第 5 代無線接入網(wǎng)絡(luò)有望滿足 2020 年及以后新型用例及應(yīng)用的系統(tǒng)和服務(wù)要求,。連通各行各業(yè)并支持新服務(wù)是 5G 技術(shù)最重要的方面,，以便為滿足 2020 年信息社會的要求做好準(zhǔn)備。第 4 代或 4G LTE 主要在于連接人和地,，是以通信和信息共享為核心主題,。5G 通過為 4G 的通信和信息共享主題增加可靠,、彈性的控制與監(jiān)控功能,，從而將連接范圍擴(kuò)展到機(jī)器設(shè)備。這種轉(zhuǎn)變對系統(tǒng)要求和設(shè)計原理產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響,。5G 愿景可以說包羅萬象,，涉及人們生活的方方面面，會影響人們?nèi)绾紊a(chǎn)產(chǎn)品,，如何管理生產(chǎn)過程中的能源與環(huán)境,，如何運輸、存儲和消費物品,，影響人們?nèi)绾紊?、工作、通勤,、娛樂和甚至放松等等?/p>

因此，需要使用虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)來挑戰(zhàn) 5G 系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)性能極限,，以確保實現(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)容量,、更高的用戶吞吐量、更高的頻譜,、更高的帶寬,、更低的時延、更低的功耗,、更高的可靠性和更高的連接密度,。5G 架構(gòu)包含模塊化網(wǎng)絡(luò)功能。這些功能可按需部署和擴(kuò)展,，從而能夠以低成本方式滿足廣泛的應(yīng)用案例需求,。

4G LTE 技術(shù)很成功，非常適合 6GHz 以下頻譜,。5G 則增加了 6GHz 以上頻譜,，為無線電接入網(wǎng)絡(luò)開啟了大段未使用頻譜。它還支持大于 20MHz 的載波,，降低控制開銷,，提高 RAN 靈活性以滿足多種用例需求。支持大于 6GHz 的頻譜是 5G 技術(shù)最具前景的屬性之一,，或許也是難度最大的特性,。6GHz 以上通道模型由 3GPP 于 2016 年 6 月發(fā)布，其精度對正確設(shè)計基站和用戶設(shè)備（UE）設(shè)計起關(guān)鍵作用?，F(xiàn)實情況是,，還需做更多工作和現(xiàn)場測試以提高這些模型的精度。這期間,，系統(tǒng)設(shè)計需要具有靈活性和內(nèi)在的可編程性,，以根據(jù)在現(xiàn)場經(jīng)驗調(diào)整和改進(jìn)底層算法,。

將端到端時延減小到 1ms 以內(nèi)是 5G 的另一個重要目標(biāo)，旨在滿足任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用的超高可靠低時延用例,，以及擴(kuò)展的移動寬帶用例（諸如承諾為服務(wù)提供商帶來更高收入的游戲）的要求,。5G 正在改進(jìn)幀結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)上述這一目標(biāo)。圖 1 給出一種準(zhǔn) 5G 標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)方案,。該方案具有 100-200 微秒級的很短的傳輸時間間隔（TTI）,，比 4G LTE 的 TTI（1ms）縮短 10 倍，具備快速的 Hybrid ARQ（自動重發(fā)請求）確認(rèn),，可縮短系統(tǒng)時延,。利用前載解調(diào)制參考和控制信號，可在接收幀的期間執(zhí)行幀處理,，而不是等緩沖整個子幀之后再處理,。幀結(jié)構(gòu)還用來簡化和加速每子幀的快速調(diào)度請求。因此,，5G 基帶所需的計算與 4G LTE 系統(tǒng)相比會顯著增加,。

5G 有望支持靈活的幀結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同用例和應(yīng)用要求,，例如數(shù)據(jù)包長度和端到端時延,。有兩種子幀擴(kuò)展方法正在考慮中，它們具有靈活的每子幀符號數(shù)量和可變的子幀長度,。也可將兩種方法混合使用,。兩種方法都支持多種傳輸類型（下行鏈路、上行鏈路和混合方式）,。子幀持續(xù)時間和采樣率與基線 5G 數(shù)字論定義的一樣,。靈活幀結(jié)構(gòu)對物理 （PHY） 層實現(xiàn)有影響。逐符號看,，F(xiàn)FT 長度和循環(huán)前綴可能不同,。符號數(shù)量、每物理資源塊的 OFDM 子載波數(shù)量和 QAM 符號數(shù)量就每子幀而言可能會不同,，具有可變的保護(hù)時段位置和長度,。這會顯著增大 5G PHY 的實現(xiàn)復(fù)雜性。至少在最初幾年,，構(gòu)建 5G 系統(tǒng)最為得當(dāng)?shù)姆椒☉?yīng)該是利用可編程 FPGA 和 SoC 隨標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)來擴(kuò)展和升級系統(tǒng),，并根據(jù)現(xiàn)場的性能測量結(jié)果改進(jìn)和調(diào)整實現(xiàn)方案。

圖 1：一種準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的基線 5G 幀結(jié)構(gòu)

MIMO 技術(shù)非常適合厘米波 （3-30 GHz） 和毫米波 （30-300GHz） 頻率,，這是價格便宜而且未充分利用的頻譜資源,，有大量可用的連續(xù)波段。頻率越高,，傳輸信號的傳播損耗越大,。不過,，更高頻率下能獲得很窄的筆形波束，可實現(xiàn)更大天線增益,，以補(bǔ)償較高的傳播損耗,。此外，隨著載波頻率增加,，天線單元的尺寸會減小,。因此，可以在更小的區(qū)域裝入更多天線單元,。例如,，包含 20 個單元的 2.6GHz 最先進(jìn)天線大約是一米高。在 15GHz下,，可以設(shè)計具有 200 個單元但只有 5cm 寬,、20cm 高的天線。天線單元增多,，意味著可以準(zhǔn)確地將信號導(dǎo)向目標(biāo)接收器,。由于系統(tǒng)以很多這種波束形式將傳輸集中在特定方向上，因此覆蓋率和容量會大幅提高,。

5G NR（新無線電）規(guī)范草案沒有指明所支持的 MIMO 層數(shù)量，不過很可能高達(dá) 32 至 64 層,。5G 系統(tǒng)將支持在每個 TTI 期間對用戶資源分配進(jìn)行快速重新配置,，以實現(xiàn)更高頻譜利用率。當(dāng)支持多個 MIMO 層時,，這會進(jìn)一步加大系統(tǒng)復(fù)雜性,。圖 2 給出了 5G MIMO 系統(tǒng)中用戶資源分配實例。時分雙工 （TDD） 有助于緩解 5G Massive MIMO 的實現(xiàn),，其中信道狀態(tài)信息利用信道互易性來確定,。該方案未考慮用戶端設(shè)備或終端中的非線性。需要指明的重要一點是,，在 5G 基站實現(xiàn)方案中,，終端需要記錄多個波束并定期請求基站進(jìn)行資源分配，以便為上行數(shù)據(jù)傳輸分配最佳波束,。當(dāng) UE 終端切換波束時,，需要重新計算信道狀態(tài)信息。為了實現(xiàn)如此復(fù)雜的系統(tǒng),，務(wù)必要引入足夠的靈活性和可編程性,，以便調(diào)整實現(xiàn)方案，針對不同終端實現(xiàn)所需的性能,。

圖 2：基線 5G 系統(tǒng)中的 MIMO

對于 6GHz 以下的部署,，5G 系統(tǒng)通常多達(dá) 64 個天線單元,。6GHz 以上可有更多的天線單元數(shù)量。數(shù)字波束形成一般用在 6GHz 頻率以下的情況（在基帶中實現(xiàn)）,；而結(jié)合了數(shù)字和模擬波束形成技術(shù)的混合方案則用于 6GHz 以上頻率,。包含 64 個天線單元的 Massive MIMO 系統(tǒng)配置會顯著增加復(fù)雜性和成本，因為要支持 L1 基帶中數(shù)字波束形成所需的大量有源無線電信號鏈和預(yù)編碼計算,?；鶐幚硇盘栨溑c遠(yuǎn)端射頻單元之間的連接要求急劇增加。為了比較經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)這些系統(tǒng),，有必要在無線電中集成 L1 基帶信號處理或其中的一部分,。未來的這種功能劃分可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中 L1-L2 與無線電功能處在相同位置。圖 3 介紹了 64 個天線單元的 Massive MIMO 在不同系統(tǒng)功能邊界上的連接要求,，凸顯了 L1 與無線電共址的必要性,。

圖 3：Massive MIMO 系統(tǒng)中的連接挑戰(zhàn)

5G 的范圍相當(dāng)廣泛，而且整個業(yè)界又非?；钴S,，提交了數(shù)百提案，因此使得商議時間大大延長,。對所提議的算法和網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行仿真,，這樣雖說不錯，但還不夠,。概念驗證演示,、現(xiàn)場試驗和測試臺對于這些提案的評估都非常關(guān)鍵。這使得一般的機(jī)構(gòu)很難審核所有提議,。此外,，來自市場的壓力也非常巨大，要求更早地發(fā)布 5G 規(guī)范,。有些運營商對于海量機(jī)器類通信（mMTC）和超高可靠低時延用例（URLLC）標(biāo)準(zhǔn)化的推出計劃延期感到不悅——預(yù)期在 2019 年末推出,。3GPP 已針對數(shù)據(jù)選擇 LDPC，針對 eMBB 用例選擇極化碼,。對于 mMTC 和 URLLC 用例,，LDPC、極化碼和渦輪碼都在考慮之中,，不過行業(yè)還要等待更長時間才能為這些用例做出結(jié)論,。很多情況下，用戶終端以及 5G 基站有可能支持多種 5G 用例,，這使得設(shè)計基帶編解碼器的難度加大,、成本更高。

更復(fù)雜的是，運營商沒有明確 5G 用例如何進(jìn)行商業(yè)化部署以及哪種會在市場部署方面走在最前面,。固定無線接入（替換最后一英里光纖）和智能城市是兩個業(yè)界領(lǐng)先的用例,。采用URLLC的垂直產(chǎn)業(yè)整合以及自動化運輸?shù)冗€需要更長時間才能從實驗室和有限現(xiàn)場試驗中走出來，實現(xiàn)更廣泛的市場應(yīng)用,。出于這些原因,，5G 系統(tǒng)預(yù)計要具有足夠的靈活性和可編程性以精調(diào)系統(tǒng)功能和性能，從而在這些用例被采用后實現(xiàn)演進(jìn)并適應(yīng)市場現(xiàn)實,。

賽靈思 All Programmable FPGA 和 SoC 在實現(xiàn) 5G 概念驗證,、測試臺驗證以及 eMBB、URLLC 和 mMTC 用例的早期商業(yè)化試驗中起到關(guān)鍵作用,。商用芯片尚未推出,，ASIC 也無法在 5G 標(biāo)準(zhǔn)化階段早期實行。就基于賽靈思 All Programmable FPGA 和 SoC 的平臺而言,，其關(guān)鍵價值在于系統(tǒng)可以動態(tài)調(diào)整以支持任意功能和增強(qiáng)型算法實現(xiàn)方案,。廠商利用這些平臺運行現(xiàn)場試驗，以測量實際部署環(huán)境中的性能,，從而優(yōu)化系統(tǒng)實現(xiàn)方案,。第一波商用 5G 系統(tǒng)可能就要依賴這些最優(yōu)化系統(tǒng)。賽靈思 UltraScale? 和 UltraScale+? All Programmable FPGA 和 SoC 專門為滿足 5G 市場要求而設(shè)計,。