5G-verkkojen uudet haasteet edellyttävät mukautuvia ratkaisuja, jotka pystyvät vastaamaan erilaisiin vaatimuksiin samalla kun ne kehittyvät markkinoiden tarpeiden mukaan. Xilinxin Zynq-perheen UltraScale + RFSoC DFE eli digitaalinen etupää vastaa näihin haasteisiin arkkitehtuurinsa ansiosta.

5G on siirtynyt konseptista todellisuuteen verkkojen ja niissä toimivien laitteiden myötä. On selvää, ettei 5G-tekniikkaan perustuva liiketoiminta tule olemaan samanlaista kuin 3G- tai 4G-verkoissa.

Uudet haasteet edellyttävät mukautuvia ratkaisuja, jotka pystyvät vastaamaan erilaisiin vaatimuksiin samalla kun ne kehittyvät markkinoiden tarpeiden mukaan. Xilinxin Zynq-perheen UltraScale + RFSoC DFE eli digitaalinen etupää vastaa näihin haasteisiin arkkitehtuurinsa ansiosta. Piirillä on integroitu enemmän kovakoodattua IP:tä kuin perinteistä ohjelmistopohjaista logiikkaa. Tämä tekee siitä kilpailukykyisen ASIC-toteutusten kanssa sekä kustannusten että tehon suhteen. Lisäksi piiri tukee Xilinxin adaptoitavaa DNA:ta.

5G-etulinjan haasteet: radion suorituskykyvaatimukset ja kompleksisuus kasvavat

Tarve laajemmalle kaistanleveydelle radioyksikössä (RU) ei tarkoita vain datanopeuksien kasvattamista. Operaattoreiden on täytettävä nykyisten ja uusien taajuuksien monimutkaiset radiokokoonpanot. Näiden vaatimusten täyttämiseksi radiot on suunniteltu tukemaan mahdollisimman laajaa hetkellistä kaistanleveyttä (iBW, instantaneous bandwidth). Esimerkiksi varhaiset 5G-radiot tukivat parhaimmillaan 200 megahertsin kaistanleveyttä, mutta tulevat radiot vaativat jopa 400 megahertsin kaistan.

Vaikka 5G on jatkossa ykkösasemassa langattomien standardien joukossa, 4G-toimituksia jatketaan huomattavassa määrin vielä vuosia. 5G-verkkoa päivitettäessä tai asennettaessa operaattoreiden on tarjottava 4G-kattavuus ja koska tornitilaa vuokrataan radioyksikköjen ja painon mukaan, monitoimiradioyksikkö, jossa on mukana sekä 4G että 5G, vähentää sekä hankinta- että operointikustannuksia.

Toinen monimutkaisuus 5G-radioissa on hajautetun yksikön (DU) liitäntä. Tyypilliset jakaumat ovat 7.1, 7.2 ja 7.3. Radioyksikön on tuettava kaikkia näitä.

Moninaiset 5G-käyttötavat ja kehittyvät standardit

3G:ssä oli kyse puheesta ja tekstiviesteistä. Operaattorit myivät puheaikaminuutteja ja tekstiviestimääriä. 4G:ssä oli kyse mobiilidatasta, joka mahdollisti älypuhelimen nousun operaattoreiden myydessä dataa gigatavuina kuukaudessa.

5G: llä on puolestaan kolme pääkäyttötapausta, kuten kuvassa 1 on esitetty: tehostettu mobiililaajakaista (eMBB), erittäin luotettava alhaisen viiveen viestintä (URLLC) ja massiivinen konetyyppinen viestintä (mMTC). Jokaisen näiden käyttötapauksen optimointi erikseen johtaisi hyvin erilaisiin radioratkaisuihin. 5G yhdistää ne yhdeksi standardiksi.

Kuva 1. 5G-käyttötavat.

Tämän päivän 5G on kyse eMBB:stä. Operaattorit kilpailevat 5G:n nopealla käyttöönotolla houkutellakseen asiakkaita nopeimpaan verkkoon.

Koska kaksi muuta käyttötapaa eli URLLC ja mMTC ovat uusia, niitä toteuttavia markkinoita tai taloutta ei vielä ole. URLLC:lle mainostettu pääsovellus on autonominen ajaminen, mutta 5G-verkolla ei ole merkittävää roolia robottiautoissa. Toimiva URLLC-käyttötapaus on ajoneuvon tai koneen käyttö tilanteissa, jotka ovat liian vaarallisia henkilön ajamiseen. Tällaisia kohteita ovat esimerkiksi kaivokset ja onnettomuusalueet.

Massiivisten koneyhteyksien mMTC-käyttötapauksessa esitetään jopa miljoonaa verkkoon liitettyä laitetta neliökilometriä kohti. Älykkäissä kodin laitteissa wifi toimii hienosti, eikä 5G korvaa sitä. mMTC on tärkeämpi tekijä teollisuuden, kaupan ja valtion sovelluksissa, esimerkiksi älykkäissä tehtaissa ja älykaupungeissa.

Kehittyvät standardit

4G LTE -standardi viimeisteltiin Release 9 -määrityksissä vuonna 2009, ja se kehittyi seuraavien kahdeksan vuoden aikana viiden eri 3GPP-julkaisun kautta 4G LTE Advanced -tekniikkaan.

5G: n ensimmäinen ja toinen vaihe on määritelty julkaisuissa 15 ja 16, ja ne kattavat eMBB-, mMTC- ja URLLC-perusteet. Julkaisu 17 on aloitettu, ja julkaisua 18 suunnitellaan. 5G-standardi kehittyy markkinoiden tarpeiden mukaan seuraavan vuosikymmenen aikana.

5G mullistaa markkinat

Toinen 5G: n haaste voidaan laajasti ymmärtää markkinoiden häiriöinä. 4G-markkinoita katsoattessa muutos tulee olemaan merkittävä. 4G:llä oli yksi käyttötapaus, ja markkinat koostuivat perinteisistä operaattoreista, jotka myivät tietoja kuluttajille ja ostivat verkkoinfrastruktuuria perinteisiltä laitevalmistajilta.

Nykyään sekä O-RAN-allianssi että Telecom Infra -projekti murtavat vakiintuneita liiketoimintamalleja mahdollistamalla erilaisia toimittajia. Uudenlaiset 5G-operaattorit, kuten Dish, Rakuten ja RJIO haastavat vakiintuneet operaattorit.

Häiriöitä ja todellisia innovaatioita tapahtuu yksityisissä verkoissa, jotka käyttävät mMTC- ja URLLC-ominaisuuksia kokonaisten yritysratkaisujen tarjoamiseen.

Kuva 2. 5G mahdollistaa innovaatiot privaattiverkoissa.

Tuloksena on dynaaminen 5G-talous uusien operaattoreiden ja toimittajien kanssa, jotka on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3. 5G tarkoittaa uusia liiketoimintamalleja, markkinoita ja kilpailua.

Zynq RFSoC DFE -piirit vastaavat nykyisiin ja tuleviin 5G-tarpeisiin

Zynq RFSoC DFE toteuttaa tunnettuja ja laskettuja intensiivisiä DFE-toimintoja kovennetussa tai ASIC-tyyppisessä rakenteessa, jotka voidaan konfiguroida sekä 4G- että 5G NR (New Radio) -standardeille.

Kuva 4. Zynq RFSoC DFE integroitu kokonaisen DFE-alijärjestelmän kovakoodattuna IP:nä.

Nämä kovakoodatut, laitepohjaiset solut vievät vähemmän piin pinta-alaa ja voivat vähentää virrankulutusta jopa 80 prosenttia verrattuna perinteiseen FPGA-pehmeään logiikkaan, kuten kuvassa 5 on esitetty. Koska jokainen kova IP-ydin on fyysisesti pienempi kuin ohjelmistopohjainen ”pehmeä” logiikka, lisätään DFE-prosessoinnin aikaansaamiseksi kaksinkertainen määrä ytimiä verrattuna Zynq UltraScale + RFSoC Gen 3 -piireihin.

Kuva 5. Kovakoodatun IP-toteutuksen edut.

Kun kovakoodatut DFE-lohkot käytetään täysimääräisesti, Zynq RFSoC DFE: n virrankulutus on noin 50 prosenttia pienempi kuin vastaava toteutus Zynq RFSoC Gen 3 -piirillä.

Kovakoodatut IP-lohkot, kuten kuvassa 6 on esitetty, sijoitetaan fyysisesti Zynq RFSoC DFE -piirille datavuon mukaisesti. Jokainen IP-toiminto koostuu useista instansseista, joiden avulla piiri voi skaalata ylös tai alas sovelluksesta riippuen. Suurimman joustavuuden tarjoamiseksi käyttäjä voi ohittaa minkä tahansa lohkon ja lisätä logiikkaa missä tahansa datapolun kohdassa.

Kuva 6. Zynq RFSoC DFE -piirin toiminnallinen lohkokaavio.

Zynq RFSoC DFE tukee monikaista- ja monitilaradiot jopa 400 megahertsin välitöntä kaistaa FR1-taajuuksilla (4,1-7,125 GHz) ja peräti 1600 megahertsin välitöntä kaistaa, kun sitä käytetään FR2-taajuuksilla IF-lähetinvastaanottimena.

Yhteenvetona voidaan todeta, että suosittuun Zynq UltraScale+ RFSoC -piiriin perustuva Xilinx Zynq UltraScale + RFSoC DFE eli digitaalinen etupää sisältää kaikki kriittiset ja laskennallisesti intensiiviset digitaaliset prosessointilohkot kovakoodattuna standardienmukaisena konfiguraationa, joka tarjoaa ASIC-piirin edut samalla, kun se säilyttää Xilinxin ohjelmoitavista piireistä tutun mukautettavan logiikan tulevia vaatimuksia ja markkinoiden tarpeita varten.

Lisätietoja löytyy osoitteesta www.xilinx.com/rfsoc-dfe.