创新技术推动快速部署新型 5G 产品

作者:Brendan Farley ,赛灵思有线与无线事业部工程副总裁及欧洲、中东和非洲区域总经理

5G 产业潜力巨大,但行业如何才能克服成本、功耗与性能等相关挑战,确保 5G 在第二次浪潮中大获成功?

无线行业的未来取决于是否能够综合运用先进技术最大化系统性能,同时最优化成本与功耗以提供极具竞争力的产品。赛灵思无线工程副总裁及欧洲、中东和非洲区域总经理 Brendan Farley如是说。他认为,无论是从业务、消费者,还是从经济可行的角度,这都将是移动运营商和整个 5G 生态系统加速部署新型5G 产品和服务的关键。

任何精明的商人都知道如何保护自己的投资。对于运营商和他们的 4G 投资来说,同样如此。现有的 4G 网络由蜂窝铁塔和托管无线电接入网不同部分的设施等基础设施构成,因此运营商如今正在探索如何以这些投资为基础,升级换代到 5G。例如,大城市等高密度地点需要无线电扩容。通过采用大规模多输入多输出 (mMIMO) 面板构成 5G 无线电部署的基干,运营商就可以利用他们的现有站点,将无源 4G 面板替换为有源 5G 面板,实现站点的升级换代。当然,安装需要简便、低成本,硬件需要尽可能经济实用。

更好的成本优化

运营商可通过多种方式确保其 5G 网络基础设施的成本最优化。例如,在用 5G mMIMO 面板升级现有的 4G 站点时采用先进芯片技术,原始设备制造商 (OEM) 就可以构建最符合自己独特需求的系统。这最终意味着可以针对具体的成本要求和性能以及带宽标准构建面板。站在运营费用 (OPEX) 的角度,功率放大器 (PA) 常占据无线电面板功耗消耗的大部分,因此使用最先进的 PA 技术至关重要。此外,mMIMO 面板的外形尺寸也应近似于现有的 4G 无源面板,这样无需增大空间占用面积就能直接替换。

为了进一步推进 5G 部署,运营商已经开始通过共担 5G 设备的相关成本来进行合作。具体而言,英国的沃达丰 (Vodafone) 和西班牙电信 (Telefónica) 英国公司宣布了共享蜂窝铁塔和面板基础设施的计划。两家运营商表示,通过签署网络共享协议,双方可以加快 5G 技术的部署速度,降低 5G 技术的应用成本。根据 3GPP 规格,这是一种可行的做法,因为 3GPP 规格允许运营商在同一个无线电内共享 4G 和 5G,而且无线电可供多家运营商共享。

用于 PA 的氮化镓技术

在部署 5G 网络时,功耗是另一个需要解决的关键问题。如今,基于横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 技术的 PA 是无线电总功耗的主要来源,功耗超过 1,000W。因此,现在正在探索替代性技术的做法可以理解。具体而言,基于氮化镓 (GaN) 的 PA 已经开始兴起并投入实际使用。从带宽和功率密度要求的角度来看,由于氮化镓的技术在性能上优于硅基 LMDOS 技术,因此这种做法具有实际意义。以中国为例,因为 GaN 拥有出色的能效,尤其是在 3.5GHz 这样的较高频率上,氮化镓目前正得到广泛地使用。使用 GaN 后,PA 的总功耗将大幅降低,而且随后这将惠及面板的尺寸、体积、重量和成本。

由于 GaN 技术是非线性技术,需要采用经过大力强化的数字预失真 (DPD) 算法,才能让能效最优的 GaN PA 实现线性化。一旦功耗问题成功解决,就可以随之减小散热器的体积和重量。使用散热器的主要目的是散发 RF 段的热量,因此降低 RF 的功耗后,散热器的体积和重量也能下降。面板的体积和重量决定了在铁塔上安装这些面板所需的安装工人和使用的设备的数量。安装成本变动幅度可在 2-3 倍,这取决于面板的体积、重量和安装面板所需的工人数。

先进的芯片集成

使用 GaN 的数字流程自动化 (DPA) 需要更强大的性能,并应该能够处理 400MHz 及以上的带宽。赛灵思近期推出了一款新产品 Zynq RFSoC DFE。为降低功耗和成本,该产品提供标准单元和 IP 硬化块功能。这种自适应 RFSoC 平台集成了比软逻辑更多的硬化 IP,从而使得其性能和能效更高、成本更低,且兼具灵活性。该器件内置可编程逻辑,允许用户按需定制和添加自己的算法,而且能够跟随标准变化和带宽变化优化和升级自己的设计。这种自适应特性和未来兼容能力是巨大的优势。

此外,硬化的 DPD IP 基于赛灵思经量产验证的软核 IP,并增强了对先进宽带 GaN PA 的支持,以提高功耗效率。本质上,由于 5G 的推出会经历互操作方案(如 ORAN、TIP)、新服务提供商和竞争激化引发的业务模式突变,Zynq RFSoC DFE 能提供更大的市场敏捷性。该平台的硬件自适应特性既有利于创新,又能在避免 NRE 的同时提供媲美 ASIC 的种种效益,其中包括为市场新进入者和传统 OEM 厂商降低风险和总体拥有成本 (TCO)。

性能优化

在分布式单元 (DU) 方面,众多运营商受制于 OEM 厂商提供的专有系统,几乎无法控制这些系统的优化。随着 5G 的兴起,3GPP 意味着分解式 (Disaggregated)基站,即分布式单元/中央单元 (DU/CU) 可以被完全虚拟化。一种可行的解决方案就是服务器商品化方案,即运行运营商不仅能够自己控制,同时还能针对网络性能和 5G 服务进行优化的开放式软件。站在总体容量增长的角度,DU 和无线电单元 (RU) 之间的划分,是确保系统容量实现 3-5 倍增长的关键。这在很大程度上取决于如何对属于 DU 的功能和属于 RU 的功能以及位于 RU 上的计算机进行划分和架构分割。

上行链路性能

更深入地观察性能优化,基带和无线电之间的正确架构分割是兑现性能承诺的关键。在第一次部署浪潮中,特别是上行链路 (UL) 部署中,存在某些性能局限,未能实现预期的带宽和容量。

RU 内波束形成器的性能受多重因素的影响,例如老化和波束权重的精度。此外,有限的波束权重频率分辨率也影响 5G 系统的上行链路性能,因为一般情况下大约每 12 个子载频仅共享一个波束权重。这是因为如果每个子载频都施加一个波束权重,那么前传 (FH) 接口就会彻底饱和。

如何应对这些 UL 性能挑战呢?如果开展基于参考符号的信道估算并直接在 RU 中计算波束权重,就可以把波束权重直接施加给波束形成器,获得低时延信道模型更新和更高的性能。通过为每个子载频提供一个波束权重也能提高波束权重的频率分辨率,从而大幅提高 UL 的性能。

图 :Zynq RFSoC DFE 原理图

然而要实现这个功能,需要完成更多的计算。幸运的是,赛灵思 Versal ACAP 等最先进的芯片技术能够在低功耗下提供优异的计算密度,从而完成波束形成算法需要的实时、低时延信号处理。AI 引擎是 Versal AI Core 系列的组成部分,非常适合实现所需的数学功能,不仅提供了高计算密度、先进连接,而且还能够进行重新编程与重新配置。此外,ACAP 器件还提供所需的额外容量,方便在部署后升级波束形成器和添加更多功能。

O-RAN 虚拟化

最后,在探讨 5G 的未来时不能不提及 Open RAN(O-RAN)。5G 运营商正在稳步告别传统的专有无线设备,转而采用开放的解聚式 DU/CU 和 RU 方法,为 DU/CU(O-DU 和 O-CU)和 RU (O-RU) 选择不同厂商。在引入 O-RAN 架构和规格后,运营商可以为他们的 O-RAN 的每个环节选择更创新的方法,并且从降低的资本支出 (CAPEX)/运营成本 (OPEX)和总体拥有成本 (TCO) 中获益。

无论是 O-RAN 还是虚拟基带单元 (vBBU),这种“5G 虚拟化”都有望在边缘部署的电信软件服务中实现,如视频流、游戏或要求严苛的汽车服务。随着 5G 基础设施投资不断增长和对新的更高带宽服务支持的形成,供应商需要进一步为系统加速,以满足不断增长的规模和带宽需求。为解决这方面的需求,赛灵思已经面向 5G 网络中的 O-RAN 分布式单元 (O-DU) 和 vBBU 推出T1 电信加速器卡。赛灵思电信加速器卡将支持卸载时延敏感、吞吐量密集的 5G 基带功能,释放电信服务器处理器,此外,还可以支持更有意义、更有商业价值的软件功能使用。这些加速器卡为 5G 的虚拟化边缘提供了所需的理想性能、功耗和部署简便性。

灵活应变的未来
未来的 5G 技术将以何种面貌出现?不管怎样,灵活应变必然是大势所趋。5G 的第一次浪潮已经为我们描绘出清晰的成功指标,以及后续浪潮中将要面临的挑战,显而易见的是,先进的芯片技术是在经济上可行的条件下兑现增大容量,优化功耗、成本和性能,改进并创新产品与服务的 5G 愿景的重要一环。

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