RFSoC数位射频助力大规模MIMO无线电系统设计
第五代(5g)无线存取网络是为了满足对容量不断成长的需求，以及2020年之后新的使用情境与应用。5g新无线电技术(nr)针对每位用户高达10gbps的最高数据传输率，提供增强型行动宽带(embb)服务，与第四代无线网络相比，约提升100倍。大规模mimo，或称大规模数组天线(massive mimo)是达成效能提升的关键技术，尤其适合于6ghz以下不常使用的时分双工(tdd)频段，如band 40(2.3ghz)、band 41(2.5ghz)、band 42(3.5ghz)、band 43(3.7ghz)，以及尚未授权的新兴频段。
大规模mimo系统能支持动态数字波束成形(dynamic digital beamforming)来执行每位用户的波束成形，理论上能提供每位用户完整的基地台容量；在其它情况下，上述容量则依据时间与频率由用户共享。客户端无须改变现有设备，即可受惠于具备大规模mimo功能的行动通讯基地台。大规模mimo的前景相当诱人，让许多业者等不及5g nr标准完成，就已考虑部署在4g设备上，不过，这些好处也带来一系列的挑战。由于落实大规模mimo无线技术系统会使复杂性提升数倍，随之而来的较大系统体积、更高的功耗与成本需求便成为一大障碍。若想克服这些挑战，必须将无线技术中的模拟讯号链与数字前端(dfe)装置进行整合，并大幅提升讯号处理运算能力。
大规模mimo与波束成形
波束成形并非全新概念，在行动通讯市场中，它已被用为主动式天线系统(aas)，其在无线电中运用静态波束成形，来达到系统成本与复杂性的平衡。主动式天线系统适用于讯号涵盖范围有限的网络，但今日壅塞的网络需要动态数字波束成形，以获得频谱效率提升所带来的所有益处。具备完整数字波束成形的大规模mimo，除了频率与时间之外还增加了空间维度，可以大幅提升频谱效率。数组增益与多波束正交性产生的讯噪比(snr)改善，意谓着同样的时间与频率分配，可由多名用户重复使用(图1)。
图1 主动式天线系统与大规模mimo
基地台分解与功能性分割
由于大规模mimo架构相关的复杂性，基地台必须分解以支持新的功能性分割，来管理系统内的连接带宽。例如，在100mhz 64t64r天线数组系统中，假定基频与无线电功能各利用一个组件来运行，此时基频与无线电功能间的带宽则为230gbps。事实上，系统往往使用多个组件来运行8t8r或16t16r数组dfe无线电功能模块，因此使得系统内连接带宽的需求多出一倍以上。图2说明大规模mimo无线电系统的概念图。
图2 大规模mimo的概念架构
数字无线电处理模块透过整合的模拟数字转换器(adc)与数字模拟转换器(dac)，来执行8t8r或16t16r的dfe功能。为了降低系统空间体积、功耗与成本，必须去除接合数字与模拟领域所需的jesd204b连接链路。波束成形装置为无线电技术带来第一层(layer 1；l1)基频功能性，能大幅降低更高层基频功能的连接带宽需求，而这些更高层基频功能，现阶段在行动边缘运算上存在虚拟化的潜在可能。整合、灵活性，与更高的运算能力是三大关键需求，以落实大规模mimo系统的优化，并有助于相关的波束成形与dfe算法的演进，进而不断改善效能、成本与功耗。
成本/功耗/体积提升 主动讯号链商转挑战大
落实5g nr大规模mimo需在无线电装置中有大量的主动讯号链，来连接数组中的每支天线，或天线数组子集。传统上这些主动讯号链会包含数据转换器、滤波器、混波器、功率放大器与低噪讯放大器，进而导致系统的耗电、体积与成本显著增加，因此大规模mimo系统中的大量主动讯号链会造成系统耗电与空间体积增加，较不易成为可商转应用的系统。让资料在射频前端(rffe)与dfe间移动的相关成本，不管是对软件、硬件或系统层级上，都是5g领域必须解决的主要挑战。
为了解决此一挑战，目前已有相关业者，如赛灵思(xilinx)把直接无线射频取样数据转换器(direct rf-sampling data converters)，整合至专为无线电应用设计与布署的16奈米finfet多重处理系统芯片(mpsoc)系列产品中，来取代电路板上多种adc、dac，以及其它许多rf组件。此新推出的soc组件系列称为「可完全编程射频系统单芯片」(all programmable rfsoc)，其单片整合无线射频取样数据转换器技术，为无线电系统提供硬件与软件皆可完全编程的宽带宽平台。此一架构采用arm处理子系统，并结合fpga可编程逻辑技术，来展现12位4gsps无线射频取样adc，与14位6.4gsps直接无线射频dac，以及优化的数字讯号降频与升频处理的技术。
利用整合无线射频取样数据转换器技术，将射频带入数字领域，不但可以克服功耗、空间体积与成本的劣势，同时也可达成宽带宽与多频段系统。现有无线电系统中的模拟射频，通常在设计上用来产生缓解且离散的数据转换器规格。此外，离散数据转换器与模拟射频组件，采用较为旧型的处理节点，且通常针对窄带宽进行优化。这导致模拟射频解决方案用在宽带宽mimo与大规模mimo无线电系统时，无论体积大小、耗电与成本都相当昂贵。因此整合高速数据转换器、6.4gsps直接无线射频dac与4gsps无线射频取样adc，可以让数字射频更具弹性、耗用更低电量同时带宽更宽，因此相当适合建构小体积、低耗电与低成本的mimo与大规模mimo系统。
借力16奈米finfet 数位射频运行一路顺畅
高速射频组件的单片整合，受惠于16奈米finfet制程的优异模拟晶体管特性。晶体管通电时阻力相当低，可以执行具高精度的宽带宽无线射频取样讯号切换。如此一来，就可以整合具成本与功耗效益的高速比较器、放大器、频率电路与具有优异特性的数字辅助模拟校准逻辑。相较于65奈米(通常用于模拟射频组件)，在16奈米finfet上进行数字操作带来十倍以上的体积缩减，及耗电量也减少四倍。
整合至rfsoc的数字射频资源，包含6.4gsps dac与4gsps adc的多频道、已整合的低相位噪讯锁相回路(pll)，以及完整的复频混波器(complex mixer)，且每个dac与adc各有48位的数值控制震荡器(nco)。射频数据转换器数组具有1倍、2倍、4倍与8倍的内插(interpolation)与取样降频滤波器(decimation filter)，并能运行灵活的fpga结构接口。此外，直接无线射频dac模块，则运行正交调变修正(qmc)与sin x/x(sinc)修正滤波器(图3)。
图3 rfsoc数字射频资源
在rfsoc上落实大规模mimo系统
图4显示运用rfsoc组件运行的典型大规模mimo无线电。rfsoc具有100g强固级以太网络mac/pcs的33gbps收发器，其可依前传接口特点的不同(25g cpri或ecpri协议)，来运用其中的rs-fec。部份的l1功能，例如逆/正向快速傅立叶变换(ifft/fft)，以及相关联的实体随机存取频道处理，则可移至无线电部份，可在无线电与基频单元之间减少50%的带宽(及成本与功耗上的节省)。rfsoc组件能提供丰富的高效能、低功率数字信号处理器(dsp)资源，以进行包括数字升频器(digital up conversion)、峰波因子抑制(crest factor reduction, cfr)、数位预失真(digital pre-distortion, dpd)、被动互调(passive intermodulation)修正，等化与降频等dfe技术。通过在传送路径使用适当的内插滤波器，及接收路径使用适当的取样降频滤波器，可以在高频率频率、且不受fpga结构频率影响下，运行rf-dac及rf-adc，以利更佳的频率规划。在仔细的频率规划下，可利用整合的射频讯号链的宽带宽，同步支持多个频段，诸如fdd大规模mimo使用的band 1与band 3，以及tdd大规模mimo使用的band 38、40、41与band 42和43等。rfsoc拥有四核arm cortex-a53多核心处理器，运作频率最高可达1.5ghz，另外还有双核实时arm cortex-r5多核心处理器，运作频率达533mhz。对于运算预失真系数与进行系统管控、射频校准与一般运作及维修来说，这是重要的运算资源。可编程逻辑线路加上系统芯片运算，可用来支持开源应用程序编程接口(api)，让无线电系统碰到软件定义网络的未来环境时，也能满足无线电系统依据客户需求进行动态配置的要求。机器学习算法可在此结构上有效运行，并自动管理数量愈来愈多的零碎频谱频段、频谱分享及托管虚拟行动网络电信公司(mvno)。
图4 在减少部分l1功能下，于rfsoc上运行大规模mimo无线电
为顺利进行整合，fpga厂商提供针对cfr与dpd的打造的dfe ip，以及针对4g、lte-pro与5g应用的dfe子系统参考设计与dfe展示套件。为了呈现rfsoc上的系统效能，可将采用zu28dr组件的rfsoc特征基板连接至射频前端卡，采用两个传送与两个多任务接收路径，来支持功率放大器回馈(如图5所示)。依此进行基板设定，并将单一功率放大器连接至一对dac/adc后，就完成采用fpag厂商现有16奈米mpsoc组件之dfe参考设计(2.1版本)的快速端口，并运用rfsoc与16奈米soc在结构上的共通性，让更复杂设计时还能重复使用。在此设计中，cfr ip运作的取样频率达245.76msps(针对tm3.1a讯号在7.5分贝峰值对平均功率比(prpr)的情况下，达成3%的误差向量幅度(evm))，而dpd ip的运作取样频率则达到491.52msps(dac/adc在第二奈奎斯特区，利用3.93216 gsps频率与8倍内插/整数倍降低取样率(decimation)运作)，而2c lte20+1c lte20合成讯号则处于160mhz的瞬时带宽内。放大器输出为45dbm或32瓦。在运行dpd后，达到的加速运算平台(acp，如图5右侧显示)为54.91dbc，而upper acp则为-55.14dbc，容限充足且符合lte频谱辐射模板(sem)所需。
图5 针对2c lte20+1c lte设置的rfsoc，瞬间带宽达160mhz
落实5g nr、lte-advanced pro mimo及大规模mimo无线电系统设计，须要面对多元、多频段需求，同时还须减少系统体积、功耗与成本问题。而解决这些挑战的方式有许多种，而其中已有看到业界采用单芯片整合「高速、宽带宽无线射频取样数据转换器」与「结构缜密的数字内讯号处理及运算资源」，来解决大规模mimo的挑战。
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波束成形并非全新概念，在行动通讯市场中，它已被用为主动式天线系统(aas)，其在无线电中运用静态波束成形，来达到系统成本与复杂性的平衡。主动式天线系统适用于讯号涵盖范围有限的网络，但今日壅塞的网络需要动态数字波束成形，以获得频谱效率提升所带来的所有益处。具备完整数字波束成形的大规模mimo，除了频率与时间之外还增加了空间维度，可以大幅提升频谱效率。数组增益与多波束正交性产生的讯噪比(snr)改善，意谓着同样的时间与频率分配，可由多名用户重复使用(图1)。
图1 主动式天线系统与大规模mimo
基地台分解与功能性分割
由于大规模mimo架构相关的复杂性，基地台必须分解以支持新的功能性分割，来管理系统内的连接带宽。例如，在100mhz 64t64r天线数组系统中，假定基频与无线电功能各利用一个组件来运行，此时基频与无线电功能间的带宽则为230gbps。事实上，系统往往使用多个组件来运行8t8r或16t16r数组dfe无线电功能模块，因此使得系统内连接带宽的需求多出一倍以上。图2说明大规模mimo无线电系统的概念图。
图2 大规模mimo的概念架构
数字无线电处理模块透过整合的模拟数字转换器(adc)与数字模拟转换器(dac)，来执行8t8r或16t16r的dfe功能。为了降低系统空间体积、功耗与成本，必须去除接合数字与模拟领域所需的jesd204b连接链路。波束成形装置为无线电技术带来第一层(layer 1；l1)基频功能性，能大幅降低更高层基频功能的连接带宽需求，而这些更高层基频功能，现阶段在行动边缘运算上存在虚拟化的潜在可能。整合、灵活性，与更高的运算能力是三大关键需求，以落实大规模mimo系统的优化，并有助于相关的波束成形与dfe算法的演进，进而不断改善效能、成本与功耗。
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图4显示运用rfsoc组件运行的典型大规模mimo无线电。rfsoc具有100g强固级以太网络mac/pcs的33gbps收发器，其可依前传接口特点的不同(25g cpri或ecpri协议)，来运用其中的rs-fec。部份的l1功能，例如逆/正向快速傅立叶变换(ifft/fft)，以及相关联的实体随机存取频道处理，则可移至无线电部份，可在无线电与基频单元之间减少50%的带宽(及成本与功耗上的节省)。rfsoc组件能提供丰富的高效能、低功率数字信号处理器(dsp)资源，以进行包括数字升频器(digital up conversion)、峰波因子抑制(crest factor reduction, cfr)、数位预失真(digital pre-distortion, dpd)、被动互调(passive intermodulation)修正，等化与降频等dfe技术。通过在传送路径使用适当的内插滤波器，及接收路径使用适当的取样降频滤波器，可以在高频率频率、且不受fpga结构频率影响下，运行rf-dac及rf-adc，以利更佳的频率规划。在仔细的频率规划下，可利用整合的射频讯号链的宽带宽，同步支持多个频段，诸如fdd大规模mimo使用的band 1与band 3，以及tdd大规模mimo使用的band 38、40、41与band 42和43等。rfsoc拥有四核arm cortex-a53多核心处理器，运作频率最高可达1.5ghz，另外还有双核实时arm cortex-r5多核心处理器，运作频率达533mhz。对于运算预失真系数与进行系统管控、射频校准与一般运作及维修来说，这是重要的运算资源。可编程逻辑线路加上系统芯片运算，可用来支持开源应用程序编程接口(api)，让无线电系统碰到软件定义网络的未来环境时，也能满足无线电系统依据客户需求进行动态配置的要求。机器学习算法可在此结构上有效运行，并自动管理数量愈来愈多的零碎频谱频段、频谱分享及托管虚拟行动网络电信公司(mvno)。
图4 在减少部分l1功能下，于rfsoc上运行大规模mimo无线电
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