無線通信的需求 給5G NR帶來了關(guān)鍵的挑戰(zhàn)

無線通信的需求同時帶來了多個行業(yè)的挑戰(zhàn)

概述

隨著我們技術(shù)的演技將變得越來越難，解決多行業(yè)多種問題的解決方案將變得更加必要。5G的競爭已經(jīng)向無線研究人員、硬件制造商和運營商提出了挑戰(zhàn)，這就要求他們評估下一代通信技術(shù)可以使用哪些工具。

4G LTE的物理層和之前的標(biāo)準(zhǔn)正在被推向新的極限，包括集成MIMO技術(shù);再到mmWave和使用未經(jīng)授權(quán)的頻帶在協(xié)議之間共存，但是物理層不再是唯一的拼圖了。

隨著標(biāo)準(zhǔn)在多層之間變得越來越復(fù)雜和嚴(yán)格，這就需要開發(fā)MAC、數(shù)據(jù)鏈路和網(wǎng)絡(luò)層。時間需求開始收緊，延遲成為一個更大的問題。對單個節(jié)點內(nèi)部處理的需求開始擴展，遠遠超出了以前特定于應(yīng)用程序的集成電路（ASIC）所能滿足的范圍。更進一步說，系統(tǒng)的可部署性和規(guī)模正在增長。對遠程無線應(yīng)用程序的需求越來越大，在這種應(yīng)用程序中，基站可以從單一的天線系統(tǒng)發(fā)展到跨城市的遠程節(jié)點。無線通信的需求同時給行業(yè)帶來了多種先進的挑戰(zhàn)。

決策協(xié)議的挑戰(zhàn)

5G New Radio （5G NR）等應(yīng)用程序引入了時間限制，使得處理器和RF前端之間的關(guān)系比之前的LTE或802.11等通信協(xié)議更為關(guān)鍵。超可靠的機器類型通信創(chuàng)建了對上層功能的需求，以更確定和更精確的時間間隔出現(xiàn)，這迫使像調(diào)度程序這樣的技術(shù)被更確定地實現(xiàn)。由于接入點通過觸發(fā)器幀和基于觸發(fā)器的物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）動態(tài)地確定通道模型，這就使得新的802.11標(biāo)準(zhǔn)（如802.11ax）依賴于嚴(yán)格的定時要求。所有這些交互必須在嚴(yán)格的16us時間要求下進行，否則通信就會中斷。隨著越來越多的智能通過MAC提供給PHY層，這就使得用個人電腦的時序要求嚴(yán)格操作將不再是那么嚴(yán)格了。而實時OS和FPGA等技術(shù)必須用于處理這些1毫秒以下的計時需求上。

處理中的挑戰(zhàn)

在提高處理能力方面，總是存在一些困難，比如處理單元的移動性、將數(shù)據(jù)從處理資源轉(zhuǎn)換到處理資源的數(shù)據(jù)管道以及配置的靈活性。隨著MAC層［1］功能的復(fù)雜開發(fā)，加上對軟件定義網(wǎng)絡(luò)的關(guān)注，以及更加復(fù)雜的調(diào)度程序，對時間精確處理和并行計算的需求也會變得越來越大。

我們具體研究一下軟件定義的網(wǎng)絡(luò)案例。對于軟件定義的通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜需求，任何節(jié)點都可能需要在短時間內(nèi)重新配置其功能。將具有處理能力的單個節(jié)點集成到一起來處理這些決策任務(wù)，就需要收發(fā)器擴展到RF之外。RF節(jié)點可能需要具備處理來自中央處理點的調(diào)度程序的決策的能力，或者運行自己的決策引擎，這兩者都需要處理方面的改進，其擴展范圍超出了典型的ASIC。

然而，原始處理能力是遠遠不夠的。隨著環(huán)境仿真需求的增長，無論是從通道、基站還是用戶設(shè)備的角度來看，處理器和電路之間的延遲都需要越來越低。任何集成異構(gòu)處理器體系結(jié)構(gòu)（GPP、GPU、FPGA等）的應(yīng)用程序都要求通過高速串行接口傳輸數(shù)據(jù)，并具有低延遲和寬數(shù)據(jù)帶寬的特性。

網(wǎng)絡(luò)多樣化——遠程無線電磁頭數(shù)和設(shè)備對設(shè)備通信增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性

規(guī)模的挑戰(zhàn)

無論是從現(xiàn)成設(shè)備方面的趨勢上，還是從設(shè)備所使用的硅材料來看，這項技術(shù)不僅在萎縮，而且也在改變著現(xiàn)有的規(guī)模。多路徑部署的無線電節(jié)點可以替代原有的基站，成為5G及以上網(wǎng)絡(luò)的新基礎(chǔ)設(shè)施。這就帶來了一系列全新的需求，包括服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施和遠程實現(xiàn)軟件更新。

然而，這些變化影響的不僅僅是運營商。這就要求無線通信研究人員必須走出實驗室，進入現(xiàn)實的試驗領(lǐng)域。這項技術(shù)不再只能在實驗室水平上進行演示，多個大學(xué)、運營商和供應(yīng)商正在合作在城市中部署測試平臺，以演示在真實環(huán)境中物理層、數(shù)據(jù)鏈路和網(wǎng)絡(luò)層的新功能。這些用于現(xiàn)場試驗的硬件和來自遠程校園的對項目的可訪問性維護將會帶來各種新問題。

獨立運行的USRP-2974

在過去的十年中，USRP（通用軟件無線電外圍設(shè)備）解決方案一直是工業(yè)和學(xué)術(shù)軟件無線電（SDR）技術(shù)的基準(zhǔn)。

USRP-2974是NI第一個獨立SDR，也是NI的第一個使用LabVIEW軟件、LabVIEW FPGA模塊和LabVIEW實時模塊的USRP，所有這些都集成在一個設(shè)備中。USRP-2974基于LabVIEW可重配置I/O（RIO）架構(gòu)，搭載運行NI Linux實時操作系統(tǒng)的板載Intel Core i7處理器。 USRP-2974是一款獨立運行的USRP軟件無線電設(shè)備，這意味著你可以使用LabVIEW通信系統(tǒng)設(shè)計套件在板載處理器上確定地執(zhí)行處理。 USRP-2974設(shè)備均配備了GPS 10 MHz恒溫晶體振蕩器（OCXO）參考時鐘。 該設(shè)備適用于對一系列高級研究應(yīng)用進行原型驗證，其中包括獨立的LTE或802.11設(shè)備仿真; 介質(zhì)訪問控制（MAC）算法的開發(fā); 多輸入多輸出（MIMO）; 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò); LTE中繼; 射頻壓縮采樣; 頻譜感測; 認(rèn)知無線電;波束形成和測向。

它是圍繞現(xiàn)有的USRP硬件解決方案設(shè)計，但現(xiàn)在集成了一個x86處理器，通過高速PCI Express和以太網(wǎng)連接連接到USRP，用于x86和FPGA目標(biāo)之間的數(shù)據(jù)流。

將x86處理器集成到SDR的設(shè)計中提供了許多好處。首先，LabVIEW實時可編程處理器是測試調(diào)度器算法的理想目標(biāo)，它允許對處理器進行優(yōu)先級排序，并對FPGA進行確定性操作和發(fā)送命令，而FPGA反過來又可以處理物理層RF信號。其次，由于數(shù)據(jù)可以在設(shè)備上處理，每個無線電節(jié)點都可以運行額外的計算，這超出了以前僅在FPGA上進行的計算額度。最后，通過與開發(fā)機器的以太網(wǎng)連接，可在flash中使用重復(fù)或惟一的代碼庫部署任意數(shù)量的USRP-2974設(shè)備，從而在單個模塊級別或大型測試臺上改進系統(tǒng)和代碼管理。

USRP-2974為以前受傳統(tǒng)SDR限制的新型研究和高級用例打開了大門。使得系統(tǒng)變得更可伸縮，更容易管理。 USRP-2974提供了高性能，甚至可以處理最復(fù)雜的通信挑戰(zhàn)。

［1］ MAC（Media Access Control，媒體訪問控制）子層定義了數(shù)據(jù)包怎樣在介質(zhì)上進行傳輸。在共享同一個帶寬的鏈路中，對連接介質(zhì)的訪問是“先來先服務(wù)”的。物理尋址在此處被定義，邏輯拓撲（信號通過物理拓撲的路徑）也在此處被定義。線路控制、出錯通知（不糾正）、幀的傳遞順序和可選擇的流量控制也在這一子層實現(xiàn)。