雖然5G標(biāo)準(zhǔn)尚未成型，但距離大家公認(rèn)的商用化時(shí)間已不足5年（業(yè)界公認(rèn)到2020年會實(shí)現(xiàn)5G的大規(guī)模部署）。為了搶占先機(jī)，參與標(biāo)準(zhǔn)制定，許多公司目前已提出了就5G的新興算法和應(yīng)用進(jìn)行原型設(shè)計(jì)的需求，全球各大移動公司據(jù)悉也都已競相開展具體的原型設(shè)計(jì)工作。在本屆2015世界移動大會上海站的展會現(xiàn)場，中國移動就展示了其5G基站原型平臺（5G ”Invisible” Base Station；5G “Soft” Platform），瞬間成為展會一大亮點(diǎn)，受到行業(yè)上下廣泛關(guān)注。 EDN China在現(xiàn)場有幸邀請到了原型平臺搭載的FPGA供應(yīng)商賽靈思，為大家一解內(nèi)部搭載的技術(shù)，雖說“什么是通往5G的最佳路徑？”這樣的宏觀問題無法在文中給出答案，但也希望和大家一同分享一些5G原型中硬件設(shè)計(jì)的構(gòu)想。 中移動現(xiàn)場展示的原型機(jī)圖片與技術(shù)框圖如下：

圖1: 5G基站原型機(jī)中的基帶處理部分，其中所采用的大規(guī)模 FPGA陣列正是采用賽靈思（Xilinx）的28nm VIRTEX-7器件，其所配合多核CPU處理，構(gòu)成5G通用平臺解決方案。

圖2：原型機(jī)的射頻單元，具有小型化、靈活、隱形等特點(diǎn)。可靈活實(shí)現(xiàn)大規(guī)模天線陣列，其陣列規(guī)?？伸`活配置，支持對稱和非對稱陣列。

圖3: 5G通用平臺解決方案框圖，采用多核CPU處理+FPGA陣列架構(gòu)。

據(jù)賽靈思全球銷售與市場亞太區(qū)副總裁楊飛介紹：“5G目前處于做標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)的階段，業(yè)界目前普遍看到商用會在2020年實(shí)施，也可能會在日韓的驅(qū)動下提前到2018年，但其實(shí)已有很多公司，包括中興、華為，都已把未來5G潛在的一些技術(shù)，如Massive MIMO，拿到4G的網(wǎng)絡(luò)中做一些部署，推出了所謂的“4G+”或“pre 5G概念”，并推出了實(shí)際的樣機(jī)。當(dāng)然由于標(biāo)準(zhǔn)未定，目前各家設(shè)備商都在發(fā)揮自己的創(chuàng)意和能力，在推進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，希望最終能轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)然作為無線半導(dǎo)體領(lǐng)先的供應(yīng)商，賽靈思也很大程度的參與其中?！?nbsp;

數(shù)字前端與基帶處理：大規(guī)模MIMO及算法需要夠“軟”的硬件支持

在上述原型機(jī)的介紹中可以看到，隨著預(yù)想中5G技術(shù)的更迭，基站的天線數(shù)量將不斷增加，最終形成“大規(guī)模MIMO”系統(tǒng)。大規(guī)模MIMO已被視為提高5G無線系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量和容量的關(guān)鍵技術(shù)之一。 據(jù)賽靈思方面介紹，對于大規(guī)模MIMO的優(yōu)勢業(yè)界已是有目共睹，但由于需要對每根天線進(jìn)行波束成型計(jì)算，其中會涉及大量的大型矩陣和線性運(yùn)算，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO會顯著提高連接和信號處理的消耗需求，所以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO，可能成本很高，其中就包括數(shù)字前端（DFE）處理、基帶處理、和射頻處理之間的高速連接，需要靈活的高性能信號處理。 目前，大規(guī)模MIMO天線算法可使用現(xiàn)行的技術(shù)實(shí)現(xiàn)（圖4），但隨著大規(guī)模MIMO系統(tǒng)向越來越礦大的天線元陣列擴(kuò)展，將要求更高的集成度，需要下一代器件的實(shí)現(xiàn)。

圖4：基于FPGA和MPSoC的大規(guī)模MIMO概念

對于FPGA的關(guān)鍵助益，楊飛介紹道：“由于能快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號處理算法，F(xiàn)PGA一直用于各類無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備中，F(xiàn)PGA最顯著的功能就是實(shí)時(shí)地對數(shù)據(jù)進(jìn)行本地處理，以減少上游處理器的負(fù)擔(dān)，而賽靈思硬件的特點(diǎn)是完全可編程（All programmable），更能讓硬件“軟”化。5G無線設(shè)施OEM廠會倚重可編程功能來降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。其實(shí)，從早前的3G, TDSCDMA到LTE和5G，一路走來賽靈思都積極地先期參與各種技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定與前期驗(yàn)證等工作，并跟進(jìn)不同高速算法的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。待規(guī)范形成后一個(gè)方面可以迅速投入量產(chǎn)，其次由于FPGA完全可編程的優(yōu)勢，依然可根據(jù)所需的具體算法、架構(gòu)、體系來進(jìn)行優(yōu)化，從而確保以最短的時(shí)間出臺優(yōu)化的方案，支持快速量產(chǎn)上市。從這個(gè)意義而言，除了FPGA目前也沒有更好的其它方案可以替代。即使對于ASIC，5G物理層硬件的復(fù)雜度也會大大增加其設(shè)計(jì)難度。所以對于5G支持，硬件夠“軟”很重要?！?對于這一點(diǎn)，賽靈思與中興通訊在pre5G 3D/大規(guī)模MIMO基站方面的合作也是很好的例證。據(jù)最近的報(bào)道，賽靈思的可編程器件將支持中興通訊的pre5G 3D/大規(guī)模MIMO基站。中興通訊的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)包含128根天線，采用類似于現(xiàn)有8天線系統(tǒng)的前部區(qū)域。中興通訊的大規(guī)模MIMO基站可將天線、基站單元和射頻集成在單個(gè)模塊中，所需的安裝空間僅為傳統(tǒng)系統(tǒng)的1/3，從而降低了運(yùn)營商的運(yùn)營成本和總擁有成本。而賽靈思28nm Kintex-7器件正是該解決方案的核心組件，可提供行業(yè)領(lǐng)先的數(shù)字前端處理功能和高級基帶算法實(shí)現(xiàn)，助其在單載波傳輸容量和頻譜效率等方面刷下新記錄。 

下一代前傳接口：為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連接與更大容量

對于5G 網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模連接與容量要求，分布式小型基站、支持?jǐn)?shù)百個(gè)天線的Massive MIMO 以及通過 CloudRAN 進(jìn)行的集中式基帶處理等技術(shù)將顯著增大覆蓋范圍與數(shù)據(jù)吞吐量。而網(wǎng)絡(luò)則將需要通過回程及光前傳來進(jìn)行安全連接，以完成處理，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連接成了另一個(gè)頭痛的焦點(diǎn)。 對此，楊飛也介紹道：“目前，賽靈思正與中國移動研究院（CMRI）結(jié)合C-RAN、大型天線系統(tǒng)和3D MIMO等新興技術(shù)，共同研究開發(fā)新型無線網(wǎng)絡(luò)前傳接口的關(guān)鍵技術(shù)和組件，并已就下一代前傳接口（NGFI）的開發(fā)簽署合作備忘錄（ MOU）。 ” 據(jù)賽靈思方面介紹，在目前的無線系統(tǒng)中，基帶設(shè)備和射頻單元通過CPRI前傳網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接（見圖5 紅色框部分），隨著其帶寬增速迅猛，需要運(yùn)營商鋪設(shè)越來越多的光纖電纜,將導(dǎo)致部署成本的大幅增加。未來無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨向于集中式的基帶架構(gòu)，必然會對的前傳網(wǎng)絡(luò)提出更大的挑戰(zhàn)，亟需新技術(shù)改進(jìn)前傳協(xié)議。據(jù)悉，探討的一些可能性是將部分基帶處理移動到射頻側(cè)，以降低總體有效載荷帶寬，從而利于提高射頻域的集成度。當(dāng)然無論最終會否集成到射頻中，基帶處理、射頻、及相關(guān)前傳技術(shù)都將構(gòu)成5G的重點(diǎn)。

圖5：基帶設(shè)備和射頻單元通過CPRI前傳網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接，探討的一些可能性是將部分基帶處理移動到射頻側(cè)，以降低總體有效載荷帶寬，從而利于提高射頻域的集成度。

據(jù)悉，賽靈思正通過其Zynq SoC平臺，為NGFI生態(tài)系統(tǒng)打造一個(gè)經(jīng)驗(yàn)證的NGFI參考設(shè)計(jì)。這個(gè)參考設(shè)計(jì)可以很容易地遷移到其它Zynq和Zynq UltraScale+ MPSoC 器件上，有望成為4.5G/5G無線前傳網(wǎng)絡(luò)研究的基準(zhǔn)框架，并為下一代高度優(yōu)化的前傳接口設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵的技術(shù)和組件。 

5G會為全可編程硬件開辟下一個(gè)藍(lán)海

除了倚重可編程功能來降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，賽靈思全可編程硬件還從源頭滿足了運(yùn)營商們和設(shè)備商的一個(gè)演進(jìn)需求，那就是強(qiáng)調(diào)“服務(wù)”和“軟件定義”。

圖6：賽靈思全球銷售與市場亞太區(qū)副總裁楊飛 （左二）攜其亞太區(qū)通信團(tuán)隊(duì)部分高層及系統(tǒng)架構(gòu)師在世界移動大會（MWC）中移動展臺展示基于賽靈思FPGA的5G基站原型平臺

據(jù)楊飛介紹，“在這次的會議中，包括中韓日在內(nèi)的各大運(yùn)營商所傳達(dá)的關(guān)注重點(diǎn)，已不再是通信的技術(shù)和功能本身，而是強(qiáng)調(diào)“服務(wù)”。這對全可編程硬件而言很有利，運(yùn)營商想要提供“最快”、“最好”的服務(wù)給消費(fèi)者，例如有些基于物聯(lián)網(wǎng)或機(jī)器人的服務(wù)看似非常的天馬行空，這些貼身的服務(wù)需要強(qiáng)有力的應(yīng)用軟件體系來支撐， 而這種強(qiáng)有力、反應(yīng)迅速的軟件或服務(wù)體系又需要從底層，通過和軟件高度優(yōu)化的硬件體系來支撐，這種硬件支撐體系需要絕對靈活、可編程。簡單來說，就是從上層服務(wù)，到最底層的硬件都是迅速可反映，迅速可編程、迅速高度優(yōu)化的。全可編程器件天生就具備這方面優(yōu)勢，可以從底層架構(gòu)、半導(dǎo)體器件迎合上層服務(wù)的需求。這種“強(qiáng)調(diào)服務(wù)”的需求在早先2G、3G時(shí)代并不多，但現(xiàn)在4G乃至5G將會日益明顯，所以現(xiàn)在更多的半導(dǎo)體廠商也在5G標(biāo)準(zhǔn)制定過程中就參與其中。從底層半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)來支持類似NGFI等5G標(biāo)準(zhǔn)的制定。這也解釋了為何半導(dǎo)體廠家會直接和運(yùn)營商合作，在先期參與標(biāo)準(zhǔn)制定的原因?！?在賽靈思所開啟的全可編程處理器市場中，5G會是其中非常有潛力的一塊。據(jù)楊飛介紹，目前賽靈思在5G的參與是全方位的，包括基帶、射頻、前傳、回程、毫米波等。再加上5G時(shí)代一定會是“云+物聯(lián)網(wǎng)”結(jié)合的時(shí)代，整個(gè)市場一定會有爆發(fā)性成長，楊飛預(yù)估，隨著帶寬和應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)大，賽靈思器件的應(yīng)用市場將有約5倍擴(kuò)大的潛力。從28nm開始，賽靈思的 Zynq SoC就是軟件定義硬件最優(yōu)化的全可編程架構(gòu)，到現(xiàn)在已供貨的20nm UltraScale產(chǎn)品系列、已流片的16nm UltraScale+系列，包括最新的16nm MP SoC，器件內(nèi)部所包含的各類處理資源也更為豐富，所有這些都將為5G的下一步發(fā)展提供更為可期待的提升空間。（EDN China / 麥迪）