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隨著 5G 通信市場初現(xiàn)端倪，無線設(shè)備制造商轉(zhuǎn)向使用基于賽靈思 FPGA的仿真系統(tǒng)。
正當無線運營商為提高盈利水平而爭先恐后向消費者提供新業(yè)務(wù)、新設(shè)備，增加帶寬和業(yè)務(wù)方案之際，基礎(chǔ)設(shè)施企業(yè)也在競相把構(gòu)成新一代無線通信基礎(chǔ)的 5G 設(shè)備投入實用。為將這種 5G 無線基礎(chǔ)設(shè)施變?yōu)楝F(xiàn)實，近期被國家儀器收購的 BEEcube 公司利用靈思 FPGA 和 Zynq?-7000 All Programmable SoC 為 5G 設(shè)備制造商提供新的仿真系統(tǒng)和移動手持終端仿真器。BEE7 及 nanoBEE 正在提升設(shè)計團隊的創(chuàng)新力和生產(chǎn)力，這樣他們就能領(lǐng)先競爭對手把 5G 技術(shù)投放市場。
在詳細介紹 BEEcube 基于 FPGA的新款產(chǎn)品之前，我們先簡單介紹一下無線通信行業(yè)對 5G 市場的愿景和該市場面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。
5G 愿景
構(gòu)建無線行業(yè)未來的關(guān)鍵部分就是 5G 無線網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署。5G 的首要目標旨在支持千倍容量增長，支撐至少 1000 億臺設(shè)備的連接需求，為單個用戶提供 10Gbps 數(shù)據(jù)速率。此外, 這些新網(wǎng)絡(luò)能夠在人、機器和設(shè)備之間提供大規(guī)模低時延連接。5G網(wǎng)絡(luò)有望從 2020 年開始部署。通過演進 LTE 和 Wi-Fi 等現(xiàn)有無線射頻接入技術(shù)，并結(jié)合全新技術(shù)可打造出5G 無線接入技術(shù)。
雖然業(yè)內(nèi)已設(shè)定 5G 的最終目標，但究竟如何實現(xiàn)這些目標是一個需要投入數(shù)十億美元才能解決的問題。世界各地的眾多企業(yè)都正在開發(fā) 5G 基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備以及通過 5G 進行通信的大量先進設(shè)備。
5G 的詳細技術(shù)方案雖然尚未確定，但有幾件事是很明確的。未來的無線系統(tǒng)將利用通過大規(guī)模 MIMO 提供的空間分集，以及波束成形和相關(guān)技術(shù)，更高效地發(fā)揮現(xiàn)有帶寬的作用。新分配的頻譜將專門用于蜂窩通信，增大整體信道容量。通過載波聚合技術(shù)和新頻帶，將實現(xiàn)更高的用戶吞吐量。城市蜂窩站點的密度將增大，同時功耗要求將降低，給定區(qū)域的頻譜利用率也將顯著提高。核心網(wǎng)絡(luò)將增加云在數(shù)據(jù)和控制方面的用途。
由于 5G 標準尚未制定，如果企業(yè)能使用擁有海量 I/O 且計算功能強大的FPGA 平臺來演示正常運行的“無線”系統(tǒng)，將有助于讓其思路和規(guī)格為國際標準組織所采用。這些平臺能實現(xiàn)快速原型設(shè)計，便于在現(xiàn)場使用真實數(shù)據(jù)測試算法并連續(xù)運行數(shù)天或數(shù)周。
理想的無線基礎(chǔ)設(shè)施原型設(shè)計平臺
沒有單個平臺能夠滿足對 5G 原型設(shè)計的全部要求。但已經(jīng)能夠明確關(guān)鍵要求。
數(shù)據(jù)吞吐量提升 1,000 倍會給所有 5G 通信硬件帶來壓力。所有原型平臺的容量密度必須能夠擴展到數(shù)十TBps，接入數(shù)百條光纖，并支持數(shù)十GS 的 RF 模擬數(shù)據(jù)。
實現(xiàn)大規(guī)模 MIMO 中使用的眾多天線與扇區(qū)上的高階調(diào)制方案所需的DSP 處理能力極高。需要數(shù)萬個乘法累加器(MAC) 單元。
隨著新型通信系統(tǒng)日趨復(fù)雜，除最大型 OEM 廠商外，不是所有的OEM 廠商都能保有其全部 IP。擁有包括大規(guī)模 MIMO、CPRI、多波形和LTE-Advanced 協(xié)議棧在內(nèi)的豐富IP 集可以顯著加速開發(fā)進程（見側(cè)邊欄）。
全球各地的運營商都在努力把盡量多的處理推送到云端。這一努力可充分利用數(shù)據(jù)中心的規(guī)模效益，而且通過這樣做，可以降低每次調(diào)用的處理成本。高效連接至云端需要 10GE、40GE 或 PCIe? 接口。
編程模型必須支持現(xiàn)有的主要C 語言、C 語言轉(zhuǎn)邏輯門、VHDL、Verilog 設(shè)計流程和各種高級建模環(huán)境（LabVIEW 和 MATLAB?/Simulink? 屬于兩種最常見的）。
在時鐘方面，為了保持高信息密度的寬帶無線信號的完整性，該硬件必須能夠從 CPRI 或同步以太網(wǎng)提取嵌入式時鐘，同時還能夠清除時鐘，并在高達 6GHZ 的 ADC 采樣頻率下使設(shè)備的機架保持時鐘抖動低于 300fs。
為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，BEEcube 已開發(fā)出一個名為 BEE7 的功能強勁的新型仿真平臺。該平臺可充分發(fā)揮賽靈思 Virtex?-7 FPGA 的業(yè)界一流特性。
BEE7 平臺架構(gòu)
BEE7 平臺是 BEEcube 全新設(shè)計的，用來滿足上述新一代通信系統(tǒng)要求的高端架構(gòu)。下面我們將詳細介紹BEE7，并了解如何用一個平臺解決5G 原型設(shè)計問題。
在開發(fā)高級無線原型設(shè)計架構(gòu)時，您所面臨的一個最大挑戰(zhàn)就是連接。需要快速高效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量極為龐大。BEE7 原型設(shè)計系統(tǒng)的核心是賽靈思 XC7VX690T。該器件將 80 個串行收發(fā)器和 3,600 個 DSP Slice 結(jié)合在一起，讓 690T 成為高級無線應(yīng)用的世界一流引擎（對原型和對早期現(xiàn)場試用均是如此）。
圖 1 是BEE7 刀片。注意：ATCA板型通常用于電信行業(yè)。這樣便于把BEE7 用于現(xiàn)有的基站箱中，供現(xiàn)場試用。四個 690T FPGA 采用圖 2 所示的方式連接。四個 FMC 插槽把每個 FPGA 都連接到一個高性能模擬卡上，支持 5.6Gsps 的采樣率?？?cè)萘繛?64GB 的 DDR3 存儲器既可用來采集數(shù)據(jù)，也能用作廣播數(shù)據(jù)的緩沖器。該存儲器在原型設(shè)計的初期階段極為有用。設(shè)計團隊可使用國家儀器的 LabVIEW 或 The Mathworks 的MATLAB 來創(chuàng)建仿真向量，然后將它們下載到系統(tǒng)存儲器中以供回放，或是對采集的數(shù)據(jù)進行詳細分析。
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圖 1：ATCA 機架上的 BEE7 刀片，用于要求最嚴苛的 5G 無線應(yīng)用（包括 C-RAN、大規(guī)模 MIMO 和毫米波）的原型設(shè)計和現(xiàn)場測試。
690T 器件中串行收發(fā)器的額定傳輸速率為 13.1Gbps。電信中使用的許多標準都以 10Gpbs 為中心，比如 10千兆位以太網(wǎng)和 CPRI（接口速率：8），這也是我們在 BEE7 中使用的性能指標。這樣每個 FPGA 都能提供 800Gbps的連接速率，具體分配如圖 2 所示。
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圖 2：本 BEE7 互聯(lián)架構(gòu)圖顯示了 10Gbps 通道的數(shù)量。每 FPGA 總串行收發(fā)器連接速率為 800Gbps。
下面我們介紹 BEE7 原型設(shè)計環(huán)境的具體方面和設(shè)計過程中需要做出的部分利弊權(quán)衡和設(shè)計決策。
點對點連接
BEE7 架構(gòu)的目標之一是提供盡可能低的數(shù)據(jù)流時延和有保證的流吞吐量。使用共享總線架構(gòu)根本無法實現(xiàn)這些目標，因為總線上的不同客戶會在任何給定時間連接到總線上，增大時延，并干擾其他用戶使用的真正流環(huán)境。因此，BEE7 使用點對點連接模型來取而代之。
高速串行解串器是 BEE7 環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓歉?。通過精心調(diào)試 PCB走線寬度、介電材料厚度、通孔布局和尺寸，可提供點對點 100 歐姆傳輸線，從而確保最佳性能和信號完整性。在許多情況下，高性能走線埋設(shè)在內(nèi)層板中，以降低 EMI 輻射，同時更容易通過 CE 認證或 FCC 審批。
從 BEE7 刀片到其他設(shè)備（包括其他 BEE7 刀片）的連接可分為三個類別：短于三米、超過 300 米和居于其間。
對短于三米的鏈接，可以使用銅纜連接，而且這肯定是成本最低的替代方案。使用 SFP+ 或 QSFP 連接器加上短跳線電纜，就可以在 BEE7 環(huán)境中使用，而且推薦用一個設(shè)備機架中的刀片對刀片通信。對長至 300 米的較長距離，短距光通信可提供性價比最高的替代方案。BEE7 內(nèi)置有短距光學(xué)模塊。圖 2 所示的是每個 FPGA有 12 條串行解串器通道連接到模塊間光收發(fā)器(iMOT)。這些接口都布置在BEE7 刀片的正面，用于通過通用公共無線接口(CPRI) 直接與旁邊的遠端射頻單元(RRH) 相連。
較長距離則需要特殊的長距光收發(fā)器。這種收發(fā)器無需使用中繼器即可傳輸長達 40 公里的距離。這些收發(fā)器可以方便地插入后端轉(zhuǎn)換模塊(RTM) 的 SFP+ 和 QSFP 連接器中，用于距離 BEE7 超過 300 米的 RRH。
從 RTM 到 BEE7 ATCA 刀片的總連接速率為 640Gbps ；從前端 iMOT連接器到 BEE7 ATCA 刀片的總連接速率為 480Gbps。如果不需要模擬 I/O，使用合適的 FMC 卡就可額外提供320Gbps。
在設(shè)計串行解串器時通常遇到的挑戰(zhàn)包括如何解決延遲、校準和計時等問題。BEEcube 的 BPS 軟件能夠在啟動時進行自動校準，且抽象掉串行解串器的大部分底層細節(jié)。這樣設(shè)計BEEcube 中的串行解串器相對簡單直觀，因為每個多千兆位收發(fā)器(MGT)的延遲特性均類似 FIFO。
計時問題
在分布式系統(tǒng)中，如果讓時鐘和數(shù)據(jù)分開傳輸，將很難進行長距離傳輸。CPRI 等標準是無線領(lǐng)域中從遠程射頻單元向基帶處理單元傳輸數(shù)據(jù)的規(guī)范。恢復(fù)的嵌入式時鐘（例如在CPRI 中）一般具有低劣的相噪特性。BEE7 基于 PLL 的特殊電路能將這種相噪降至 300fs 以下。這些時鐘相乘即可生成 GHz 級采樣時鐘，同時將相噪保持在 300fs 以下。
靈活的時鐘可分配給模擬 FMC 卡（對采樣時鐘最為關(guān)鍵）和 FPGA。
RF 考量因素
高達 6GHz 的直接 RF 采樣和綜合長期以來一直是軟件定義無線的發(fā)展目標，但直到最近高速 DAC和 ADC 的問世，它們才得以現(xiàn)實。BEEcube 已經(jīng)開發(fā)出一個模塊架構(gòu)，可通過連接到主板的 FMC 卡支持高性能模擬接口。
目前采樣速率高達 5.6Gsps 的模塊現(xiàn)已開始供貨，利用該模塊可直接綜合 2GHz 頻譜或?qū)ζ鋽?shù)字化并在該模塊和 FPGA 主板間往返傳輸，以滿足調(diào)制/ 解調(diào)及其它處理要求。該模擬FMC 卡支持第一和第二奈奎斯特域，因此用戶可以核驗低于 2GHz 的整個頻譜，或是更高頻率范圍內(nèi)的 2GHz頻譜塊。
高速 DAC 和 ADC 極難有效地集成到現(xiàn)實系統(tǒng)中。它們采用交錯布局以實現(xiàn)最高性能，同時要求極為穩(wěn)定的時鐘，時鐘抖動應(yīng)低于 500fs。在使用 307.2MHz 基準時鐘的情況下，當測得的相噪分布在 100Hz 到 10MHz 范圍內(nèi)時，BEE7 平臺提供的典型時鐘抖動不足 300fs。這些 DAC 和 ADC 也需要特殊的訓(xùn)練序列，在向高速器件推送數(shù)據(jù)或從高速器件拉取數(shù)據(jù)時，需要把數(shù)據(jù)選通信號的相位設(shè)置為最大數(shù)據(jù)完整性。BEEcube 的平臺能在開發(fā)板第一次啟動時完成所有的訓(xùn)練序列。因此開發(fā)人員無需關(guān)注這些底層細節(jié)，從而實現(xiàn)“開箱即用”操作。
設(shè)計流程和IP
C/C++、MATLAB、VHDL、Verilog、LabVIEW 和 Simulink 在新一代 5G 設(shè)計的開發(fā)中均發(fā)揮一定的作用。BEEcube 平臺一直具有設(shè)計工具
無關(guān)性，便于設(shè)計人員使用自己偏好的任何設(shè)計流程。當所有基礎(chǔ)問題都從工具流角度入手解決時，重點迅速轉(zhuǎn)向IP。
BEEcube 為構(gòu)建高性能通信設(shè)計提供眾多必要的底層接口。在賽靈思支持 CRPI 和 PCIe 的同時，BEEcube提供 10Gb 和 1Gb 以太網(wǎng)內(nèi)核，并結(jié)合用于實現(xiàn) FPGA 間內(nèi)部通信的賽靈思 Aurora 內(nèi)核同步版。此外，提供到板載 DDR 存儲器的接口以及標準FIFO 和 Block RAM 接口。
高級 IP 模塊是加快設(shè)計流程的有力途徑。側(cè)邊欄對此進行了詳細探討。
NANOBEE--用戶設(shè)備解決方案
BEE7 可提供基礎(chǔ)設(shè)施解決方案所需的大規(guī)模連接和 DSP 處理能力。有沒有一種工具可以仿真手持終端，或行業(yè)術(shù)語說的用戶設(shè)備(UE)？手持終端需要適中的 DSP 處理能力和互聯(lián)，很有可能在移動測試中使用電池運行，擁有高度集成的 MAC 并內(nèi)置較高層協(xié)議處理能力。
5G 用戶設(shè)備的物理層必須高度靈活，對任何典型的處理器架構(gòu)而言都極具挑戰(zhàn)性，但對 Zynq 7100 器件中的2,020 個 DSP Slice 來說，實現(xiàn)物理層非常簡單直觀。在 Zynq 7100 SoC 中實現(xiàn) 10Gbps 的用戶設(shè)備連接也比較簡單直觀。
Zynq 系列中的兩個 A9 ARM? 內(nèi)核使其理想適用于用戶設(shè)備仿真器。這兩個內(nèi)核可實現(xiàn) MAC 和較高的協(xié)議層。大部分現(xiàn)有移動電話都使用ARM處理器，因此企業(yè)能夠把大量現(xiàn)有的代碼庫重復(fù)用于較高層處理。ARM 內(nèi)核和可編程架構(gòu)的緊密集成，可保持低時延并提升性能。將Zynq SoC 及其他 nanoBEE 硬件的功耗保持在 5w 以下，這意味著您可以用電池組為產(chǎn)品供電，對測試用戶設(shè)備仿真器來說絕對是利好。
nanoBEE 使用相同的功率放大器、同向雙工器、輸入濾波器和其他信號鏈元件來提供能在大多數(shù) LTE-A頻帶上以及在無許可的 2.4GH 和 5GHz頻帶上工作，同時符合 3GPP 協(xié)議標準的用戶設(shè)備仿真器。
圖 3 所示的 nanoBEE 從概念到產(chǎn)品推出，總共用時不到 18 個月。
圖 3：nanoBEE 是設(shè)計用于加快新一代無線產(chǎn)品開發(fā)進程的終端仿真系統(tǒng)。
展望五年之后
眾多 5G 技術(shù)挑戰(zhàn)賽正在如火如荼進行中。我們距離商用還有五年時間，但隨著標準逐漸固定，許多企業(yè)需要對這些新興算法和應(yīng)用進行原型設(shè)計。將賽靈思 FPGA 和 Zynq SoC器件與 BEEtube 等公司提供的商用5G 原型設(shè)計平臺相結(jié)合，相比采用定制原型設(shè)計平臺進行開發(fā)，可節(jié)省大量開發(fā)時間。這些工具便于系統(tǒng)架構(gòu)師和設(shè)計人員集中精力尋找最佳架構(gòu)與算法，而不是把精力放在設(shè)計平臺的架構(gòu)設(shè)計工作上。這些工具也便于電信運營商加快早期試用，獲得對新系統(tǒng)、算法和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的經(jīng)驗。
根據(jù)我們對 2020 年 5G 廣泛部署的展望，很有可能大多數(shù) OEM 廠商屆時會銷售基于賽靈思 FPGA 和 All Programmable SoC 的生產(chǎn)設(shè)備。5G 物理層的硬件復(fù)雜性很難保證 ASIC 實現(xiàn)方案不存在硬件缺陷，能足夠靈活地滿足不斷發(fā)展變化的標準。讓硬件“軟化”是最聰明的 OEM 廠商的明智選擇。
如需進一步了解 BEEcube 的解決方案（和其母公司國家儀器的解決方案），歡迎參加 8 月 3 日到 6 日在德州奧斯汀舉辦的國家儀器周活動： 。
IP ：加速 5G 開發(fā)之路
5G 無線標準化進程蜿蜒曲折，任何想要全新開發(fā) 5G 的企業(yè)都需要投入大量資金。企業(yè)可以與已經(jīng)擁有豐富的必備IP 的廠商合作，以加速 5G 開發(fā)工作。
什么類型的 IP 可以加快這方面的工作呢？在最基本的層面，10GE、CPRI 和 DDR 等 IP 是任何高性能無線系統(tǒng)不可或缺的。沿這個鏈條往上，任何 5G 系統(tǒng)必須支持傳統(tǒng) LTE-A 系統(tǒng)，估計基本的 LTE-A 協(xié)議棧仍然是必不可少的。隨后是針對不同 5G 研究領(lǐng)域的 IP，包括空中接口波形、大規(guī)模MIMO、毫米波和 C-RAN。
新的空中接口波形包括GFDM、UFDM、FBMC 等。這些波形主要用于提高頻譜效率和功耗特性。LTE-A 中使用的 OFMDA 擁有較高的峰值/ 平均功耗比, 因此需要昂貴的線路讓功率放大器保持線性工作，從而降低帶外干擾和互調(diào)失真。
毫米波要求不同的通道模型估算，因為在這些頻率上有著不同的傳播特性。IP 必須針對非常高的帶寬（高達 5GHz）以及隨之而來的高峰值數(shù)據(jù)速率。
只有可用的 IP 是不夠的。用戶必須能夠方便地將 IP 連接在一起。國家儀器提供 IP 經(jīng)過精挑細選，可運行在多種類型的 FPGA 和處理器上，并提供以 5G 原型設(shè)計為重點的庫。該 IP 能夠在國家儀器提供的LabVIEW 通信系統(tǒng)設(shè)計套件中輕松實現(xiàn)連接。LabVIEW 還提供用于激勵和分析設(shè)計所需的全部波形源文件和分析工具。
LabVIEW 加上各種 IP 庫，能節(jié)省數(shù)月的開發(fā)時間。此外，所挑選 IP 都能正常工作。LabVIEW 與賽靈思工具鏈無縫互動，便于快速探索和實驗。結(jié)合使用國家儀器提供的各種硬件平，這無疑是實現(xiàn)有效的 5G 通信設(shè)計原型的最快途徑。值得一提的是，現(xiàn)在作為國家儀器下屬公司的 BEEcube 將在不遠的將來為自己的硬件提供 LabVIEW支持。
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工商網(wǎng)監(jiān)
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