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。