——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(wú)線工程副總裁及EMEA 總經(jīng)理

未來(lái)的無(wú)線時(shí)代，是業(yè)界借助各類先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)出強(qiáng)有力的產(chǎn)品，最大限度地提高系統(tǒng)性能，并同時(shí)優(yōu)化成本與功耗。這一趨勢(shì)，將為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商，以及包括企業(yè)、消費(fèi)者和經(jīng)濟(jì)實(shí)體在內(nèi)的整個(gè) 5G 生態(tài)系統(tǒng)，開(kāi)啟全新 5G 產(chǎn)品及服務(wù)部署的大門。5G 技術(shù)潛力巨大，但業(yè)界應(yīng)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(hù)好自身投資的重要性，這同樣也適用于運(yùn)營(yíng)商及其 4G 投資。現(xiàn)有的 4G 網(wǎng)絡(luò)由基站和承載無(wú)線接入網(wǎng)組成部分的各類基礎(chǔ)設(shè)施組成，因此，當(dāng)今的運(yùn)營(yíng)商正在探索如何立足原有投資進(jìn)行拓展，將其升級(jí)成 5G 網(wǎng)絡(luò)。例如，城市等高密度應(yīng)用區(qū)域需要額外的無(wú)線信號(hào)載量?；诤Ａ慷噍斎攵噍敵?（mMIMO） 面板構(gòu)建 5G 無(wú)線骨干網(wǎng)，運(yùn)營(yíng)商可將無(wú)源 4G 面板替換為有源 5G 面板對(duì)現(xiàn)有基站進(jìn)行升級(jí)。當(dāng)然，安裝不僅要簡(jiǎn)單，而且還要低成本，因此必須選擇最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的硬件。

改善成本優(yōu)化

運(yùn)營(yíng)商可通過(guò)多種方法確保其 5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施是成本優(yōu)化的。例如，在使用 5G mMIMO 面板升級(jí)現(xiàn)有 4G 基站時(shí)，采用先進(jìn)芯片技術(shù)，意味著原始設(shè)備制造商 （OEM） 可以構(gòu)建最適合自身獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)來(lái)構(gòu)建。在運(yùn)營(yíng)成本 （OPEX） 方面，功率放大器 （PA） 將左右無(wú)線電面板的功耗，因此使用最新的 PA 技術(shù)極為關(guān)鍵。此外，mMIMO 面板的外形應(yīng)與現(xiàn)有的 4G 無(wú)源面板相近，這樣無(wú)需改造安裝空間就可以進(jìn)行直接替換。

為進(jìn)一步推動(dòng) 5G 產(chǎn)品的部署，運(yùn)營(yíng)商之間開(kāi)始通力合作，分擔(dān) 5G 設(shè)備的相關(guān)成本。例如，沃達(dá)豐和西班牙電信公司在英國(guó)宣布了共享基站和面板基礎(chǔ)設(shè)施的計(jì)劃。這兩家運(yùn)營(yíng)商表示，該網(wǎng)絡(luò)共享協(xié)議將幫助他們加快 5G 技術(shù)的部署并降低部署成本。這一協(xié)議的達(dá)成，來(lái)自 3GPP 規(guī)范的支持，運(yùn)營(yíng)商能夠在同一個(gè)設(shè)備中共享 4G 和 5G 信號(hào)，且設(shè)備也可以由多個(gè)運(yùn)營(yíng)商共享。

GaN 功放技術(shù)

在 5G 網(wǎng)絡(luò)的部署中，功耗是另一大亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前，基于橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 （LDMOS） 技術(shù)的 PA， 占據(jù)著無(wú)線應(yīng)用功放的市場(chǎng)主導(dǎo)地位，其功耗超過(guò)了 1KW。因此，業(yè)界正在大力探索替代技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，基于氮化鎵 （GaN） 的 PA 一經(jīng)興起就已開(kāi)始被部署，因?yàn)榛?GaN 的技術(shù)在帶寬和功率密度要求方面超過(guò)了現(xiàn)有的基于芯片的 LMDOS 技術(shù)，所以這一趨勢(shì)意義非凡。以中國(guó)市場(chǎng)應(yīng)用為例，GaN 由于極高的能效得到了廣泛應(yīng)用，普遍用于 3.5 GHZ 等高頻率場(chǎng)景。GaN 可以顯著改善 PA 整體功耗，這對(duì)面板的尺寸、體積、重量和成本構(gòu)成了連鎖效應(yīng)。

由于 GaN 技術(shù)是非線性的，因此需要提供更強(qiáng)大的數(shù)字預(yù)失真 （DPD） 算法來(lái)線性化最節(jié)能的 GaN PA。一旦解決了功耗問(wèn)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(guò)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(chǎng)安裝人員的數(shù)量以及在信號(hào)塔中安裝此類面板所需要的設(shè)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(jìn)芯片的集成技術(shù)

基于 GaN 的數(shù)字過(guò)程自動(dòng)化 （DPA） 必須更加強(qiáng)大，而且處理 400MHz 以上帶寬的能力也至關(guān)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(biāo)準(zhǔn)蜂窩 IP 硬模塊功能，支持低功耗與低成本。自適應(yīng) RFSoC 平臺(tái)集成比軟邏輯更多的硬化 IP，從而實(shí)現(xiàn)了高性能、低功耗及低成本的靈活應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)和帶寬的變化而優(yōu)化和升級(jí)其設(shè)計(jì)。這種靈活應(yīng)變能力以及適應(yīng)未來(lái)永不過(guò)時(shí)的特性，具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

此外，硬化的 DPD IP 基于賽靈思量產(chǎn)驗(yàn)證的軟 IP 核而開(kāi)發(fā)，并為支持高級(jí)寬帶 GaN PA而強(qiáng)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(wù)提供商以及更激烈的競(jìng)爭(zhēng)驅(qū)動(dòng)下，5G 的部署面臨顛覆性的業(yè)務(wù)模式，硬化的 DPD IP所帶來(lái)的市場(chǎng)敏捷性彌足珍貴。該平臺(tái)硬件靈活應(yīng)變的特性不僅有助于創(chuàng)新，同時(shí)還可提供 ASIC 所具備的同等優(yōu)勢(shì)，無(wú)需 NRE 即可為新市場(chǎng)進(jìn)入者以及傳統(tǒng) OEM 廠商等用戶，降低風(fēng)險(xiǎn)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(shí)，許多運(yùn)營(yíng)商都被束縛在 OEM 廠商提供的專有系統(tǒng)上，對(duì)此類系統(tǒng)的優(yōu)化幾乎沒(méi)有控制權(quán)。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(gè)可行的解決方案可能是商品化的服務(wù)器方案，它運(yùn)行開(kāi)放的軟件，運(yùn)營(yíng)商可針對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和 5G 服務(wù)進(jìn)行自主控制及優(yōu)化。在整體容量增益方面，DU 和 無(wú)線電單元（RU）之間的分區(qū)是確保實(shí)現(xiàn) 3- 5 倍系統(tǒng)容量提升的關(guān)鍵。這在很大程度上取決于 DU 功能與 RU 內(nèi)計(jì)算機(jī)和功能之間的分區(qū)與架構(gòu)分割。

上行鏈路性能

更深入研究性能優(yōu)化時(shí)，基帶和無(wú)線電之間正確的架構(gòu)分配是獲得性能承諾的關(guān)鍵。第一輪部署中，特別是在上行聯(lián)絡(luò) （UL）中存在一些性能限制，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)預(yù)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(quán)重的壽命和準(zhǔn)度等。此外，有限的波束權(quán)重頻率分辨率也會(huì)影響 5G 系統(tǒng)的上行鏈路性能，因?yàn)橥ǔ４蠹s每 12 個(gè)子載波之間只共享一個(gè)波束權(quán)重。這是因?yàn)槿绻總€(gè)子載波都應(yīng)用了單獨(dú)的波束權(quán)重，前傳 （FH） 接口就會(huì)完全飽和。

如何應(yīng)對(duì)這些 UL 性能挑戰(zhàn)？在 RU 中直接執(zhí)行基于參考符號(hào)的信道估算和波束權(quán)重計(jì)算，也就意味著它們可以直接應(yīng)用于波束成形器，從而實(shí)現(xiàn)低時(shí)延的信道模型更新及更高性能。通過(guò)為每個(gè)子載波提供波束權(quán)重，也將帶來(lái)波束權(quán)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(jì)算。幸運(yùn)的是，賽靈思 Versal ACAP 等最新芯片技術(shù)可在低功耗下提供出色的的計(jì)算密度，能夠執(zhí)行波束成形算法所需的實(shí)時(shí)、低時(shí)延信號(hào)處理。作為Versal AI Core 系列的關(guān)鍵組成部分，AI 引擎是實(shí)現(xiàn)所需數(shù)學(xué)函數(shù)的理想選擇，可提供高計(jì)算密度、高級(jí)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(jí)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(lái)，我們不能不提到開(kāi)放 RAN （O-RAN）。5G 運(yùn)營(yíng)商正在穩(wěn)步擺脫傳統(tǒng)的專有無(wú)線設(shè)備，轉(zhuǎn)而采用開(kāi)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(yīng)商。采用 O-RAN 架構(gòu)和規(guī)范，運(yùn)營(yíng)商不僅可為其 O-RAN 的每個(gè)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(yùn)營(yíng)支出以及降低總體擁有成本 （TCO） 中獲得優(yōu)勢(shì)。

無(wú)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(wù)的承諾，如視頻流、游戲或要求嚴(yán)格的汽車服務(wù)等。隨著支持全新更高帶寬服務(wù)的 5G 基礎(chǔ)設(shè)施投資的增長(zhǎng)，催生出了更大系統(tǒng)加速的需求，以滿足不斷增長(zhǎng)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(luò)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(duì)時(shí)延敏感且吞吐量密集的 5G 基帶功能，從而釋放電信服務(wù)器處理器，實(shí)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(yīng)變的未來(lái)

未來(lái)的 5G 技術(shù)將是什么樣的？沒(méi)錯(cuò)，它必定是靈活應(yīng)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(biāo)及新一輪挑戰(zhàn)的圖景。顯然，先進(jìn)的芯片技術(shù)是實(shí)現(xiàn)5G 愿景的關(guān)鍵組成部分， 即以經(jīng)濟(jì)可行的方式實(shí)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(wù)。