1.引言

　　我們目前處于蜂窩連接的轉(zhuǎn)型時期,，未來無處不在的無線連接正在興起。在全球范圍內(nèi),，2G,、3G和4G的成功推動手機使用量達到了令人難以置信的75億部。令人震驚的是,，這使得移動設備的數(shù)量比全球人口還要多,。或許更具影響力的是,，蜂窩連接對那些之前被數(shù)字化剝奪權(quán)利的人產(chǎn)生的影響,； 例如，2016年撒哈拉以南非洲地區(qū)每100人通常有1部固定電話,，但有74臺移動連接設備,。

　　展望未來十年，隨著5G的出現(xiàn),，無線基礎設施將變得更加普遍,，甚至與我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷嫱耆跒橐惑w。 5G延續(xù)了先前蜂窩標準（在驅(qū)動帶寬方面）的模式，但也將其擴展到更多設備和使用模式,。

　　主要趨勢包括：

　　1．對增強型移動寬帶（eMBB）和其他應用的帶寬增加需求,，特別是以10倍現(xiàn)有吞吐量或者更高速率驅(qū)動的瞬時可用帶寬。

　　a. 這將是5G標準化帶來的首波驅(qū)動力,，其中3GPP已于2017年完成非獨立（即LTE輔助）新無線電（NR）,，2018年可提供5G獨立版，如圖1所示,。

　　b. 5G的部署也將根據(jù)頻段情況分階段進行,，首先部署6GHz以下，然后是毫米波（mmWave）頻率的連續(xù)頻段,，以便在稍后階段支持關(guān)鍵eMBB應用,。

　　圖1：5G的ITU和3GPP時間表

　　2．隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)蜂窩網(wǎng)絡連接的到來而連接到大量的設備。預計到2020年將有500億臺蜂窩網(wǎng)絡連接的設備,。這些需求當中的一部分可以通過現(xiàn)有標準滿足,，同時也要靠Release 16版本中海量機器類通信（mMTC）的現(xiàn)有規(guī)范去實現(xiàn)了,。

　　3. 新的應用模式也在不斷涌現(xiàn),，這對移動設備及其蜂窩無線基礎設施提出了新的要求。示例包括：

　　a.用于連接多個電池供電物聯(lián)網(wǎng)端點的低帶寬,、低功耗的要求,，以實現(xiàn)mMTC相關(guān)的連接和監(jiān)控；

　　b.用于車輛到車輛和車輛到基礎設施的連接（C-V2X）高可靠性,、低延遲蜂窩網(wǎng)絡,，以補充現(xiàn)有的V2X解決方案

　　c.為遠程手術(shù)和增強/虛擬現(xiàn)實等新興應用提供的高可靠性、低延遲支持

　　后兩類應用將通過即將推出的3GPP超可靠,、低延遲連接（URLLC）標準來解決,。

　　4. 對邊緣分析和移動邊緣計算（MEC）的新需求。計算重心正在從以前估計的將數(shù)據(jù)發(fā)送到集中式計算資源進行處理,，轉(zhuǎn)變?yōu)橐频轿挥跀?shù)據(jù)生成原點附近的分布式計算資源的新范例,。造成這種轉(zhuǎn)變的原因是多方面的：新興應用嚴格的延遲要求、越來越龐大的數(shù)據(jù)量,，以及優(yōu)化稀缺網(wǎng)絡資源的愿望等等許多方面,。

　　2.基帶

　　在本文中，我們考慮如何通過具有高性能CPU子系統(tǒng)和包括FPGA可重編程加速硬件處理單元的SoC架構(gòu)來成功應對5G的獨特需求,。

　　基帶從網(wǎng)絡接口（例如以太網(wǎng)）獲取數(shù)據(jù),，并將其轉(zhuǎn)換為通過前傳（Fronthaul）接口傳輸?shù)缴漕l前端進行傳入/傳出的復雜樣本。以下高級原理圖包括用于LTE下行鏈路的發(fā)送器,，以及用于上行鏈路的接收器,。

　　3.基帶L1處理的案例研究

　　在這里，我們舉例說明如何將基帶處理（尤其是Layer-1層）映射到關(guān)鍵處理元器件上,，如處理器子系統(tǒng),、CPU和DSP內(nèi)核,，以及固定和靈活的硬件加速。

　　除了前面描述的處理元器件之外,，還有一個靈活的天線接口功能模塊：這是連接基帶和射頻單元所需的元件,。傳統(tǒng)上，這是通用公共無線電接口（CPRI）,，有時是開放式基站架構(gòu)計劃（OBSAI）兼容的部分,。

　　然而，越來越多的方案在轉(zhuǎn)向指定一個更靈活的前傳接口,，以允許基帶和RF前端之間的不同映射,。IEEE對下一代前傳接口NGFI（IEEE1914）進行了持續(xù)的跟進，包括用于基于分組的前傳傳輸網(wǎng)絡標準IEEE1914.1和以太網(wǎng)無線電（RoE）包封和映射標準IEEE1914.1,。同時,，還有其他行業(yè)項目指定了5G前傳接口并可共享，例如eCPRI,。

　　鑒于前傳接口面臨的各種規(guī)范,、標準和要求，F(xiàn)PGA很適合其應用,，并通常用于支持此接口,，如圖3所示。

　　3.2. 可加速5G上市時間的分立結(jié)構(gòu)

　　圖4將5G所需的處理元器件映射為具有獨立器件的分立式架構(gòu),，包括CPU SoC,、輔助FPGA加速和天線接口。此配置反映了在可以提供經(jīng)過優(yōu)化的5G專用集成電路（ ASIC）之前,，可以在5G原型設計和早期量產(chǎn)中部署的實施方案,。

　　·CPU系統(tǒng)級芯片里面包括：Arm處理器組合以及用于Layer-1處理和硬化加速器的DSP內(nèi)核，用于固定的,、明確定義的功能,。

　　o在此示例中，假設現(xiàn)有的4G ASIC SoC可用,，因此具有通用加速（例如MACSEC）以及LTE特定加速：前向糾錯（特別是turbo編解碼器）,、快速傅立葉變換和離散傅里葉變換，以在上行鏈路上支持SC-FDMA,。

　　·靈活的天線接口

　　o如前所述,，前傳天線接口非常適合用FPGA來實現(xiàn)。這是在線配置的,，數(shù)據(jù)從射頻單元發(fā)出（在上行鏈路上）,，然后是被轉(zhuǎn)換為諸如以太網(wǎng)等具有標準連接的協(xié)議。

　　·硬件加速FPGA

　　o輔助加速FPGA實現(xiàn)了在基帶SoC上不可提供的所有必要的計算密集型功能。這可以是5G特定的功能或先前未曾規(guī)劃的功能,。

　　o在此處顯示的示例中,，使用了CCIX互連。該標準允許基于不同指令集架構(gòu)的處理器將緩存一致性,、對等處理的優(yōu)勢擴展到包括FPGA和定制ASIC在內(nèi)的多種加速器件上,。

　　圖4：可加速5G上市時間的分立結(jié)構(gòu)

　　3.3. 基于Chiplet的5G實現(xiàn)

　　圖5顯示了與圖4所示類似的架構(gòu)，但是使用了基于系統(tǒng)級封裝芯片（chiplet）的方法進行了重新配置,。 在這種情況下,，一個采用了更高帶寬、更低延遲和更低功耗的接口將CPU SoC片芯晶粒與輔助硬件加速chiplet芯片連接起來,。 支持前傳連接到射頻單元的FPGA器件在該示例中可以但并不是封裝集成在其中的,；但實際上，如果有足夠的資源,，它可以是與硬件加速chiplet芯片相同的chiplet器件,。

　　圖5：基于Chiplet的方法可實現(xiàn)更高的集成度

　　用于封裝集成的兩種主要技術(shù)是使用硅中介層或有機基板，以及某種形式的超短距離（USR）收發(fā)器,。

　　3.4.完全集成的5G實現(xiàn)方式

　　最后,，圖6展示了本文考慮的最終、最高集成度的基帶架構(gòu),。該方法包括與先前相同的處理元件,，具有相同的功能,，但嵌入式FPGA（eFPGA）集成在了芯片內(nèi),。

　　這種緊密集成的單片集成方法具有許多優(yōu)點。與基于chiplet的方法相比,，該接口具有更高的帶寬,、更低的延遲和更低的每比特能耗。此外,，資源組合可以根據(jù)所考慮的特定應用進行定制,，因此避免了不需要的接口、存儲器和核心邏輯單元,。這樣可以實現(xiàn)以上所考慮的三種架構(gòu)中最低單位成本,。

　　如前所述，現(xiàn)在的主要目標是提供更快的上市時間,、更高靈活性和未來可用性,。之所以能加快了上市時間，是因為SoC可以提前流片,，因為可以針對eFPGA進行后期修改（例如5G標準中Polar碼的出現(xiàn)）而不是完成即固定的ASIC,。來自新算法或者未預計算法（例如新的加密標準）的靈活性可以通過嵌入式可編程邏輯而不是軟件或外部FPGA來解決。最后，未來可用性可以延長SoC的生命周期,，因為諸如URLLC和mMTC等新標準等大批量新興需求可以通過現(xiàn)有產(chǎn)品解決,，而不需要進行新的開發(fā)。

　　總結(jié)

　　CPU和可編程加速（嵌入式或獨立FPGA）的緊密耦合,，使開發(fā)人員能夠去創(chuàng)建可以一個應用于多個不同市場的平臺產(chǎn)品,。 這增加了特定產(chǎn)品的市場適用性并提高了開發(fā)投資回報。 這甚至可以在流片后再對市場進行定位（或重新定位）,，即最大化的可編程性所提供的內(nèi)在靈活性可支持相當大的創(chuàng)新空間,。

　　或許從5G的角度來看更為重要的是，高度可編程的解決方案可以加快產(chǎn)品上市速度,。例如,，在標準最終確定之前，不再需要推遲SoC的流片時間,，后續(xù)改變的需求可以在軟件或可編程硬件中實現(xiàn),。這對于早期5G部署所面臨并在不斷增加的壓力，以及應對新標準的不斷涌現(xiàn),，這是一個突出優(yōu)勢,。