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借助Zynq RFSoC DFE因應5G大規模部署挑戰
5G已成為現實

【作者: David Brubaker】   2021年09月10日 星期五

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隨著5G基礎設施和裝置設備的部署,5G已從概念轉變成為現實;5G經濟顯然不會只是3G或4G的複製品。新的挑戰需要能自行調適的解決方案,既要可以處理多樣化的需求,同時也要能夠隨市場需求的變化而持續演進發展。


Zynq UltraScale+ RFSoC DFE因其架構上整合了比傳統軟體化邏輯(soft logic)更多的硬體化IP邏輯,使得其在保持靈活應變價值的同時,還能媲美客製化的ASIC在成本和功耗上的競爭力,因此能輕鬆應對這些挑戰。


5G面臨的前線挑戰

日益提高的無線電效能和複雜性

無線電單元(Radio Unit;RU)對更大頻寬的需求,不僅是為了提高資料傳輸速率,營運商還需要為現有和新的頻段解決複雜的無線電配置問題。為滿足這些需求,無線電應從設計上支援可能的最大瞬間頻寬(instantaneous bandwidth;iBW)。例如,早期5G無線電支援高達200MHz的頻寬,但未來的無線電需要支援高達400MHz的頻寬。


儘管5G已成為預設的無線標準,但4G大量傳輸仍會持續數年。即使在升級或安裝5G網路時,營運商仍須提供4G網路覆蓋;再者,由於基地台的空間是按照單位和重量租用的,同時支援4G和5G的多模式RU有助於降低資本支出(CAPEX)和營運成本(OPEX)。 5G無線電的另一個複雜之處是分散式單元(Distributed Unit;DU)介面,其典型劃分為7.1、7.2和7.3,而RU必須對此給予全面支援。


5G的多樣化應用及不斷演進的標準

3G主要與語音和訊息有關,營運商的盈利模式是出售以分鐘計算的通話時間和訊息數量。而4G有一項應用是行動資料,它促成了智慧型手機的興起,營運商也因此開始每月以GB為單位銷售資料。


5G則如圖一所示,擁有三種主要用途:增強型行動寬頻(Enhanced Mobile Broadband;eMBB)、超高可靠度且低延遲通訊(Ultra-Reliable Low-Latency Communication;URLLC)和大規模機器型通訊(Massive Machine Type Communication;mMTC)。當分別優化其中一個用途,將會導致非常不一樣的無線電解決方案;而5G將它們融合成統一的標準。



圖一 : 5G應用
圖一 : 5G應用

現今的5G全部圍繞著eMBB而發展。業者爭相部署5G以吸引消費者使用速度最快的網路。


至於URLLC和mMTC則相對較為新穎,目前還沒有已開發的市場或經濟體實現它們。URLLC主要倡導的應用就是自動駕駛,但5G網路不會在該領域發揮重要作用。其原因在於自動駕駛的過程要求原位(in situ)運行。有一種可行的URLLC應用,是將車輛或機器設備運行在採礦和救災這類的危險環境中。


mMTC的應用則適用於每平方公里存在上百萬個互聯設備的情況。目前智慧家庭裝置的WiFi運作狀況良好,不會被5G取代。mMTC的應用對於工業、商業和政府治理(例如智慧工廠、智慧城市)來說將更加重要。


不斷演進的標準

4G LTE標準在2009年的第9版中最終確定,並在隨後的8年裡,透過5個3GPP版本的推出不斷演進,直至發展到4G LTE Advanced。


5G的第一階段和第二階段已經在第15版和第16版中完成定義,並涵蓋eMBB、mMTC和URLLC的基礎。第17版已經開始訂定,而第18版也已經開始籌劃。未來十年,5G標準將隨著市場需求而發展。


5G市場顛覆

5G將面臨的一大挑戰可以概括為市場顛覆。回顧4G可以發現,其市場相當單一且固定。4G只有一項應用,市場由傳統營運商所構成,他們向消費者銷售資料,並向傳統硬體OEM廠商購買網路基礎設備。


如今,O-RAN聯盟和電信基礎架構專案(Telecom Infra Project)都透過供應商多元化,顛覆既有的商業模式。Dish、Rakuten和RJIO等顛覆性的5G營運商正挑戰著他們的同行和既有營運商。顛覆和真正的創新將會發生在使用mMTC和URLLC功能,以提供完善的企業專網解決方案中。最終結果是有了新的營運商和供應商參與其中且富有活力的5G經濟,如圖三所示。



圖二 : 5G將助力實現專網中的創新
圖二 : 5G將助力實現專網中的創新

圖三 : 5G新的商業模式、市場和競爭
圖三 : 5G新的商業模式、市場和競爭

Zynq RFSoC DFE滿足當前和未來的5G需求

Zynq RFSoC DFE在硬化或類ASIC的結構上實現了已知和運算密集型 DFE(Digital Front-End;數位前端)功能,能同時以4G和5G新無線電(New Radio;NR) 標準進行配置。



圖四 : Zynq RFSoC DFE整合了硬化IP的完整DFE子系統
圖四 : Zynq RFSoC DFE整合了硬化IP的完整DFE子系統

如圖五所示,這些硬化單元佔用更少的晶片面積,與傳統FPGA軟體化邏輯相比,能節省高達80%的功耗。由於每個硬化的IP核心在物理尺寸上都小於軟體化邏輯,因此與Zynq UltraScale+ RFSoC第三代元件相比,添加了額外的核心就能提供2倍DFE處理能力。



圖五 : 採用硬化IP的優勢
圖五 : 採用硬化IP的優勢

在充分利用DFE硬化模塊的情況下,Zynq RFSoC DFE的功耗比相較於使用在第三代Zynq RFSoC元件上的等效執行方案降低約50%。


如圖六所示,硬化模塊以與資料流保持一致的方式,按規律佈局在Zynq RFSoC DFE上。每個IP功能都由多個執行個體組成,使元件能根據應用進行擴展或縮減。為提供最大的靈活性,使用者可以繞過任何模塊並在資料路徑中的任意點添加邏輯。



圖六 : Zynq RFSoC DFE功能模塊圖
圖六 : Zynq RFSoC DFE功能模塊圖

Zynq RFSoC DFE在FR1(高達 7.125GHz)中支援高達400MHz iBW的多頻段和多模式無線電,並且在作為FR2的IF收發器時提供高達1600MHz iBW。


結語

總而言之,賽靈思Zynq UltraScale+ RFSoC DFE延續了Zynq UltraScale+ RFSoC的成功基礎,將所有關鍵和運算密集型數位處理模塊納入一個硬化且符合標準的結構內,同時為未知的未來需求和市場需求內建自行調適邏輯,既提供可媲美ASIC的優勢,又保持一貫以來的靈活應變能力和上市速度。


(本文作者David Brubaker為賽靈思資深產品線經理)


**刊頭圖(source:3m.com)


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