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將終端用戶設(shè)備連接到中央電信網(wǎng)絡(luò)和云的無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）以及相關(guān)的核心網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，對(duì)于構(gòu)建無處不在的蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接至關(guān)重要，它將擴(kuò)大該技術(shù)支持的應(yīng)用場景的數(shù)量和廣度。5.制定、開發(fā)和實(shí)施G RAN在戰(zhàn)略核心設(shè)備時(shí)，應(yīng)對(duì)5G要求有深入的了解，了解技術(shù)將在哪里、如何以及何時(shí)發(fā)展，有助于管理預(yù)期。

芯片采購網(wǎng)專注于整合國內(nèi)外授權(quán)IC代理商現(xiàn)貨資源，芯片庫存實(shí)時(shí)查詢，行業(yè)價(jià)格合理，采購方便IC芯片，國內(nèi)專業(yè)芯片采購平臺(tái)。

本文概述了5G總結(jié)了5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和推廣的現(xiàn)狀G RAN為了支持更高的帶寬和更多的應(yīng)用場景，研究了支持更高的帶寬和更多的應(yīng)用場景。最后，本文還解釋了開發(fā)人員如何使用它Achronix現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）技術(shù)應(yīng)對(duì)他們面臨的基本挑戰(zhàn)——通過節(jié)約成本、功耗和面積，將部分工作負(fù)荷從CPU卸載到基于FPGA在加速器上，支持5G RAN優(yōu)化架構(gòu)。

5G部署和宏觀趨勢(shì)

顯然，現(xiàn)在5G下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅用于手機(jī)連接。5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)的發(fā)展可以賦予許多新的應(yīng)用場景，為以前沒有將蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接作為其產(chǎn)品組合的公司開辟新的商機(jī)。5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、汽車、智慧城市等其他應(yīng)用場景的連接不再僅僅是提供電信連接。5G旨在支持家庭、城市和工廠數(shù)十億新設(shè)備（如攝像頭和其他傳感器）的連接，為醫(yī)生和患者提供遠(yuǎn)程醫(yī)療支持、支持和IT整合技術(shù)，全面取代有線連接。

從根本上說，5G蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案比前幾代技術(shù)更具頻譜效率，空氣接口容量顯著增加，結(jié)合波束形成/定向技術(shù)，聚合4G和5G所有這些都得到了很好的利用。

5G基礎(chǔ)設(shè)施部署開始增加，預(yù)計(jì)5G使用速度比4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商更快（MNO）推出的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋10億用戶，比4G提前兩年達(dá)到類似水平。

下表描述了引領(lǐng)未來技術(shù)發(fā)展和演進(jìn)的宏觀趨勢(shì)。

表1 影響5G宏觀趨勢(shì)的演變

宏觀

趨勢(shì)

描述

影響

地緣政治壓力

由于限制西方移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商使用中國供應(yīng)商的設(shè)備，他們更注重建立更廣泛的供應(yīng)商群體，而不僅僅是市場領(lǐng)先的第一陣營供應(yīng)商。同時(shí)，建立更廣泛的供應(yīng)體系的努力也與一系列新的顛覆性措施的實(shí)施相一致，如建立Open RAN和ORAN聯(lián)盟。

● 為了實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商之間的可互換性，需要減少經(jīng)批準(zhǔn)的供應(yīng)商數(shù)量，使標(biāo)準(zhǔn)化接口成為必要的

● ORAN第二陣營供應(yīng)商和新興原始設(shè)備制造商的參考實(shí)現(xiàn)（OEM）能夠提供可替代、更好的解決方案

擴(kuò)展5G應(yīng)用場景

第三代合作伙伴計(jì)劃(3)GPP）的R17和R在18版中，通過增強(qiáng)規(guī)范支持超高可靠性和低延遲通信（URLLC）與大型機(jī)器通信（MMTC）為了支持高連接密度和低延遲決策，他們將更有效地利用無線電資源與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合。

● 中頻段部署的空氣接口流量處理負(fù)荷的顯著增加意味著需要采用新的架構(gòu)來加速中央處理器（CPU）子系統(tǒng)卸載負(fù)載

更多的利益相關(guān)

者

推動(dòng)

5G

發(fā)展

4G技術(shù)的歷史界限越來越模糊，對(duì)技術(shù)感興趣的利益相關(guān)者也越來越多樣化，包括：

● 歷史上沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)能力或知識(shí)的企業(yè)，如云服務(wù)提供商，正在研究如何利用其云專業(yè)知識(shí)5G托管工作負(fù)荷

● 諸如微軟（Microsoft）的Azure和AWS的Outpost Edge部署

● 需要利用5G工業(yè)/汽車企業(yè)解決具體問題

● 那些影響5需要考慮G技術(shù)發(fā)展方向的新進(jìn)入者。應(yīng)考慮如何將云和無線電技術(shù)應(yīng)用于垂直市場（如工業(yè)和汽車），以便不同的參與者能夠在相關(guān)領(lǐng)域帶來專業(yè)知識(shí)。

推動(dòng)5G構(gòu)建模塊的轉(zhuǎn)型

以前的RAN架構(gòu)（2G、3G和4G）基于單塊構(gòu)建模塊，邏輯節(jié)點(diǎn)之間的交互很少。然而，從新無線電（NR）在研究的初始階段，人們認(rèn)為這將是gNodeB基站（gNB，即NR集中式單元邏輯節(jié)點(diǎn)（CU）、分布式單元（DU）和無線電單元（RU）拆分會(huì)帶來更多的靈活性。靈活的硬件和軟件可以支持更具可擴(kuò)展性和成本效益的網(wǎng)絡(luò)部署——但前提是硬件和軟件組件可以相互操作，可以與不同供應(yīng)商的組件組合匹配。

這種拆分化split架構(gòu)(集中單元與分布式單元之間)支持協(xié)調(diào)性能特征、負(fù)載管理和實(shí)時(shí)性能優(yōu)化，適應(yīng)各種應(yīng)用場景。該拆分架構(gòu)還提供了各種應(yīng)用（如游戲、語音和視頻）所需的服務(wù)質(zhì)量（QoS），這些應(yīng)用程序?qū)�傳輸有不同的延遲容忍度和依賴性，以及不同的部署場景，如農(nóng)村和城市，如光纖和無線。下圖介紹了5G部署所需的主要構(gòu)建模塊。

圖1 推動(dòng)5G構(gòu)建模塊的轉(zhuǎn)型

5G不再只是一種RAN，它需要包含從客戶端到數(shù)據(jù)中心的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)。在歷史上，智能位于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的任何一端，包括客戶端、基站和核心網(wǎng)絡(luò)。隨著我們向萬億臺(tái)互聯(lián)設(shè)備邁進(jìn)，MNO為了將數(shù)據(jù)從無線電傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行應(yīng)用處理，然后返回客戶端設(shè)備，無法增加越來越多的容量。例如，如果聯(lián)網(wǎng)圖像傳感器的數(shù)量從今天的4億增加到10億，網(wǎng)絡(luò)流量將從今天的150左右增加 EB增加到400 EB。

解決這一資本支出問題的一種方法是在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中更均勻地分配智能。這種變化需要分配更多的計(jì)算能力來做出更快、更有效的決策。例如，上圖標(biāo)記為多個(gè)接入邊緣的計(jì)算處理（Multi Access Edge Compute Processing）該方框表示支持這種智能分配的附加類型。

上圖中圈出的美元值顯示了過去四年RAN以及網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中設(shè)備支出的估計(jì)成本。無線通信網(wǎng)絡(luò)本身的成本非常巨大，研發(fā)成本高達(dá)1200億美元。

上圖顯示構(gòu)成5G不同單元的無線電網(wǎng)絡(luò)。支持從增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）與大型機(jī)器通信（mMTC），超高可靠，低延遲通信（URLLC）等一系列不同的5G這些單元在網(wǎng)絡(luò)中的物理位置需要靈活確定。例如，該圖表示分布式單元（DU）如何接近無線電單元？（RU）支持5個(gè)獨(dú)立單元的獨(dú)立單元G對(duì)于低延遲和更實(shí)時(shí)的需求，eMBB等非延遲密集型應(yīng)用，DU可以與CU在類似vRAN部署在同一位置。

這種對(duì)靈活性的需求促使用于這些設(shè)計(jì)的構(gòu)建模塊具有相同的靈活性，并支持這些設(shè)計(jì)以各種方式劃分共同單元。SoC處理這些挑戰(zhàn)的重要因素是設(shè)計(jì)的多樣性以及如何實(shí)現(xiàn)加速器功能。

5G RAN哪些應(yīng)用場景需要支持？

作為定義5G國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化局的第一步（ITU-T）確定消費(fèi)者、企業(yè)和行業(yè)現(xiàn)在和未來使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，然后3GPP開始制定所需的標(biāo)準(zhǔn)。GPP新的服務(wù)和市場技術(shù)推廣者研究項(xiàng)目SMARTER在項(xiàng)目的一部分，其團(tuán)隊(duì)確定了蜂窩網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前和未來的先進(jìn)應(yīng)用場景以及所需的特點(diǎn)和功能。

除固定寬帶類別外，該機(jī)構(gòu)還定義了三種移動(dòng)應(yīng)用場景：mMTC、eMBB和URLLC。雖然這些類別的名稱并不特別吸引人，但它們已經(jīng)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語：

● mMTC——大括電池供電在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，引入了大規(guī)模機(jī)器交互的支持。一般來說，這些設(shè)備需要相對(duì)較低的延遲、高度可靠的連接和高能效。它面臨的挑戰(zhàn)是為數(shù)十億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可擴(kuò)展性和一致性的連接，通信頻率相對(duì)較低，通信時(shí)間較短。覆蓋面廣，室內(nèi)滲透性深，成本低也很重要。

● eMBB——如果mMTC主要是解決機(jī)器如何使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，所以eMBB它主要解決了人類如何使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)。這種應(yīng)用場景包括8K視頻流、沉浸式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）、互聯(lián)網(wǎng)交通信息娛樂，支持移動(dòng)寬Bourns代理連接企業(yè)。該類別的關(guān)鍵要求是超高頻譜效率、高數(shù)據(jù)速率和超低中斷時(shí)間。

3GPP的R版本中定義的5G NR滿足所有這些要求。G NR基礎(chǔ)設(shè)施開始擴(kuò)大，這些應(yīng)用場景變得更加廣泛。這一類別可以被視為發(fā)展和變革的結(jié)合，因?yàn)橛梅涓C網(wǎng)絡(luò)連接的筆記本電腦并不完全是新事物，而是沉浸式的AR/VR前幾代蜂窩網(wǎng)絡(luò)中沒有真正實(shí)現(xiàn)其他數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。

● URLLC–作為一種支持超高可靠性和低延遲通信的服務(wù)G一個(gè)真正的革命性方面，因?yàn)樗�提供了在�?shí)際應(yīng)用中尚未出現(xiàn)的性能等級(jí)。增加對(duì)URLLC智能交通等應(yīng)用的支持可以實(shí)現(xiàn)，包括在復(fù)雜的道路條件下導(dǎo)航和避免碰撞的車輛，以及與第四次工業(yè)革命相關(guān)的應(yīng)用場景，包括時(shí)間關(guān)鍵的工廠自動(dòng)化。它還包括遠(yuǎn)程醫(yī)療，包括根據(jù)遠(yuǎn)程醫(yī)生的實(shí)時(shí)指導(dǎo)測量生命體征和自動(dòng)或半自動(dòng)響應(yīng)的設(shè)備，以及遠(yuǎn)程治療，包括救護(hù)車、災(zāi)難或偏遠(yuǎn)地區(qū)的手術(shù)。

在所有這些情況下，連接需要非常穩(wěn)定，并以毫秒級(jí)或更低的端到端延遲速率運(yùn)行。GPP規(guī)范的R16和R17版定義了支持URLLC所需的主要功能。換句話說，URLLC代表著5G即使未來只有幾年。

每個(gè)3GPP標(biāo)準(zhǔn)版本增加了各種功能，旨在解決這三類問題的不同方面。在早期的標(biāo)準(zhǔn)版本中，已經(jīng)解決了今天活躍或即將到來的特定應(yīng)用場景，未來的應(yīng)用場景將在未來的版本中得到解決——所有這些都是5G部分可持續(xù)發(fā)展。

圖2 5G應(yīng)用場景分類

滿足3GPP的R17和R18版本要求演進(jìn)

5G演變帶來了一系列參與的新標(biāo)準(zhǔn)ETSI 3GPP多家組織公司的認(rèn)可。G標(biāo)準(zhǔn)演變可能帶來哪些技術(shù)要求？

下圖顯示了3GPP新標(biāo)準(zhǔn)制定過程的現(xiàn)狀。G網(wǎng)絡(luò)中部署的設(shè)備主要由3組成GPP規(guī)范R15版本和R16版本中規(guī)定的技術(shù)組成。由此產(chǎn)生的更先進(jìn)的應(yīng)用場景和網(wǎng)絡(luò)需求將由3組成GPP未來版本的規(guī)范（R17和R18版)滿足。

今天，3GPP已經(jīng)通過了R17版本（Rel-17)工作中點(diǎn)，計(jì)劃在2022年中期發(fā)布。同時(shí)，圍繞R18版本（Rel-18)目標(biāo)范圍的討論正在順利進(jìn)行。GPP將Rel-18及其后續(xù)版本稱為5G Advanced，確認(rèn)該技術(shù)的發(fā)展。

Rel-17功能旨在提高現(xiàn)有和新應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)性能。下圖分為三類：

空氣接口及管理功能：

● 上下拆分L1處理和卸載 – 用于上下信道的上下信道L1內(nèi)核加速

● 復(fù)雜的L1 MAC調(diào)度加速

● 頻譜效率、波束管理和動(dòng)態(tài)頻譜共享

● 靈活的DFE處理/卸載

連接與安全：

● eCPRI卸載和處理（Split 7.x DU/RU靈活性）

● 回傳和安全卸載

● 包括緩沖區(qū)和隊(duì)列管理在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)處理和平衡

加速計(jì)算和應(yīng)用：

● C和U平面管理:機(jī)器學(xué)習(xí)/人工智能應(yīng)用于用戶路徑選擇策略（ML/AI）

● 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析

● 將邊緣計(jì)算托管放置在更接近無線電單元的地方

● 基于應(yīng)用習(xí)的無線電和基于應(yīng)用的處理

本文將在下一章中詳細(xì)討論這些類別和特征。

圖3 3GPP規(guī)范新版本的時(shí)間表

Rel-18或5G Advanced（5G-A）在Rel-在此基礎(chǔ)上，通過將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)集成到無線電和網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中，提供更智能的網(wǎng)絡(luò)解決方案，支持更多的新應(yīng)用場景，提高網(wǎng)絡(luò)效率。針對(duì)無線電的變化，Rel-18(先進(jìn)天線系統(tǒng))是支持提高頻譜效率的主要工具，進(jìn)一步加強(qiáng)波束形成和大規(guī)模多輸入/多輸出（MIMO），特別是在中頻段，低于6 GHz的頻譜中。

就5G-A對(duì)于新的應(yīng)用場景，除了汽車和工業(yè)，還有國家安全和公共安全應(yīng)用。這些新功能可用于支持無人機(jī)遠(yuǎn)程控制和惡意無人機(jī)檢測。

5G下一代網(wǎng)絡(luò)推動(dòng)了對(duì)多元化解決方案的需求

影響平臺(tái)多樣性的驅(qū)動(dòng)因素很多。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商一直希望基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化他們的網(wǎng)絡(luò)（NFV）用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）在商業(yè)現(xiàn)成技術(shù)方面，（COTS）運(yùn)行在服務(wù)器上。然而，Achronix認(rèn)為單一的同質(zhì)化設(shè)計(jì)不能滿足5G所有發(fā)展要求。不同的工作負(fù)需求，不同的工作負(fù)載給網(wǎng)絡(luò)帶來了不同的壓力。

新的架構(gòu)將能夠在集中單元和分布式單元之間靈活地拆分和移動(dòng)5G NR該架構(gòu)的功能包括：

● 硬件實(shí)現(xiàn)更靈活，支持更具可擴(kuò)展性和成本效益的解決方案。

● 可根據(jù)應(yīng)用場景協(xié)調(diào)性能特征、負(fù)載管理、實(shí)時(shí)性能優(yōu)化等功能NFV/SDN技術(shù)。

● 不同的部署場景可以賦能eMBB、uRLLC和mMTC等待不同的應(yīng)用場景。另一方面，通過適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)/架構(gòu)(如ORAN）通過網(wǎng)絡(luò)切割等新功能，動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源，支持無線電技術(shù)的發(fā)展。

新的網(wǎng)絡(luò)/功能切割可能會(huì)影響不同設(shè)備和系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）需要選擇。

圖4 應(yīng)用場景、切割和多樣性

上圖顯示了3GPP為了支持新興的應(yīng)用場景和相應(yīng)的不同流量類型，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的不同選項(xiàng)被劃分。圖中顯示L1、L2和L3的不同split，以及在CU、DU和RU相應(yīng)運(yùn)行的不同功能。最受歡迎的兩個(gè)選項(xiàng)之一是：

● L2 Option 6 split，此時(shí)，上層功能集中在網(wǎng)絡(luò)上，但與無線電相關(guān)的特定流量調(diào)度和無線電鏈路控制被推到更接近射頻網(wǎng)絡(luò)的位置。

● L1 Option 7.x split，此時(shí)上層的L1處理集中在L2和L功能，只有下層L1 Phy填充功能RU中。

下圖以圖形形式顯示5G NR挑戰(zhàn)是支持一些新天線配置所需的大量處理性能。圖中左側(cè)為2路發(fā)送和2路接收T2R）的低頻段（20 MHz）MIMO右側(cè)為64路發(fā)送和64路接收(64T64R）的中頻段（100 MHz）天線。有可能實(shí)現(xiàn)頻譜共享、雙連接和4G載波聚合。這些中頻段需要支持小于0.5 ms傳輸間隔，以及大量的波束形成和定向處理。

因此，如下圖所示，此時(shí)所需的計(jì)算能力，特別是L隨著這些更高的帶寬，1處理所需的計(jì)算能力開始呈指數(shù)級(jí)增長。空氣接口的第一層處理，以及管理中頻頻譜波束的形成和定向，需要比低頻部署更高的處理要求。

圖5 5G低頻和中頻頻譜所需的處理負(fù)載(來源:愛立信博客)

為了滿足L1對(duì)于處理負(fù)荷的要求，行業(yè)必須考慮引入不同的異構(gòu)解決方案，以有效滿足處理需求（從性能和功耗的角度來看）。再加上新的網(wǎng)絡(luò)/功能split，這些新的解決方案可能會(huì)帶來多樣化的設(shè)備和SoC選項(xiàng)需求。因此，單一的同質(zhì)化解決方案并不能滿足所有的需求RAN需求。

5G設(shè)備的分布促進(jìn)了對(duì)靈活性和加速功能的需求

在Rel-17和Rel-18中提出的新要求促進(jìn)了更高的靈活性和單一性CPU加速架構(gòu)子系統(tǒng)卸載負(fù)載的要求。下圖顯示了5G網(wǎng)絡(luò)中的主要單元：RU、DU和CU。對(duì)于這些單的每一個(gè)都需要考慮如何使用原因CPU、DSP和加速器(例如GPU、FPGA和eFPGA）異構(gòu)結(jié)構(gòu)，以滿足這些新設(shè)計(jì)的延遲、功耗、面積和成本目標(biāo)。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商一直希望盡可能多地利用云原生和基于軟件的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)一切RAN功能（基于RAN以集中部署為基礎(chǔ)x86或Arm的CPU運(yùn)行在平臺(tái)上的解決方案可以最大限度地提高靈活性。研究表明，低頻段部署(約600-700 MHz，服務(wù)帶寬為50-25 Mbps），可以進(jìn)行基帶和控制CPU平臺(tái)提供最小加速卸載服務(wù)。其結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了集中DU和CU用光纖連接功能RU，在無線電中只有最少的處理功能。

一個(gè)可以用于各種部署COTS處理單個(gè)服務(wù)器CPU低頻段單元內(nèi)核的所有事務(wù)。對(duì)于這些類型的部署，將軟件中的所有內(nèi)容作為虛擬化或容器工作負(fù)載運(yùn)行是可行的。從圖中可以看出，DU中的L2 功能以及L1的大部分處理都可以和CU核心網(wǎng)絡(luò)功能位于小型服務(wù)器中。

然而，隨著各種部署轉(zhuǎn)向6 GHz以下中頻段，如3.5至3.6 GHz正如前圖所示，無線電處理(包括L1模塊中的基帶功能和L模塊中的大部分功能)幾乎呈指數(shù)級(jí)增長。在這種情況下，下行和上行處理負(fù)荷將增加20-40倍。在沒有加速功能的情況下，運(yùn)行一個(gè)負(fù)載完整的中頻段單元需要超過16個(gè)x86內(nèi)核。然而，這樣一個(gè)系統(tǒng)的成本和功耗在商業(yè)上是不可行的，因此有必要使用一些系統(tǒng)L1層和L將2層功能卸載到特殊硬件中，硬件加速器要么位于未來日益突出CU要么分布在遠(yuǎn)程DU和RU它更接近無線電接口。

圖6 5G設(shè)備的分散促進(jìn)了對(duì)更高靈活性和加速功能的需求

除了CNF/VNF此外，這里列出的項(xiàng)目是從x86、Arm或R5 CPU將工作負(fù)載卸載到子系統(tǒng)硬件加速器的理想選擇。

● 網(wǎng)絡(luò)處理和分類管理在盒子之間的界面上，包括傳輸/后傳/安全界面，eCPRI前傳接口，或需要流量管理器、分類器等的地方

● L處理和波束形成是另一個(gè)必須加速的領(lǐng)域DSP或eFPGA實(shí)現(xiàn)加速功能的技術(shù)或兩者兼而有之，這對(duì)最大化吞吐量和優(yōu)化功耗至關(guān)重要。

此外，在2025年之前，幾乎所有RAN SoC默認(rèn)要求可能是加速機(jī)器學(xué)習(xí)——這個(gè)功能不僅可以應(yīng)用于5G學(xué)習(xí)和推理功能也可學(xué)習(xí)和推理功能也可以應(yīng)用于RAN L物理層的增強(qiáng)。研究表明，AI/ML可顯著提高L1 PHY第一個(gè)研究領(lǐng)域是性能AI/ML波束管理、信道估、信道估算和預(yù)測。

5G Advanced、eFPGA和FPGA加速

未來，F(xiàn)PGA和eFPGA技術(shù)可用于5G設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。正如前面討論的，可編程性和計(jì)算效率之間總是有利弊權(quán)衡。CPU基于圖形處理器的終極可編程性（GPU）、FPGA和專用集成電路（ASIC）硬件解決方案總是提供更低功耗的優(yōu)勢(shì)，但靈活性大大降低。

從歷史上看，F(xiàn)PGA蜂窩網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于前幾代。G和4G在設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的重要組成部分是圍繞獨(dú)立性FPGA設(shè)計(jì)FPGA用于加速空氣接口的某些功能，用于基帶單元的空氣接口處理DSP緊密結(jié)合。FPGA還用于CPRI連接的傳輸和安全接口、底盤接口、回傳和安全接口。

在ASIC中集成FPGA功能可使5G解決了設(shè)計(jì)面臨的一些挑戰(zhàn)。與獨(dú)立FPGA相比，在SoC中集成eFPGA由于設(shè)計(jì)人員只能選擇嵌入所需的資源，同時(shí)減少電路板面積，增加包裝I/O。在與CPU和DSP資源緊密耦合SoC集成可以提供更高的帶寬、更低的延遲和更低的功耗，并隨著規(guī)格的變化實(shí)時(shí)升級(jí)部署的設(shè)備，以提高靈活性。

圖7 5G Advanced：用于加速異構(gòu)計(jì)算eFPGA IP和FPGA

上圖顯示了如何使用紅色方框Achronix eFPGA和FPGA將靈活性集成到新技術(shù)中RU、DU和CU在設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)方法可以是獨(dú)立的設(shè)備和單片SoC，也可以在chiplet在多芯封閉模塊中包裝成晶粒。

對(duì)于CU和核心RAN可以使用一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序FPGA為了幫助服務(wù)器卸載特定網(wǎng)絡(luò)和無線電的各種工作負(fù)載，支持非常高的數(shù)據(jù)速率和計(jì)算密度。

Achronix與該領(lǐng)域的許多合作伙伴合作，他們正在開發(fā)有針對(duì)性的解決方案。Napatech和Accolade公司正在開發(fā)智能網(wǎng)卡（SmartNIC）的FPGA半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）。這些SmartNIC可用于各種不同的5G需求，包括基礎(chǔ)vRAN部署的DU。由此產(chǎn)生的設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)，PDCP、安全(空中接口和回傳)，OVS和L卸載技術(shù)。在未來，這些解決方案也可能用于多接入邊緣計(jì)算的機(jī)器學(xué)習(xí)推理，特別是無線電應(yīng)用。

上圖中的紅色單元代表RU和DU中的eFPGA以及如何將一個(gè)或多個(gè)嵌入式功能FPGA（eFPGA）邏輯塊與CPU、DSP與存儲(chǔ)子系統(tǒng)集成SoC設(shè)計(jì)中。

在SoC上集成eFPGA

eFPGA集成到定制SoC或ASIC中的內(nèi)核。該IP它可以通過購買授權(quán)獲得和使用，類似于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中使用的其他IP。與獨(dú)立FPGA不同的設(shè)計(jì)過程，eFPGA設(shè)計(jì)師可應(yīng)用的需要，設(shè)計(jì)師可以選擇確切數(shù)量的邏輯，DSP存儲(chǔ)資源。進(jìn)入大批量生產(chǎn)時(shí)，eFPGA也可以代替獨(dú)立FPGA降低系統(tǒng)成本、功耗和電路板面積。

Speedcore eFPGA IP結(jié)構(gòu)包含多種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)功能，可顯著提高性能，降低功耗，縮小芯片面積。Speedcore eFPGA設(shè)計(jì)師可以選擇架構(gòu)單元的最佳組合，包括：

● 邏輯 – 6輸入查找表（LUT）廣泛集成MUX功能及快速加法器

● 邏輯RAM – 對(duì)于LRAM2k，每個(gè)存儲(chǔ)塊的容量為2 kb；對(duì)于LRAM4k，每個(gè)存儲(chǔ)塊的容量為4 kb

● 塊RAM – 對(duì)于BRAM72k，每個(gè)存儲(chǔ)塊的容量為72 kb；對(duì)于BRAM20k，每個(gè)存儲(chǔ)塊的容量為20 kb

● DSP64 – 每個(gè)單元塊18 × 27乘法器，累加器64，預(yù)加器27

● 機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（MLP） – 每個(gè)單元塊有32個(gè)乘法器/累加器（MAC），支持整數(shù)和浮點(diǎn)格式

在基于SoC集成設(shè)計(jì)eFPGA功能是最大限度地提供靈活可擴(kuò)展平臺(tái)的理想方式RAN設(shè)計(jì)性能，仍能滿足這些新設(shè)計(jì)的嚴(yán)格功耗目標(biāo)。eFPGA提供獨(dú)立的技術(shù)FPGA除了優(yōu)勢(shì)，還可以提供一些額外的優(yōu)勢(shì):

● 與CPU或GPU基于相同計(jì)算能力的方案eFPGA設(shè)計(jì)功耗較低，功能可靈活增加和更改。

● eFPGA可重新配置的特性提供了靈活性，以滿足持續(xù)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，并可以更新現(xiàn)場部署的設(shè)備

● 低延遲、高能效、高度靈活eFPGA IP塊可以在多個(gè)SoC在設(shè)計(jì)中重復(fù)使用

將FPGA功能與CPU、DSP與存儲(chǔ)子系統(tǒng)緊密耦合也帶來了優(yōu)勢(shì)。獨(dú)立的FPGA芯片集成在自己和其他芯片上SerDesS/PHY它們都需要消耗電能來連接它們。將eFPGA集成到SoC在設(shè)計(jì)中，以消除兩側(cè)芯片對(duì)SerDes需要接口，只需要部署你實(shí)際需要的功能，所以當(dāng)然可以節(jié)省芯片面積。

設(shè)計(jì)師可以選擇單個(gè)或多個(gè)集成eFPGA例如，它們可以集成在一起SoC在任何地方，它的大小都可以從幾千個(gè)LUT擴(kuò)展到幾十萬LUT。這些eFPGA實(shí)例可以與CPU通過共享緩存和存儲(chǔ)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)緊密耦合，執(zhí)行高性能、低延遲的任務(wù)。例如，Arm提供的可CHI-E作為其架構(gòu)的一部分，總線支持一致的網(wǎng)絡(luò)連接，從而支持一些應(yīng)用程序CPU高負(fù)荷卸載eFPGA對(duì)單元塊進(jìn)行專項(xiàng)處理。

圖8 使用eFPGA來滿足ASIC/SoC中的5G Advanced功能：RU、DU（和CU）實(shí)現(xiàn)

Speedcore eFPGA該技術(shù)已經(jīng)過量產(chǎn)驗(yàn)證。我們的客戶已經(jīng)為這些類型的應(yīng)用程序提供了超過1000萬搭載IP包括支持在內(nèi)的種功能，包括支持eCPRI無線電數(shù)字前端適用于數(shù)字預(yù)失真（DFE）算法功能卸載、波束形成卸載和帶Split L1（I/FFT、RACH、LDPC等)基帶重新分隔。

eFPGA作為5G NR功能加速器

Achronix目標(biāo)是使用Speedster獨(dú)立FPGA芯片和Speedcore eFPGA IP技術(shù)來滿足5G-A和6G的需求。Achronix致力于與合作伙伴開發(fā)各種解決方案，以應(yīng)對(duì)影響5G當(dāng)前和長期的發(fā)展趨勢(shì)。Achronix該技術(shù)可以提供的一些優(yōu)點(diǎn)包括：

● 用于加速各種5G高性能架構(gòu)的工作負(fù)荷——Achronix為每個(gè)功耗/面積預(yù)算提供高性能的解決方案，并支持FPGA和eFPGA技術(shù)以優(yōu)異的能效加速工作負(fù)荷。

● 多樣化的解決方案和生態(tài)系統(tǒng)——Achronix支持設(shè)計(jì)師自由緊密耦合定制加速器eFPGA和FPGA為環(huán)境提供補(bǔ)充操作。Achronix生態(tài)系統(tǒng)包括廣泛的合作伙伴，共同推廣包括eCPRI、無線電卸載和芯片到芯片（C2C）互連等5G功能創(chuàng)新。

● 可從云擴(kuò)展到無線電接口——Achronix解決方案為服務(wù)器卸載工作負(fù)載提供了性能，包括適用于5G應(yīng)用的FPGA SmartNIC設(shè)計(jì)，通過eFPGA滿足擴(kuò)展性能RAN吞吐量和功耗需求。此外，該架構(gòu)可以擴(kuò)展到其中的所有點(diǎn)。

本文重點(diǎn)介紹5G主要挑戰(zhàn)：

● 數(shù)據(jù)處理-5為了達(dá)到更高的頻譜效率，滿足端到端的延遲要求G RAN在數(shù)據(jù)處理中需要執(zhí)行更復(fù)雜的算法。考慮到這些算法的需要，在硬件和軟件任務(wù)之間找到適當(dāng)?shù)钠胶馐呛苤匾�的，這樣系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)其性能、功耗和成本的目標(biāo)。CPU卸載子系統(tǒng)中的工作負(fù)荷，eFPGA是理想的選擇。

● 部署場景-給定場景RAN由于每個(gè)應(yīng)用場景，支持的特定應(yīng)用場景對(duì)整個(gè)系統(tǒng)都有很大的影響（mMTC、eMBB、URLLC）它們都有自己獨(dú)特的特點(diǎn)。一個(gè)方案可能不適用于所有場景。決定如何在不同的設(shè)備之間劃分網(wǎng)絡(luò)功能，以支持給定的應(yīng)用場景集RAN設(shè)計(jì)。

● 無線電和頻譜-5G在低頻段(低于1)使用更多頻譜 GHz）、中頻段（1 GHz至2.6 GHz或3.5 GHz至8 GHz）和高頻段（24 GHz至40 GHz）操作。每個(gè)頻段對(duì)邊緣性能、容量、速度和延遲都有自己的要求。隨著新頻譜資產(chǎn)的可用性，這些不同的要求需要由RAN滿足系統(tǒng)。

● 供應(yīng)鏈和生態(tài)系統(tǒng)-5G供應(yīng)鏈正在以各種方式被逆轉(zhuǎn)。一些計(jì)劃旨在減少對(duì)供應(yīng)商的依賴，而專有和開放軟件平臺(tái)的可用性也在增加。基礎(chǔ)設(shè)施的支持水平也因地區(qū)而異。原始設(shè)備制造商（OEM）他們的生態(tài)系統(tǒng)伙伴關(guān)系可能需要重新評(píng)估和修正。

● 新標(biāo)準(zhǔn)-5G為了支持新的應(yīng)用場景和附加功能，標(biāo)準(zhǔn)演變的投資規(guī)模巨大。特別是Rel-17和Rel-許多新的應(yīng)用場景將得到支持。除了3GPP，還有一些獨(dú)立的行業(yè)組織，如電信基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目（TIP）和Open RAN聯(lián)盟（O-RAN），他們致力于5G操作和部署工作。越來越多的人傾向于O-RAN聯(lián)盟是促進(jìn)接口標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的關(guān)鍵行業(yè)組織。

總結(jié)

無線接入網(wǎng)和5G網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。將設(shè)備形式從今天的基帶和無線電功能分散到一個(gè)單獨(dú)的盒子中，要求該功能可能位于網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)不同部分，以支持不同的可選性split項(xiàng)。未來，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將需要利用切割技術(shù)動(dòng)態(tài)劃分網(wǎng)絡(luò)功能。隨著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化，在商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化中使用和運(yùn)行（COTS）容器化和虛擬化功能將在服務(wù)器上變得非常普遍。然而，5G成功取決于實(shí)現(xiàn)靈活可擴(kuò)展的平臺(tái)，支持功耗、吞吐量和延遲L天線中大規(guī)模MIMO特別是在RAN中。在網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中，邊緣計(jì)算等新功能需要將機(jī)器學(xué)習(xí)功能推向更接近無線電接口的位置。帶有CPU和DSP功能可擴(kuò)展，異構(gòu)SoC結(jié)構(gòu)可以卸載工作負(fù)荷FPGA和基于ASIC、SoC、ASSP的eFPGA由于能夠滿足近期和中期期的5G廣泛采用規(guī)范變化。

總之，eFPGA IP它是應(yīng)對(duì)這些新設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵因素，因?yàn)樗�具有可擴(kuò)展功能來滿足3GPP R17和R18即5G Advanced和6G實(shí)現(xiàn)一些未知功能的新規(guī)范。