如果你相信炒作，5G 網絡將徹底改變當前的無線基礎設施。5G 技術的主要功能包括峰值 20 Gbps 下載和 10 Gbps 上傳速度、1 毫秒延遲、比 4G 高達 1，000 倍的每 km 2容量、3 倍的頻譜效率、100 倍的網絡能源效率以及多種無線電接入技術的集成到一個單一的網絡（圖1）。許多（如果不是全部）這些特性使 5G 對物聯網 （IoT） 極具吸引力。

圖 1.根據國際電信聯盟 （ITU） 的說法，5G（此處顯示為 IMT-2020）預計將比 4G（顯示為 IMT-Advanced）提供顯著優勢，包括三倍的頻譜效率、100 倍的能源效率和 1，000 x 容量。

事實上，許多 5G 物聯網部署已經開始。除了在 2018 年韓國平昌奧運會上展示 5G 之外，布里斯托大學的智能互聯網實驗室最近還在布里斯托部署了一個端到端的 5G 網絡測試平臺。該測試臺展示了各種智能城市用例，包括自動交通、增強現實和智能旅游，這些用例由連接到虛擬 5G 基帶池的 5G 新無線電 （NR） 無線電頭實現。

5G NR 是 5G 網絡的新空中接口。雖然它不向后兼容 LTE，但 5G NR 確實提供了從 sub-1 GHz 到 100 GHz 的頻譜覆蓋。信號通過新的正交頻分復用 （OFDM） 無線標準從 5G NR 無線電頭發送，該標準使用緊密間隔的子載波信號在多個并行信道上同時發送數據。

許多當前的 5G 網絡架構將這些 NR 無線電頭部署在具有大規模多輸入多輸出 （MIMO） 天線的基站中，這些天線使用多個發射器和接收器來更快地傳輸更多數據。此類基礎設施可以支持增強型移動寬帶 （eMBB）、海量機器類通信 （mMTC） 和超可靠低延遲通信 （URLLC） 等應用的各種接入和連接場景。

更傳統的分布式小型蜂窩和固定無線接入點也將保留，但所有 5G 基礎設施的持續要求是需要極高的靈活性。這導致許多運營商、電信公司和布里斯托大學等研究人員實施軟件定義網絡 （SDN） 功能作為其 5G 網絡的骨干。賽靈思無線通信首席系統架構師 Raghu Rao解釋了這一轉變。

“一方面是我們在 5G 中看到的各種部署類型，”Rao 說。“物理層正在被分割，一部分物理層轉移到無線電，特別是在這種新的大規模 MIMO 技術的背景下。然后我們有小型蜂窩和家庭網關。然后我們也有固定的無線接入。然后我們有傳統的宏小區和城域小區類型的部署。因此，如果您查看各種部署，您需要的是極大的靈活性。與過去 4G 中的 100% 硬件場景相比，軟件驅動的方法更能支持這種多樣性，其中一切都在一個盒子里。

“另一方面是對各種頻譜的支持，”他繼續說道。“在 5G 中，有低于 6 GHz 和高于低于 6 GHz 的頻率。現在，即使您查看傳統的低于 6 GHz 的部署，也有很大范圍的頻率可供人們談論。在許可輔助訪問 （LAA） 和 LTE-Unlicensed 的情況下，您正在談論將未經許可的運營商與它們之間的差距超過 GHz 的許可運營商錨定。其中一些部署需要極高的靈活性，即使在射頻方面也是如此。

“這兩者都對基礎設施站點的硬件設計提出了某些要求，”Rao 說。“出現了不同類型的訪問和連接，所有這些都使用類似類型的基礎設施和類似標準連接到同一個數據包核心。

“我們看到人們正在尋找一種非常、非常靈活的調制解調器，”他補充道。

FPGA 上的 5G 靈活性

正如 Rao 所指出的，底層基站硬件必須能夠適應 5G 網絡工作負載的廣泛要求。這推動了下一代無線基礎設施對 FPGA 技術的興趣增加

“調制解調器的某些方面不能完全是服務器上的軟件或運行在 x86 處理器上的軟件，例如極其計算密集型的任務，”Rao 說。“我們看到人們采用的方法是軟件加加速的方法，尤其是在我們所說的第一層或物理層。這些工作負載被加速，加速的一個很好的選擇是 FPGA。”

2017 年第四季度，Xilinx 宣布了其Zynq UltraScale+ RFSoC產品線，除其他用例外，該產品線以 5G 無線射頻信號鏈為目標。RFSoC 包含分別以高達 4 GSps 和 6.4 GSps 的速度運行的模數和數模轉換器 （ADC/DAC），以及軟判決前向糾錯 （SD-FEC），一種四核心 Arm Cortex-A53 和雙核 Arm Cortex-R5 以及可編程邏輯結構。該公司表示，與用于大規模 MIMO、基帶和無線回程系統的遠程無線電頭端的競爭基于 SoC 的架構相比，這些設備的功率和占用空間減少了 50% 到 75%。

圖 2. Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC 集成了多 GSps 射頻數據轉換器和前向糾錯 （FEC），以支持需要頻譜效率、功率效率和網絡致密化的 5G 基礎設施應用。

RFSoC 芯片中的集成數據轉換器在具有多模要求的系統中特別有利，因為它們可以同時動態支持 3GPP LTE 和 NB-IoT，例如。Rao 通過回到許可和無許可運營商共享同一平臺的示例來描述這種多功能性。

“RFSoC 架構支持我們所說的‘直接射頻’，您可以在其中以極高的速度進行采樣，”他說。“以如此高的速度進行采樣允許其余部分以數字方式完成，可能在 FPGA 中完成，因此它可以轉移到類似軟件的方法中。所有這些都支持相當靈活的可編程調制解調器。

“根據部署場景，單個 RFSoC 可以處理多個工作負載，”Rao 繼續說道。“它可以重新配置，或者可以提前構建配置。某些工作負載（如大規模 MIMO）需要多個 RFSoC，但在許多其他工作負載中，一個或兩個 RFSoC 完全可以勝任。”

超越基站

盡管賽靈思預計 RFSoC 技術將部署在各地的 5G 基站中，但該公司也看到了對小型蜂窩設置、宏蜂窩、虛擬基帶單元、云無線電接入網絡 （RAN） 甚至電信云的興趣。隨著網絡基礎設施越來越多地受軟件控制，預計 FPGA 技術將出現在您通常不會懷疑的地方。

“每個人都在尋找一種低成本、可快速部署的系統，因此 FPGA 是一個很好的解決方案。上市時間和所有這些優勢都有助于在許多遠程無線電頭端部署中使用 FPGA，”Rao 說。“但基帶是我們設備的一種新用途。出于連接原因，我們過去常常在基帶中找到一個位置。但這種新的、靈活的基帶軟件方法為 FPGA 提供了新的機會，以最大限度地提高吞吐量和提高能效。”

審核編輯：郭婷