英特尔凭借英特尔® 至强® D 处理器、英特尔® Agilex™ FPGA、英特尔® eASIC™ 设备以及 ASIC 等丰富的产品和技术，成为目前全球唯一一家拥有 5G 无线接入网端到端芯片解决方案的公司。
在电信领域，“5G”一词是指宽带蜂窝网络的第五代技术标准。目前世界上绝大多数手机都由 4G 网络提供连接，按照计划，5G 就是 4G 的继任者。同时，5G 也代表着一种新型 “由网络构成的网络”，实现了无线、计算和云环境的融会贯通。
这一领域有很多术语，而且与网络不同部分相关的功能始终在变化和演进，因此非常有必要明确一些基本定义。例如，无线接入网 (RAN) 是移动电信系统的一部分。从概念上讲，RAN 介于核心网 (CN) 和可被称为用户设备 (UE) 的移动电话等无线连接设备二者之间。多年来，RAN 技术不断演进。现在，5G RAN 和最近部署的一些 4G RAN 都配备了一套虚拟化网络技术，它们的功能与较早的 RAN 标准相比要先进得多。
开放式 RAN (O-RAN) 是 RAN 的非专有实现，能够使不同供应商提供的蜂窝网络设备之间具备互操作性。为了支持 O-RAN 概念的推广，RAN 行业的移动网络运营商、供应商以及研究和学术机构组成了名为 O-RAN 联盟的全球社区。
集中式 RAN (C-RAN) 是一种支持 4G、5G 和未来无线通信标准的集中化、协作化、云化的 RAN 架构。
第三代合作伙伴计划 (3GPP) 是一组制定移动电信协议的标准组织的总称。这个具有联盟性质的组织由作为主要成员的七个国家或地区的电信标准组织（“组织伙伴”），以及作为非正式成员的多个其他组织（“市场代表伙伴”）组成。5G NR（New Radio，即新空口） 是 3GPP 针对 5G 开发的一种新的无线接入技术 (RAT)，旨在成为 5G 网络空中接口的全球标准。
为何选择英特尔® Agilex™ FPGA？
• 与 7 纳米 FPGA 其他产品相比，逻辑结构性能功耗比提升大约 2 倍*
• 与 7 纳米 FPGA 其他产品相比，5G O-RU 功能平均加速 15% 到 20%*
• 与英特尔® Stratix® 10 FPGA 相比， 逻辑结构性能平均提升 45%*
• 与英特尔® Stratix® 10 FPGA 相比， 总功耗降低多达 40%*
• 可以通过迁移到成本和功耗更低的英特尔® eASIC™ 设备来降低 TCO
* 配置信息详见 intel.cn/performanceindex
4G 向 5G RAN 的演进
就演进型通用陆地无线接入网 (E-UTRAN)——即 4G 或 LTE RAN——而言，一个或多个称为远端射频头 (RRH) 的无线电塔连接到基带单元 (BBU)，而基带单元本身则连接 到核心网。在这种情况下，术语“前传”是指 RRH 与 BBU 之间基于光纤的连接，术语 “回传”是指 BBU 与核心网之间的连接（图 1a）。
许多下一代无线接入网（即 5G RAN）用例均要求大大增加前传带宽。要缓解这种情况并减少前传带宽有一种方法，那就是将 功能从 BBU 转移到无线单元中。在 5G RAN 架构中，4G BBU 的功能拆分成了三个逻辑节点（图 1b）。一些功能向上移入无线单元 (RU)，其余功能则在分布式单元 (DU) 和中央单元 (CU) 之间进行划分。在这种情况下，“前传”指的是 RU 和 DU 之间典型的基于光纤的连接，“回传”指的是 CU 与核心网之间的连接。另外，为了反映 DU 和 CU 之间的连接，还引入了一个新的术语“中传”。
应该注意的是，图 1 只是一个粗略的简化，实际存在许多可能的拓扑结构。例如，在 4G RAN 中，可能有多个 BBU 和多个 RRH 馈送每个 BBU。类似地，在 5G RAN 中，可能有多个 DU 和多个 RU 馈送每个 DU。除了反映 DU 和 CU 之间的连接外，术语“中传” 也可以用于反映 DU 到 DU 的连接。
5G NR RAN 架构还要应对这样的实际情况，即不同的用例要采用不同的网络配置才能获得更好的服务。短语“3GPP 功能拆分”是指 3GPP 允许采用多种方案分配（即“拆分”）DU 和 RU 之间 5G NR RAN 堆栈的功能，其中功能拆分 7.2 方案是最常用于为 5G O-RAN 提供支持的最佳选择。
端到端 5G 芯片解决方案
英特尔提供的芯片技术可应用在 5G O-RAN 架构的各个方面， 包括 O-RAN RU (O-RU)、O-RAN DU (O-DU)、O-RAN CU (O-CU) 和 O-DRU，它们均由 RU 和 DU 组合而成。这些芯片技术包括英特尔® Agilex™ FPGA、英特尔® 至强® D 处理器、 英特尔® 傲腾™ 持久内存（大容量、高速、非易失）和以太网解决方案 [英特尔基于 Agilex FPGA 的可编程加速卡 (PAC) 网络 适配器、卡、控制器和附件]。为扩充并增强这些硬件技术， 英特尔还提供了补充性软件解决方案，其中包括 FlexRAN 软件堆栈、英特尔的虚拟无线接入网 (vRAN) 支持包（图 2）。
英特尔® FlexRAN 软件堆栈是一种 4G 和 5G L1 参考设计，可以在任何英特尔® 至强® 处理器上运行，包括全新 Ice Lake（基于 全新 Sunny Cove 微架构的第十代英特尔® 酷睿™ 移动处理器和第三代英特尔® 至强® 可扩展服务器处理器的代号）和 Sapphire Rapids（基于英特尔 7 纳米制程工艺的全新英特尔® 至强® 服务器 处理器的代号）。FlexRAN 支持使用英特尔® 至强® 处理器、 FPGA、英特尔® eASIC™ 设备和以太网技术创建端到端 O-RAN 解决方案。FlexRAN 得到了 OneAPI 的有力补充。OneAPI 是统一应用编程接口 (API) 开放标准，旨在跨图形处理单元 (GPU)、 人工智能 (AI) 加速器和 FPGA 等不同的计算加速器（协处理器） 架构使用。
英特尔® Agilex™ FPGA 能够以大规模并行的方式为 FlexRAN (vRAN) 5G RAN 算法加速，从而做到在耗能相对较低的情况下提供极为出色的性能。此外，英特尔® Agilex™ FPGA 的可编程逻辑结构还能让开发人员对快速变化的标准和不断演进的 RAN 协议及时作出响应，包括系统部署到现场后的远程更新。相比之下，在 ASIC 实现中，通过更新设计来适应协议的变化则可能需要彻底转换设计、验证和流片过程，这不仅需要大量资源，而且非常耗时且成本高昂。
为了适应各种业务和开发模式，英特尔还提供了先进的英特尔® eASIC™ 设备和 ASIC 选择方案。英特尔® eASIC™ 设备属于结构化 ASIC，这是一种介于 FPGA 和标准单元 ASIC 二者之间的 中间技术。而标准单元 ASIC 则可以利用英特尔晶圆代工服务 (IFS) 创建。IFS 是一种完全垂直化的独立代工业务，旨在帮助满足全球对半导体不断增长的需求。
英特尔® eASIC™ 设备性能介于 FPGA 和 ASIC 实现之间。使用英特尔® eASIC™ 设备，您既可以保持与 FPGA 实现相同的主频， 又能够降低功耗，或者可以在保持相同散热/功耗预算的同时提高性能。与标准单元 ASIC 相比，英特尔® eASIC™ 设备上市时间 (TTM) 更快，一次性成本投入 (NRE) 更低。相比之下，标准单元 ASIC 则能以更低的功耗提供更高的性能。一旦一种设计的英特尔® Agilex™ FPGA 实现得到验证，该设计就可以经强化成为成本和功耗更低的英特尔® eASIC™ 设备或性能更高、功耗更低的 ASIC。在某些案例中，开发人员还可能会从该设计的英特尔® Agilex™ FPGA 实现开始，随后迁移到英特尔® eASIC™ 设备， 然后再次迁移到完整的 ASIC（图 3）。
正如本文稍后将展示的，在 FPGA 实现方面，英特尔® Agilex™ FPGA 为市场上的 5G RAN 提供了出色的解决方案。其他公司无法提供 FPGA 到 eASIC 再到 ASIC 这样能够减少成本、降低功耗和增强性能的转换路径。英特尔凭借英特尔® 至强® D 处理器、英特尔® Agilex™ FPGA、英特尔® eASIC™ 设备以及 ASIC 等丰富的产品和技术，成为目前全球唯一一家拥有 5G RAN 端到端芯片解决方案的公司。
面向 5G RAN 的英特尔® Agilex™ FPGA
英特尔® Agilex™ FPGA 可以提供从边缘到云端（即从边缘和终端设备到超大规模数据中心）的巨大性能优势。在 5G RAN 的情况下，英特尔® Agilex™ FPGA 可以作为置于 RU 中定制印刷电路板 (PCB) 上的原始设备部署到基于英特尔® FPGA 的可编程加速卡 (PAC)（如英特尔® FPGA PAC N3000 和 N6000）上，用于 提升网络流量，支持低时延、高带宽的 5G 应用。这些 PAC 卡支持 PCI Express (PCIe) Gen4 和 Gen5，还能让开发人员创建 vRAN 和核心网工作负载定制解决方案，并在行业标准编排和开源工具的支持下更快实现上市。
英特尔® Agilex™ FPGA 利用了英特尔的异构 3D 系统级封装 (SiP) 技术。此种封装采用的是英特尔的嵌入式多芯片互连桥接 (EMIB) 技术1 ——一种实现异构芯片封装内高密度互连，既聪明又简单且具成本效益的方法。在这种情况下，EMIB 用于将核心 FPGA 芯片与收发器等其他芯片（也称为 Tile 或 Chiplet，即小芯片）连接起来，从而能够使用恰当的制程工艺技术实现各项功能。
英特尔® Agilex™ FPGA 是第一个基于 10 纳米 SuperFin 技术 构建的 FPGA 逻辑结构。这是英特尔的第三代 FinFET 技术。 这些设备还会使用第二代英特尔® Hyper_ex™ FPGA 逻辑结构。 与之前的英特尔® Stratix® 10 FPGA 相比，该逻辑结构可将数据 中心、网络和边缘计算应用的性能提升高达 45% 或将功耗降低 高达 40%。与 7 纳米 FPGA 其他产品组合相比，英特尔® Agilex™ FPGA 的逻辑结构性能功耗比提高了大约 2 倍。此外，英特尔® Agilex™ SoC FPGA 还集成了又称为硬核处理器系统 (HPS) 的 64 位四核 Arm Cortex-A53 处理器来实现高度系统集成。
英特尔® Quartus® Prime 软件是英特尔的 FPGA 设计软件套件。它支持硬件描述语言 (HDL) 程序设计的分析和综合，使开发人员能够编译自己的设计、执行时序分析、检查寄存器传输语言 (RTL) 图、模拟设计对不同激励的反应，并配置目标设备。英特尔® Quartus® Prime 软件支持 Verilog 和 VHDL、逻辑电路的可视化编辑以及矢量波形仿真。
5G RAN 涉及到大量的数字信号处理 (DSP)。面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 是一种 DSP 设计工具，可以直接从 MathWorks Simulink 环境中生成硬件描述语言的 DSP 算法。借助这一工具， 开发人员可以在高抽象级别上描述设计，然后以高质量、自动流水线化的可合成 VHDL/Verilog 代码形式通过 MATLAB 函数和 Simulink 模型生成高效结构。这种寄存器传输级 (RTL) 模型有利于快速探索设计空间并加快上市。它可与其他 RTL 及知识产权 (IP) 模块相结合，然后再馈送给英特尔® Quartus® Prime 软件。
值得注意的是，面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 可以针对 FPGA 和英特尔® eASIC™ 设备生成经优化的 RTL 模型。对于相同的 DSPB 设计来说，两个目标的 RTL 功能将具有位相同的性质。
英特尔® Agilex™ FPGA 得到了种类广泛的硬件和软件 IP 模块和功能的支持。就 5G RAN 而言，下面是一些关键的 IP 产品：
- 以太网：以太网是局域网 (LAN)、城域网 (MAN) 和广域网 (WAN) 中常用的一系列有线计算机网络技术。如上文所述， 英特尔® Agilex™ FPGA 会利用异构 3D SiP 技术。除了主要的 FPGA 芯片外，这些 SiP 还包括许多较小的芯片，也称为 Chiplet 或 Tile（即小芯片）。英特尔® Agilex™ FPGA F-Tile 是 E-Tile 的演进版本，具有以太网硬核 IP，该 IP 包含一个可拆分、可配置的以太网硬核协议栈，支持从 10 G 到 400 G 的速率并与 IEEE 802.3 规范及其他相关的以太网联盟规范兼容。IP 核有多种变体，提供不同的以太网信道和功能组合， 其中包括可选的 Reed-Solomon 前向纠错 (RSFEC) 和可选的 IEEE 1588v2 精确时间协议 (PTP)。用户可以选择媒体访问控制 (MAC) 和物理编码子层 (PCS) 变体、纯 PCS 变体、灵活以太网 (FlexE) 变体或光传输网络 (OTN) 变体。
- JESD204C：JESD204C 是联合电子设备工程委员会 (JEDEC) 的标准。它是一种能将快速模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC) 与高速处理器、FPGA 和 ASIC 互连的高速接口。 JESD204C 英特尔® FPGA IP 使用子类 1 解决多设备同步问题，实现时延确定性。此外，它还支持仅发送 (TX)、仅接收 (RX) 以及双工 (TX + RX) 模式。
- eCPRI：通用公共无线接口 (CPRI) 是一种传统接口，用于在 4G RAN 中实现 RRH 和 BBU 之间的前传连接。增强型或 演进型 CPRI (eCPRI) 提供了一种拆分基带功能的方法，以 减少流量给系统带来的压力，并在 5G RAN 的 O-RU 和 O-DU 之间实现更灵活、更高效的通信。英特尔® eCPRI IP 实现了 eCPRI 规范 2.0 版，可以支持 10 G 和 25 G 以太网端口，同时还支持类似于 IEEE 标准 1588 PTP 基于硬件的时间戳的单向时延测量。
- O-RAN 前传接口：O-RAN 联盟第四工作组 (O-RAN WG4) 前传接口定义了采用基于下层功能拆分 7.2 方案的架构的 4G 和 5G 实现中 O-RAN 无线单元 (O-RU) 与下层已拆分 O-RAN 分布式单元 (O-DU) 之间的接口。当前的英特尔® O-RAN 前传接口 IP 支持 CAT-A 和 CAT-B 类型的无线解决方案。
面向 5G O-RU 的英特尔® Agilex™ FPGA
全球移动通信系统协会 (GSMA) 是一个代表全球移动运营商和更 广泛移动行业利益的协会。根据 GSMA 的说法2，与当前的 4G RAN 成本相比，5G RAN 基础设施的总体拥有成本 (TCO) 可能会增加 65%。能源成本可能会增加高达 140%。尽可能降低这些成本对运营商的业务至关重要。
成本中一个重要方面是系统中使用的任意 FPGA 的功耗。几乎所有无线解决方案都是对流冷却的（无风扇），因此设计的热效率 至关重要。FPGA 功耗越低，冷却需求就越少，无线电塔的金属用量、尺寸、重量、安装难度以及风荷载就会随之而减少或降低。 如上文所述，英特尔® Agilex™ FPGA 是基于第二代英特尔® Hyper_ex™ FPGA 逻辑结构来构建的，与之前的英特尔® Stratix® 10 FPGA 相比，功耗降低了多达 40%。
如今的无线基础设施是围绕着异构网络构建的。这些异构网络由从毫微微蜂窝基站到微微蜂窝基站，到微蜂窝基站，再到宏蜂窝基站许多不同规格的无线基站组成。每种基站类型都支持不同的特性和功能，包括：
- 频段数量，包括 sub-6 GHz（实际上是 600 MHz 至 7.125 GHz） 和毫米波（又名 mmWave）频段（24.25 GHz 至 52.6 GHz）。
- RAT 技术 (GSM、CDMA、4G LTE/LTE-A、5G、NB-IoT)。
- 射频输出功率电平，通常范围为每根天线 125 毫瓦至 80 瓦。
- 天线元件的数量，在宏蜂窝基站中通常最多为 8 个，在大规模多入多出 (MIMO) 阵列中通常为 16 到 64 个，在毫米波部署中有数百个，具体取决于所需的等效全向辐射功率 (EIRP) 覆盖范围。
- 覆盖 4G、5G、NB-IoT 以及可能包括 2G 和 3G 等传统标准所需的分量载波数量。
- 每个基站支持的用户数量和这些用户正在使用的服务类型。
- 配置（集成天线、传统有源天线阵列、远端射频头等）。
为了能够提供满足上述所有这些场景需求的解决方案，网络运营商必须能够利用广泛的无线硬件。理想的平台解决方案是灵活的， 因为能够使运营商快速适应不断变化的标准和不断演进的性能要求特征，而这些特征正是现代无线通信系统的标志。理想的平台解决方案是可扩展的，因为能够大幅减少设计工作量、资源和成本；减少测试时间和库存；充分实现设计重用。英特尔® Agilex™ FPGA 能够提供灵活性，并且支持可扩展性。
O-RU 数字前端 (DFE) 的关键 IP 组件包括前端接口处理（CPRI、 eCPRI、O-RAN）、下层 1 (LL1)、数字上变频 (DUC)、数字下变频 (DDC)、波峰因子降低 (CFR) 和数字预失真 (DPD)。
本文前面提到，3GPP 功能拆分 7.2 方案被认为是支持 5G O-RAN 的 最佳选择。O-RAN WG4 前传具有 7.2x 拆分接口，在 O-RU 中为 低速 PHY，在 O-DU 中为高速 PHY。图 4 显示了基于英特尔® Agilex™ FPGA 的功能拆分 7.2 O-RU 实现的关键 O-RAN 低 PHY 模块。
这些已经过优化的生产就绪型功能包括关键处理 IP 元素和软件框架，它们捆绑在一起成为集成无线解决方案。该解决方案是已针对英特尔® Agilex™ FPGA 优化的 O-RAN 标准的资源高效实现。该方案使各种应用都能轻松重新配置功能，同时始终保持超小的资源占用率。
此处显示的 IP 元素包括有限脉冲响应 (FIR)、快速傅里叶变换 (FFT)、快速傅里叶逆变换 (iFFT)、循环前缀 (CP) 添加/删除 (+/-)、无线定时、物理随机接入信道 (PRACH)、层映射、IQ 压缩/解压缩、用户平面成帧器/解帧器、控制平面复用器/解复用器和时分双工 (TDD) 切换。软件环境在英特尔® Agilex™ FPGA 的硬核处理器系统 (HPS) 上运行。
这种 5G O-RAN 解决方案包括与 JESD204B/C、IEEE1588 和以太网组件以及其他模块的集成，为的是形成完整的无线子系统。另外，该解决方案还可进行扩展以支持不同的天线配置、带宽、RAT 和载波配置。这种 O-RU 实现可以根据 3GPP 功能拆分 7.2X 方案使用 eCPRI 链路，通过符合 O-RAN 的前传接口连接到基于英特尔® FlexRAN 的 O-DU 服务器。
结论
尽管 5G RAN 从 2019 年、2020 年就开始部署，并在 2021 年开始受到关注，但我们仍处于 RAN 部署的早期阶段、最终用户采用 5G 的初级阶段。话虽如此，当前 5G 正在蓬勃发展，预计到 2025 年 5G 用户将达到 30 亿3。
5G 的全球部署将需要数十万个无线单元，因此运营商对成本极为敏感。正如本白皮书中所展示的，在实现 5G O-RU 所需的功能方面，英特尔® Agilex™ FPGA 能以高性价比为运营商提供高性能。
更多资源
英特尔® Agilex™ SoC FPGA
https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/products/details/fpga/agilex.html
英特尔® eASIC™ 设备
https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/products/details/easic.html
英特尔® 至强® 处理器 https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/products/details/processors/xeon/scalable.html
英特尔® Quartus® Prime 软件套件
https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/software/programmable/quartus-prime/overview.html
面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder
https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/software/programmable/quartus-prime/dsp-builder.html