5G网络分层结构和无线电mdashmdash下一代网络推动了对多样化解决方案的需求

将最终用户设备连接到中央电信网络和云的无线接入网络以及相关的核心网络层级对于建立无处不在的蜂窝网络连接是必不可少的，这将扩展该技术支持的应用场景的数量和广度在制定发展和实施5G RAN和核心设备的策略时，需要深入了解5G的需求，了解技术将在哪里，如何以及何时发展，这将有助于管理预期

本文总结了5G标准和推广的现状，总结了5G RAN需要支持的新应用场景，研究了支持更高带宽和更多应用场景的标准演进最后，本文还解释了开发人员如何使用Achronix现场可编程门阵列技术来应对他们面临的基本挑战mdash以节省成本，功耗和面积的方式，将部分处理工作负载从CPU卸载到基于FPGA的加速器，从而支持5G RAN架构的优化

5G部署和宏观趋势

显然，现在5G不仅是手机连接的下一代蜂窝网络技术5G和蜂窝网络连接技术的发展可以实现许多全新的应用场景，并为那些以前没有将蜂窝网络连接作为其产品组合一部分的公司开辟新的商机5G不再只是提供电信连接，而是成为一种连接，使各种其他应用场景成为可能，如工业物联网，汽车，智慧城市等应用5G旨在支持家庭，城市和工厂中数十亿台新设备的连接，为医生和患者提供远程医疗支持，支持与IT技术的融合，并完全取代有线连接

从根本上说，5G是一种蜂窝移动通信网络技术实现方案，比前几代更具频谱效率它显著增加了空中接口容量，结合了波束成形/定向技术，以及聚合4G和5G信道的能力，所有这些都得到了很好的利用

5G基础设施的部署开始增加预计5G的采用速度将快于4G移动网络运营商推出的5G网络已覆盖10亿用户，比4G达到类似水平提前了两年

下表描述了引领未来技术发展和演变的宏观趋势。

表1:影响5G演进的宏观趋势

推动5G转型的基石

以前的RAN架构基于单个构建模块，逻辑节点之间很少交互可是，从新无线电研究的初始阶段，人们就认为在集中式单元，分布式单元和无线电单元之间拆分gNB基站会带来更大的灵活性灵活的硬件和软件实现可以支持更具可扩展性和成本效益的网络部署mdashmdash但前提是软硬件组件可以互操作，可以和不同厂商的组件组合匹配

这种split拆分架构支持性能特性，负载管理和实时性能优化的协调，能够适应各种应用场景这种分离式架构还提供了各种应用程序所需的服务质量这些应用具有不同的延迟容限和对传输的依赖性此外，不同的部署场景，如农村和城市，也有不同的传输模式，如光纤和无线下图介绍了5G部署所需的主要构建模块

图1:推动5G转型的构建模块

5G不再仅仅是一个RAN，而是一种包括从客户端到数据中心的整个网络连接的技术历史上，智能位于蜂窝网络的任何一端，包括客户端，基站和核心网伴随着我们迈向数万亿的互联设备，MNO无法增加越来越多的容量来将数据从无线电传输到数据中心进行应用处理，然后再传输回客户端设备例如，如果联网的图像传感器的数量从4亿增加到今天的10亿，则网络流量将从大约150 EB增加到今天的400 EB

解决资本支出问题的一种方法是在整个网络中更均匀地分布智能这种变化需要分配更多的计算能力，以便做出更快，更有效的决策比如上图中标注多路存取边缘计算处理:的框表示支持此智能分配的附加类型

上图中圈出的美元值显示了过去四年中RAN和网络层级中设备支出的估计成本无线网络本身的成本就很巨大，研发成本高达1200亿美元

该图显示了构成5G无线电网络的不同单元为了支持一系列不同的5G应用场景，从增强型移动宽带和大规模机器通信到超高可靠性和低延迟通信，需要灵活地确定这些单元在网络中的物理位置例如，该图显示了如何将分布式单元用作靠近无线电单元的独立单元，以支持5G的低延迟和更实时的要求对于非延迟密集型应用，杜灿可以在类似vRAN的部署中与CU共处一地

这种对灵活性的需求促使这些设计中使用的那些构建块具有相同的灵活性，并支持这些设计以各种方式划分公共单元SoC设计的多样性和如何实现加速器功能是应对这些挑战的重要因素

5G RAN需要支持哪些应用场景。

作为定义5G的第一步，国际电信联盟电信标准化局确定了消费者，企业和行业使用蜂窝网络的当前和未来方式，随后3GPP开始实施所需标准的制定作为3GPP推动的新服务和市场技术推动者研究项目SMARTER project的一部分，其团队确定了蜂窝网络当前和未来的高级应用场景以及所需的特性和功能

除了称为固定宽带的类别之外，该机构还定义了三种类型的移动应用场景:mMTC，eMBB和URLLC。尽管这些类别的名称并不特别吸引人，但它们已经成为行业标准术语:

middotmMTCmdashmdash大规模机器对机器通信引入了对大规模机器对机器交互的支持，包括电池供电的物联网设备一般来说，这些设备需要相对低的延迟，高可靠性的连接和高能效它的挑战是为数十亿的物联网设备提供可扩展性和一致的连接，这些设备的通信频率相对较低，通信时间较短广泛的覆盖和深入的室内渗透非常重要，低成本也很重要

middoteMBBmdashmdash如果说mMTC主要处理机器如何使用蜂窝网络，那么eMBB主要处理人类如何使用蜂窝网络此类应用场景包括8K视频流，沉浸式增强现实/虚拟现实，互联交通信息娱乐和支持移动宽带连接的企业这一类的关键要求是超高的频谱效率，极高的数据速率和超低的中断时间

3GPP R15版本中定义的5G NR满足所有这些要求伴随着支持5G NR的基础设施开始扩展，这些应用场景变得更加广泛这一类别可以被认为是发展和变化的结合，因为通过蜂窝网络连接的笔记本电脑并不是全新的，而沉浸式AR/VR和其他数据密集型应用在前几代蜂窝网络中并没有真正实现

middotURLLC ndash作为一种服务，提供对超高可靠性和低延迟通信的支持是5G真正革命性的方面，因为它提供了一种尚未在实际应用中出现的性能水平加入URLLC支持可以实现智能交通等应用，包括可以在复杂路况下导航，通过相互协作避免碰撞的车辆，以及与第四次工业革命相关的应用场景，包括时间关键的工厂自动化等它还包括远程医疗，其中包括测量生命体征并根据需要自动或半自动做出反应的设备，以及远程医疗，包括在救护车上，在灾害情况下或在偏远地区，在远程医生的实时指导下进行手术

在所有这些情况下，连接需要非常稳定，并且以毫秒或更少的端到端延迟率运行3GPP规范的R16和R17版本中定义了支持URLLC所需的主要功能换句话说，URLLC代表了5G的未来，即使这个未来只有几年的时间

在3GPP规范的每个版本中都增加了各种功能，以解决这三类在不同方面的问题在规范的早期版本中，已经解决了今天活跃的或者即将到来的具体应用场景，而未来的应用场景将在以后的版本中解决mdash这些都是5G可持续发展的一部分

图2:2:5G应用场景分类

符合3GPP和R18版本要求的演进

5G的演进带来了一系列新的标准，这些标准得到了许多参与ETSI 3GPP的公司的认可但是5G标准的演进可能会带来什么技术要求呢

下图显示了3GPP新标准制定流程的当前状态当今5G网络中部署的设备主要由3GPP规范版本R15和R16中规定的技术组成3GPP规范的未来版本将满足更高级的应用场景和由此产生的网络需求

如今，3GPP已经过了R17发布的中点，计划在2022年中期发布同时，关于R18 目标范围的讨论正在顺利进行3GPP Rel—18及其后续版本被称为5G Advanced，以确认该技术的发展

Rel—17的功能旨在提高现有和新应用场景的网络性能。下图将这些新功能分为三类:

空中接口和管理功能:

middot上下拆分L1处理卸载ndash用于上行链路和下行链路信道的L1核加速

middot复杂L1 MAC调度加速

middot频谱效率，波束管理和动态频谱共享

middot灵活的DFE处理/卸载

连接性和安全性:

middotECPRI卸载和处理

middot以及返回和安全卸载。

middot网络处理和平衡，包括缓冲区和队列管理

并计算加速度:

middot和c平面管理:机器学习/人工智能在用户路径选择策略中的应用

middot网络数据分析

middot将边缘计算主机放在离无线电单元更近的地方。

middot具有机器学习和基于应用的处理的无线电

这些类别和特性将在后面的章节中详细讨论。

图3:3GPP规范新版本的时间表

Rel—18或5G Advanced在Rel—17的基础上，通过在无线电和网络层次中集成机器学习技术，提供更加智能的网络解决方案，以支持更多新的应用场景，提高网络效率具体到无线电的变化，Rel—18是支持提高频谱效率的主要工具，进一步增强波束形成和大规模多输入/多输出，尤其是在中频段和6 GHz以下的频谱

就5G—A的新应用场景而言，除了汽车和工业领域，还有国家安全和公共安全应用在这些应用场景中，这些新功能可以用来支持无人机远程控制和恶意无人机检测

5G网络分层结构和无线电mdashmdash下一代网络推动了对多样化解决方案的需求。

影响平台多样性需求的驱动因素有很多移动运营商一直希望在基于网络功能虚拟化和软件定义网络的技术上构建自己的网络，并在商用现成服务器上运行可是，Achronix认为，单一的同构设计无法满足5G发展的所有要求不同的工作负载给网络带来了不同的压力，从而推动了满足这些需求的不同解决方案的出现

的新架构将能够在集中式单元和分布式单元之间灵活地拆分和移动5G NR功能。这种架构带来的优势包括:

middot更灵活的硬件实施，支持更具可扩展性和成本效益的解决方案。

middot它可以协调性能特性，负载管理，实时性能优化等功能，并根据应用场景启用NFV/SDN技术。

middot不同的部署场景可以启用不同的应用场景，如eMBB，uRLLC，mMTC等反过来，这些不同的部署场景通过适应网络分层结构/架构的变化，并通过网络分段等新功能动态分配网络资源，从而支持无线电技术的发展

新的网络/功能分割可能会影响对不同设备和片上系统选择的需求。

图4:应用场景，细分和多样性

该图示出了3GPP标准中规定的不同选项分割，以支持新兴应用场景和相应的不同业务类型该图显示了L1，L2和L3的不同分割，以及在CU，DU和RU上运行的不同功能

middot方案6拆分，当上层功能集中在网络中，但与无线电相关的具体流量调度和无线电链路控制被推送到更靠近射频网络的地方。

middotL1选项7.x拆分，此时上层的L1处理集中在L2和L3功能，只有下层的L1 Phy功能填充到RU中。

下图以图形方式展示了5G NR带来的挑战，即支持一些新的天线配置所需的大量处理性能图的左侧示出了具有2个发射通道和2个接收通道的低频带MIMO天线，右侧示出了具有64个发射通道和64个接收通道的中频带天线从低频段向中频段演进，支持更高频谱信道，实现频谱共享，双连接，4G载波聚合成为可能这些中频要求还需要支持小于0.5 ms的传输间隔，并且需要大量的波束形成和定向处理

因此，如下图所示，此时所需的计算能力，尤其是L1处理所需的计算能力，伴随着这些更高的带宽开始呈指数增长空中接口的第1层处理，以及中频带中的频谱波束形成和测向的管理，需要比低频带部署更高的处理要求

图5:5:5G中低频频谱所需的处理负载

为了满足L1处理负载的要求，行业必须考虑引入不同的异构解决方案来高效地满足处理要求加上新的网络/功能拆分，这些新的解决方案可能会带来对设备和SoC选项的多样化要求因此，单一的均质化解决方案无法满足所有RAN要求

5G设备的分布推动了对灵活性和加速的需求。

Rel—17和Rel—18中提出的新要求推动了对单个CPU架构子系统的更高灵活性和更快负载卸载的需求下图显示了5G网络中的主要单元:RU，DU和CU对于这些单元中的每一个，都需要考虑如何使用由CPU，DSP和加速器组成的异构架构来满足这些新设计的延迟，功耗，面积和成本目标

网络运营商一直希望尽可能使用云原生的，基于软件的技术来实现所有RAN功能，并假设基于x86或Armreg运行在CPU平台上的解决方案可以最大化灵活性研究表明，对于低频段部署，基带和控制可以在CPU平台上以最小的加速卸载提供服务这样一来，就实现了DU和CU的集中功能，用光纤连接RU，无线电里只有最少的处理功能

在各种部署中，COTS服务器可以用来处理具有单个CPU内核的低频段单元的所有事务对于这些类型的部署，将软件中的一切作为虚拟化或容器化的工作负载运行是可行的，其性能，成本和功耗要求都是可用的在这种情况下，从图中可以看出，DU中的L2+功能和L1中的大部分处理可以与CU中的核心网络功能一起位于小型服务器中

可是，如前图所示，伴随着各种部署转移到6 GHz以下的中频带，例如大约3.5到3.6 GHz，无线电处理几乎呈指数增长在这种情况下，下游和上游的处理负载将增加20—40倍如果没有加速功能，则需要超过16个x86内核才能满负荷运行一个中频段单元可是，这种系统的成本和功耗在商业上是不可行的，因此有必要将一些L1层和L2层功能卸载到专用硬件，这在未来将变得越来越重要mdash硬件加速器或者位于CU中，或者分布在更靠近无线电接口的远程DU和RU中

图6:6:5G设备的去中心化推动了对更高灵活性和加速的需求。

除了CNF/VNF，此处列出的产品也非常适合将工作负载从x86，Arm或R5 CPU子系统卸载到硬件加速器。一些例子如下:

middot对盒子之间的接口进行网络处理和分类管理，包括传输/传输后/安全接口，eCPRI传输前接口，或者需要流量管理器和分类器的地方。

middotL1处理和波束形成是必须使用加速的另一个领域使用DSP或eFPGA技术或同时使用这两种技术来最大化吞吐量和优化功耗非常重要

另外，2025年之前，几乎所有RAN SoC的默认要求可能都是机器学习加速mdashmdash该功能不仅可以应用于运行在5G上的应用场景中的学习和推理功能，还可以应用于RAN L1物理层的增强研究表明，AI/ML可以显著提高L1 PHY的性能第一个研究领域是AI/ML增强可以应用于Apollo波束管理，信道估计和预测

5G高级，eFPGA和FPGA加速

未来，FPGA和eFPGA技术可以用于5G设计的各个领域如前所述，在可编程性和计算效率之间总是有一个权衡虽然CPU提供了终极的可编程性，但基于图形处理器，FPGA和ASIC的硬件解决方案总是提供更低功耗的优势，但灵活性大大降低

历史上，FPGA已经广泛用于前几代蜂窝网络的设计中在3G和4G设计中，系统的重要部分是围绕独立的FPGA设计的这些FPGA用于加速空中接口的一些功能，并且它们与基带单元中用于空中接口处理的DSP紧密集成FPGA还用于CPRI连接的传输和安全接口，机箱接口，回程和安全接口

将FPGA功能集成到ASIC中，可以解决5G设计面临的一些挑战与独立FPGA相比，在SoC中集成e—FPGA功能可以提供更低成本的解决方案，因为设计人员只能选择嵌入所需的资源，同时减少电路板面积，增加封装和I/O在SoC上集成，与CPU和DSP资源紧密耦合，可以提供更高的带宽，更低的延迟和更低的功耗同时，部署的设备可以伴随着规格的变化实时升级，提高了灵活性

图7:5G高级:用于异构计算加速的eFPGA IP和FPGA

在上图中，红框说明了如何使用Achronix eFPGA和FPGA技术将灵活性集成到全新的RU，DU和CU设计中，这些设计可以作为独立设备，单芯片SoC实施，或者封装在多核密封模块中作为小芯片设计中的一个芯片。

对于CU和core RAN应用，可以使用一个或多个FPGA来支持非常高的数据速率和计算密度，以帮助服务器为特定网络和无线电卸载各种工作负载。

Achronix正在与该领域的许多合作伙伴合作，他们正在开发有针对性的解决方案Napatech和Accolade等公司正在为智能网卡开发FPGA半导体知识产权这些SmartNIC可用于各种不同的5G需求，包括基于vRAN部署的DU最终设计包括网络，PDCP，安全，OVS和L1卸载技术在未来，这些解决方案也可能用于多址边缘计算的机器学习推理，特别是无线电应用

图中的红色单元表示eFPGA在RU和DU中的功能，以及如何将一个或多个带CPU，DSP和存储子系统的嵌入式FPGA逻辑块集成到SoC设计中。

在SoC上集成eFPGA

EFPGA是集成到定制SoC或ASIC中的核心这个IP可以通过购买授权获得和使用，类似于半导体设计中使用的其他IP与独立FPGA的设计过程不同，eFPGA的设计人员可以根据客户的需求选择逻辑，DSP和存储资源的确切数量在进入量产时，eFPGA还可以通过替换独立FPGA来降低系统成本，功耗和电路板面积

SpeedcoretradeEFPGA IP架构包含许多架构增强，可以显著提高性能，降低功耗，减少芯片面积。选择Speedcore eFPGA时，设计师可以选择最佳的建筑单元组合，包括:

middot逻辑ndash6输入查找表，集成了广泛的多路复用功能和快速加法器

middot逻辑RAM ndash对于LRAM2k，每个存储块的容量为2kb，，对于LRAM4k，每个存储块的容量为4 kb。

middotBlock RAM ndash用BRAM72k，每个存储块的容量是72kb对于BRAM20k，每个存储块的容量为20 kb。

middot机器学习处理器ndash每个单元块上有32个乘法器/累加器，支持整数和浮点格式。

在基于SoC的设计中集成e—eFPGA功能是一种理想的方式，它可以提供一个灵活且可扩展的平台来最大限度地提高RAN设计的性能，同时仍然满足这些新设计的严格功耗目标。除了独立FPGA的优势之外，EFPGA技术还可以提供一些额外的优势:

middot与CPU或GPU方案相比，在相同的计算能力下，这些基于eFPGA的设计具有更低的功耗，并且可以灵活地添加和更改功能。

middotE—eFPGA的可重新配置特性提供了满足不断发展的标准的灵活性，并且可以更新已经部署在现场的设备。

middot低延迟，高能效且高度灵活的eFPGA IP模块可在多种SoC设计中重用。

将FPGA功能与CPU，DSP和存储子系统紧密耦合也带来了优势独立的FPGA芯片通过集成在其他芯片上的自己的高速SerDesS/PHY连接到它们，它们都需要消耗功率将eFPGA集成到SoC中，你就可以在设计中消除两个芯片上SerDes接口的需要，只需要部署你实际需求所需要的功能，那么芯片面积当然会节省下来

设计者可以选择集成单个或多个eFPGA实例它们可以集成在SoC中的任何位置，并且其大小可以从数千个lut扩展到数十万个lut这些eFPGA实例可以与CPU子系统紧密耦合，以高效地使用共享缓存和存储子系统来执行高性能和低延迟的任务例如，Arm提供的CHI—E总线作为其架构的一部分，支持一致的网状互连，从而支持一些应用程序将CPU上的高负载卸载到eFPGA单元块进行特殊处理

图8: eFPGA用于满足ASIC/SoC中的5G高级功能:RU和DU实现

Speedcore eFPGA技术已在量产中得到验证我们的客户已经为这些类型的应用提供了超过1000万台配备该IP的设备，这些设备已经用于各种功能，包括支持eCPRI连接，后传输和安全接口，用于数字预失真适配的无线电数字前端算法功能的卸载，波束成形卸载以及使用分离L1的基带重新分离

EFPGA作为5G NR功能的加速器

Achronix的目标是使用Speedsterreg独立FPGA芯片和Speedcore eFPGA IP技术，满足5G—A和6G的需求Achronix及其合作伙伴致力于开发各种解决方案，以应对影响5G发展的当前和长期趋势

middot用于加速各种5G工作负载的高性能架构mdashmdashAchronix为每种功耗/面积预算提供高性能解决方案，并支持FPGA和e—FPGA技术，以出色的能效加速工作负载。

middot多元化解决方案和生态系统mdashmdashAchronix支持设计人员自由而紧密地耦合自定义加速器，并为基于eFPGA和FPGA的环境提供补充操作Achronix生态系统包括广泛的合作伙伴，共同推动包括eCPRI，无线电卸载和芯片间互联在内的5G功能创新

middot可从云扩展到无线电接口mdashmdashAchronix解决方案提供从服务器卸载工作负载所需的性能，包括面向5G应用的FPGA SmartNIC设计，并通过eFPGA扩展性能，以满足RAN中的吞吐量和功耗要求此外，该架构可以在两者之间的所有点上进行扩展

本文重点关注5G演进中的主要挑战:

middot数据处理mdashmdash为了实现更高的频谱效率和满足端到端的时延要求，5G RAN需要在数据处理中实现更复杂的算法当考虑这些算法的要求时，重要的是在硬件和软件任务之间找到适当的平衡，以便系统能够实现其性能，功耗和成本目标EFPGA是卸载CPU子系统工作负载的理想选择

middot部署场景mdashmdash给定RAN支持的具体应用场景对整个系统有很大的影响，因为每个应用场景都有其独特的特点一种方案可能不适用于所有情况决定如何在不同设备之间划分网络功能以支持一组给定的应用场景可能会影响RAN设计

middot和无线电频谱mdashmdash更有5G的频谱，设备工作在低频段，中频段(1 GHz至2.6 GHz或3.5 GHz至8 GHz)和高频段(24 GHz至40 GHz)每个频带对边缘性能，容量，速度和延迟都有自己的一套要求伴随着新频谱资产的可用性，RAN系统需要满足这些不同的要求

middot供应链和生态系统mdashmdash5G正在许多方面颠覆供应链一些计划旨在减少对供应商的依赖，而专有和开放软件平台的可用性正在增加基础设施的支持水平也因地区而异原始设备制造商可能需要重新评估和修改他们的生态系统伙伴关系

middot新兴标准mdashmdash5G标准演进的投资规模巨大，以支持新的应用场景和附加功能特别是Rel—17和Rel—18将支持许多新的应用场景除了3GPP，还有一些独立的行业组织，如电信基础设施项目和开放RAN联盟(O—RAN)，他们正在致力于5G的运营和部署越来越多的人倾向于将O—RAN联盟视为推动接口规范发展的关键行业组织

摘要

无线接入网和5G网络的层级结构会发生变化将设备形式从今天的基带和无线电功能分散到单独的盒子中，将要求这些功能可以位于网络的许多不同部分，以支持不同的可选分离项目未来，移动网络运营商将需要使用分段技术来动态划分网络功能伴随着整个网络功能的虚拟化，使用在商业标准化服务器上运行的容器化和虚拟化功能将变得非常普遍可是，5G的成功取决于灵活和可扩展平台的实现，其功耗，吞吐量和延迟是支持L1和天线中大规模MIMO的关键，尤其是在RAN中在网络分层结构中，边缘计算等新功能将需要推动机器学习功能更接近无线电接口具有CPU和DSP功能的可扩展异构SoC架构，加上其将工作负载卸载到基于ASIC，SoC和ASSP的FPGA和e—FPGA的加速能力，将被广泛采用，因为它可以满足近期和中期的5G规范变化

总之，eFPGA IP是迎接这些新的设计挑战的关键元素，因为它具有可扩展的功能，以满足3GPP R17和R18的新规范，即5G Advanced和6G，并实现一些未知的功能。

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