提高功耗效率。本質上，由于 5G 的推出會經(jīng)歷互操作方案（如 ORAN、TIP）、新服務提供商和競爭激化引發(fā)的業(yè)務模式突變，Zynq RFSoC DFE 能提供更大的市場敏捷性。該平臺的硬件自適應特性既有利于創(chuàng)新，又能在避免 NRE 的同時提供媲美 ASIC 的種種效益，其中包括為市場新進入者和傳統(tǒng) OEM 廠商降低風險和總體擁有成本 (TCO)。

性能優(yōu)化

在分布式單元 (DU) 方面，眾多運營商受制于 OEM 廠商提供的專有系統(tǒng)，幾乎無法控制這些系統(tǒng)的優(yōu)化。隨著 5G 的興起，3GPP 意味著分解式 （Disaggregated）基站，即分布式單元/中央單元 (DU/CU) 可以被完全虛擬化。一種可行的解決方案就是服務器商品化方案，即運行運營商不僅能夠自己控制，同時還能針對網(wǎng)絡性能和 5G 服務進行優(yōu)化的開放式軟件。站在總體容量增長的角度，DU 和無線電單元 (RU) 之間的劃分，是確保系統(tǒng)容量實現(xiàn) 3-5 倍增長的關鍵。這在很大程度上取決于如何對屬于 DU 的功能和屬于 RU 的功能以及位于 RU 上的計算機進行劃分和架構分割。

上行鏈路性能

更深入地觀察性能優(yōu)化，基帶和無線電之間的正確架構分割是兌現(xiàn)性能承諾的關鍵。在第一次部署浪潮中，特別是上行鏈路 (UL) 部署中，存在某些性能局限，未能實現(xiàn)預期的帶寬和容量。

RU 內波束形成器的性能受多重因素的影響，例如老化和波束權重的精度。此外，有限的波束權重頻率分辨率也影響 5G 系統(tǒng)的上行鏈路性能，因為一般情況下大約每 12 個子載頻僅共享一個波束權重。這是因為如果每個子載頻都施加一個波束權重，那么前傳 (FH) 接口就會徹底飽和。

如何應對這些 UL 性能挑戰(zhàn)呢？如果開展基于參考符號的信道估算并直接在 RU 中計算波束權重，就可以把波束權重直接施加給波束形成器，獲得低時延信道模型更新和更高的性能。通過為每個子載頻提供一個波束權重也能提高波束權重的頻率分辨率，從而大幅提高 UL 的性能。

圖 1：Zynq RFSoC DFE 原理圖

然而要實現(xiàn)這個功能，需要完成更多的計算。幸運的是，賽靈思 Versal ACAP 等最先進的芯片技術能夠在低功耗下提供優(yōu)異的計算密度，從而完成波束形成算法需要的實時、低時延信號處理。AI 引擎是 Versal AI Core 系列的組成部分，非常適合實現(xiàn)所需的數(shù)學功能，不僅提供了高計算密度、先進連接，而且還能夠進行重新編程與重新配置。此外，ACAP 器件還提供所需的額外容量，方便在部署后升級波束形成器和添加更多功能。

O-RAN 虛擬化

最后，在探討 5G 的未來時不能不提及 Open RAN（O-RAN）。5G 運營商正在穩(wěn)步告別傳統(tǒng)的專有無線設備，轉而采用開放的解聚式 DU/CU 和 RU 方法，為 DU/CU（O-DU 和 O-CU）和 RU (O-RU) 選擇不同廠商。在引入 O-RAN 架構和規(guī)格后，運營商可以為他們的 O-RAN 的每個環(huán)節(jié)選擇更創(chuàng)新的方法，并且從降低的資本支出 (CAPEX)/運營成本 (OPEX)和總體擁有成本 (TCO) 中獲益。

無論是 O-RAN 還是虛擬基帶單元 (vBBU)，這種“5G 虛擬化”有望在邊緣部署的電信軟件服務中實現(xiàn)，如視頻流、游戲或要求嚴苛的汽車服務。隨著 5G 基礎設施投資不斷增長，形成對新的更高帶寬服務的支持，需要進一步為系統(tǒng)加速，以滿足不斷增長的規(guī)模和帶寬需求。為解決這方面的需求，賽靈思已經(jīng)面向 5G 網(wǎng)絡中的 O-RAN 分布式單元 (O-DU) 和 vBBU 推出T1 電信加速器卡。賽靈思電信加速器卡將支持卸載時延敏感、吞吐量密集的 5G 基帶功能，釋放電信服務器處理器，時期可以支持 更有意義、更有商業(yè)價值的軟件功能使用。這些加速器卡為 5G 的虛擬化邊緣提供所需的理想性能、功耗和部署簡便性。

靈活應變的未來

未來的 5G 技術將以何種面貌出現(xiàn)？不管怎樣，靈活應變必然是大勢所趨。5G 的第一次浪潮已經(jīng)為我們描繪出清晰的成功指標，以及后續(xù)浪潮中將要面臨的挑戰(zhàn)，顯而易見的是，先進的芯片技術是在經(jīng)濟上可行的條件下兌現(xiàn)增大容量，優(yōu)化功耗、成本和性能，改進并創(chuàng)新產品與服務的 5G 愿景的重要一環(huán)。