基带

英特尔® FPGA 的灵活性、性能和可扩展性满足了高性价比 5G 解决方案的要求。 

5G 无线

无线连接的未来

与前一代相比,5G 不仅仅是另一次技术代的跨域,也是广泛互联的数字社会的基础。这就提出了一系列最高要求:100 倍的典型最终用户数据速率;100 倍的互联设备数量;以及 1,000 倍的移动数据量 - 连接至各种各样的最终用户应用。为满足这些需求,5G 将采用现有的以及即将出现的新 RAT,采用 Massive MIMO 等新技术,在新场景中部署,例如基于云的 RAN,而对于实际实现依然是高性价比解决方案。

5G 的一种可能的部署场景是基于云的射频接入网络,即,C-RAN,采用了类似集中式数据中心的架构,对大量的远程射频前端进行基带处理。英特尔® FPGA 是这一方法的关键所在,与至强处理器协同工作进行硬件加速,实现虚拟化功能。

对 5G 的需求肯定会非常巨大,但是还不确定采用哪些特殊的技术才能满足这些需求。英特尔可编程 FPGA 及其解决方案所具有的灵活性和性能能够满足 5G 无线互联巨大而且不断变化的需求。

5G 连接的挑战

随着物联网的到来,无线连接的设备数量呈爆炸式增长,对于日益增长的各类应用而言,需要多种不同类型的连接。正因如此,5G 将要求:

  • 从 1 Gb/s 到峰值 20 Gb/s 可靠的数据吞吐量
  • 对于车辆间通信等应用,延迟接近为零
  • 为数千亿的无线机器提供可靠的巨大容量
  • 灵活的数据速率和占空比实现不同应用

目前为止,建议了多种解决方案和技术,以解决 5G 挑战,不仅适用于广泛互联的社会,而且是以高性价比解决方案来实现。这些特性包括:

  • 基于云的射频接入网络,即,虚拟化 RAN
  • 为多种接入和编码/调制方法提供更先进的解决方案
  • 新的基带和 RF 架构
  • 新的聚束技术
  • 高级 RF 域处理以便高效灵活的使用频谱

但是,还不能确定这些技术的哪些组合能够提供最完整和性价比最高的解决方案,以满足 5G 的需求。关键是无线基础设施能够很好的在灵活性和性能上达到均衡,从而满足无线市场不断变化而且越来越高的需求。

英特尔的 5G 解决方案 - 通过可编程能力实现灵活性

英特尔的高端、中挡和低成本器件可以定制以满足 5G 实施的各种商业需求。英特尔的 5G 解决方案提供:

英特尔为以下 5G 技术提供最优解决方案

  • CRAN / VRAN
  • Massive MIMO
  • 回程
  • 前传
  • 数字射频前端

C-RAN

在最近几年,集中式/云无线接入网络 (C-RAN) 吸引了来自无线基础设施行业的巨大关注。这是由于 C-RAN 架构提供了巨大的优势,包括较低的总拥有成本 (TCO)、增强的频谱效率以及对多标准和未来发展的简化支持。也许更为重要的是,这种架构完善了业界在网络架构融合方面向网络功能虚拟化 (NFV) 和自我组织的网络 (SON) 迁移。

动机

智能手机和其它便携式设备日益增长,推动着移动宽带数据流量和容量需求呈指数级增长。这为现有的无线网络带来了重大挑战:

  • 空中接口资源和数据容量之间的增长率差距
    日益增加的数据流量需求超出了传统空中接口的容量,因此需要新的架构和方法。
  • 成本和收入增长之间的 CAGR 差距
    运营商的每订户收入在未来几年里预计以适中速度增长,而数据将呈指数级增长。因此,运营商承受着降低每数据位成本的压力,以保持服务盈利。
  • 绿色环保势在必行
    基站数量的大幅增长导致了无线网络上的功耗显著增加,运营资本支出 (OPEX) 随之提高。运营商需要新的方法降低总功耗和运营资本支出。
  • 网络资源利用不足
    在不同区域(民用/商用)之间和不同时段(白天/夜晚工作日/周末)之间存在负载不平衡现象。对于当前网络部署,必须超配硬件以支持最坏情况下的负载;因此平均而言,网络处于未充分利用状态。
  • 高密度网络带来的干扰
    在城市地区部署的高密度基站收发信机 (Base Transceiver Stations, BTS) 会导致小区间干扰,因而限制了性能。

由于现有无线网络中存在这些限制,业界正尝试通过进行一系列创新来优化网络架构。这些增强功能结合起来就是 C-RAN。

  • 减少 BTS 站点数量
    减少网站数量可降低成本(包括资本支出和运营资本支出)和简化未来升级。
  • 使用协调多处理 (COMP)
    高级 COMP 能力将解决高密度区域中的小区间干扰问题。
  • 共享处理、负载平衡和自我组织的网络 (SON) 共享处理允许网络根据需要或容量在小区站点之间分配处理能力,以提高运营效率。共享处理能力还允许多小区站点协作,并通过与多频带支持结合,允许空中接口适应动态负载水平。负载平衡有助于网络响应带宽需求激增,并通过动态分配资源确保网络可靠运行。智能、自我组织的网络通过简化网络规划、配置、管理和优化,保证可以降低网络运营成本。

在这些架构创新的推动下,C-RAN 解决方案在物理上将 BTS 处理汇集到一个站点,本质上有巨大的优势。

C-RAN 简介

完全集中式架构

图 1 显示了完全集中式 C-RAN 的基本原理。远程射频单元 (RRU) 与传统的射频网络位于同一地点,而基带单元 (BBU) 以前与 RRU 位于一起,现在则转移到了中心位置。BBU 包括物理层 (L1) 以及更高层的功能,映射到大规模处理资源池中,完成虚拟化 NodeB 功能。

为能够以动态方式连接多个数据流,还引入了名为云终结器的交换层。这一层用于桥接、连接和控制不同的接口协议,以实现动态负载平衡。

LTE 对数据处理有严格的延迟要求。例如,往返延迟必须小于 5 ms,基带帧处理必须小于 1 ms。结果,RRU 站点和集中式 BBU 站点之间的传输必须是大吞吐量 (≥10Gbps) 的,其延迟要小到只有几十微秒。

FPGA 是 CRAN 架构的关键所在

CRAN 的关键要求是可重新配置,较低的确定性延迟,灵活的硬件加速器和高速交换性能,这使得 FPGA 成为任何 CRAN 架构的自然组成。

现有网络

PUSCH 和 PDSCH 处理的典型基站层 1 结构图

现有的蜂窝基础设施

从 1980 年的第一代模拟 FM 蜂窝解决方案(第一代 (1G))开始,被称之为射频接入网 (RAN) 的蜂窝基础设施一直在不断发展。在这一发展过程中,射频接入技术 (RAT) 从 GSM 发展到 LTE,网络拓扑也从电路交换 (TDM) 发展到数据包交换 (IP),延迟不断降低,而吞吐量、频谱效率和峰值速率不断提高。这意味着建设新基础设施,在资源使用上更快、更智能,弹性更大。这种转换需要基站或者 eNodeB 有更强的处理能力,智能化程度更高。

基站现在已经发展成超级智能无线路由器。特别是基站或者 eNodeB 现在能够处理整个 PHY、MAC、射频链路控制 (RLC)、数据包数据融合协议 (PDCP),以及射频源控制 (RRC)等,从而支持多种接口标准,数据吞吐量提高了 10 倍。

这些进展导致“软/灵活的”基站能够以合适的价格支持多种标准。而且,基站解决方案必须能够从微微小区扩展到微小区,直至宏小区。

OEM 要求能够重新使用其基站机架,下一代基站架构的高处理需求,以及降低系统总延迟,满足灵活性和可扩展性等要求都促使采用高度集成的片上系统 (SoC) 解决方案,其固有的可扩展特性支持硬件和软件灵活的进行接口和处理。上图显示了典型的大型基站架构。

无线解决方案参考链接

更多资源

您的 FPGA 设计需要帮助吗?

与英特尔协作完成您的下一个项目。

联系我们

英特尔® FPGA 行业应用

了解如何利用这些应用解决方案来帮助克服您的设计挑战。

查看所有应用

英特尔® FPGA 和可编程器件

了解可如何自定义这些功能强大的器件,以加快关键工作负载并使设计工程师能够适应新兴标准或不断变化的要求。

查看所有器件