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FPGA攻城獅玩5G通信算法的基本套路說明

C29F_xilinx_inc ? 來源:賽靈思 ? 作者:賽靈思 ? 2022-02-16 16:21 ? 次閱讀

5G通信的風口雖然經過近3年的洗禮,熱度稍減,但不可否認的是,全球5G網絡的部署正在持續快速推進,而我國更是部署了占據全球70%左右的5G基站。

隨著工業互聯網的推進,“5G+工業互聯網”的企業融合組網模式,將在未來幾年得到廣泛應用。

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圖1 “5G+工業互聯網”企業融合組網

干通信這行的朋友一定不會對數字信號處理陌生,當然在我們從事該行業前,都是經過比如《數字電路》、《模擬電路》、《信號與系統》、《數字通信原理》、《數字信號處理》、《現代信號處理》、《電磁場與電磁波》、《信息論與編碼》等一系列課程磨練過。歷經千帆,我們再來看看,通信系統的設計,套路在哪?從理論到實踐,有幾條街的距離?

一個完整的通信系統,是十分龐大的,沒有幾百上千人,在短時間內是做不好的。本文僅僅針對5G NR中的基帶算法部分,做一個簡單梳理。

對于5G通信系統, 站在基站側的角度,那么下行方向的整個處理過程,從gNB MAC到終端UE MAC,可以用圖2來說明。

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圖2 5G NR下行物理層處理過程

這張圖在此不做過多解讀,感興趣的可以自己去找點資料了解。

我相信,只要你把這張圖所包含的知識和技術,都搞明白了,年薪50W不是夢。

當然,與圖2相對應地,還有NR上行物理層處理過程,如圖3所示。

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圖3 5G NR上行物理層處理過程

當你把5G NR上下行都搞明白了,年薪100W應該不是夢。

但實際上,真正全部搞明白的人,在全人類來看,也是極少數。

在通信中,我們知道有幾個概念,比如頻譜搬移、時頻域變換、星座映射、信道編解碼、上下變頻、ADC/DAC等。實際上,通信系統的設計,全是套路。當然,也存在一些特殊通信手段,并不按照國際標準出牌,這里面包含大量打破常規的方式,此處省略500字。

通信一收一發,要想高速率、低延時,上高階調制,實際上還是有大量的工作需要去做。放眼世界,把5G玩得很6的,也就那幾家。

對于5G基站而言,其典型的部署場景如圖4所示。

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圖4 5G NR基站架構部署場景

話說回來,通信發射機的設計,在業界來看,不是主要挑戰,核心算法也沒幾個,當然難點也是有的。各種控制信道、廣播信道和數據信道揉在一起,就足夠玩一年半載了。我們在比特級做些CRC、信道編碼、速率匹配、加擾等手段,就把信號拿去做星座映射。而在符號級,我們做完星座映射后,成了復數信號,再進行層映射和天線端口映射,隨后進行虛擬的物理資源映射,經過N點IFFT變換,得到OFDM符號。這里面涉及幀結構等相關知識套路,不展開講,但也很有意思。最后,我們再通過DUC、 DAC轉換、波束賦形、PA等技術手段,把基帶信號變成射頻信號,從天線發射出去。

下面圖5給出了混合波束賦形的架構,這也是目前最實用的波束賦形方式。圖6則對三種波束賦形進行了簡要分析。

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圖5 混合波束賦形

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圖6 波束賦形類型

我們知道,香農老爺子提出的公式,如圖7所示,C=Blog2(1+S/N),從理論上表明了在帶寬有限的情況下,信道容量也是有限的。為了提高信道容量,我們用多根天線來撐起門面,搞MIMO空間復用和分集技術。MIMO也不是那么好搞,學術界在理論上發了不少文章,然而在產業界,能做到8T8R,都算可以了。

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圖7 香農公式與香農

發射機倒是完成任務了,接收機才開始。首先得通過天線把信號接收下來,這些信號就是肉眼看不見摸不著的電磁波,以特定的頻率和波長,游蕩在你我周圍,并具有一定的穿透力。

我們用天線接收信號后,經過一系列濾波、ADC、DDC后,終于來到接收機的基帶系統。接收機的設計,無疑是重頭戲,設計實現的復雜度也要上升一個等級。全球玩家那么多,為啥只有高通、HW等巨頭玩得很6,其他都一般的原因,由此可見。

接收機里面,有幾個重要處理,直接決定了系統的性能。對于移動通信系統,FPGA工程師,應該怎么玩呢?

同步:如幀同步,符號同步等,常采用匹配濾波,相關運算。

頻偏/相位補償:接收機相干解調,本振非同頻同相,以及多普勒頻移等引起相位旋轉,采用復數乘法CORDIC正余弦計算等手段進行補償。

定時糾偏:符號定時同步準確與否,將決定能否完美地恢復OFDM符號。時偏極易引起符號間干擾ISI和載波間干擾ICI,并引起相位旋轉,如圖8所示。采用時域或頻域的STO估計技術進行補償。Gardner環路,插值運算,比較大小等。

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圖8 時偏造成的相位旋轉示意圖

信道估計與均衡:估計出各天線信道和符號的信道響應,通過相關和矩陣求逆等手段完成,常用算法有LS、MMSE、ZF等。

信道解碼:與信道編碼對應,但通常解碼更復雜,例如Turbo、Viterbi、LDPC和Polar等。圖9顯示了各種糾錯碼的性能。

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圖9 各種糾錯碼性能對比

從算法層面講,一個好的系統算法,的確可以讓實現變得更簡單,系統性能更優。但在實際工作中,其實也存在純算法與純實現的隔閡。主要反映為很多算法工程師熟知算法本身,但并不了解怎么用硬件去實現,思考的維度不夠,也許可以設計出性能優異的算法,但是是否有利于硬件實現,也是必須考慮的問題。與此類似,如果ASIC/FPGA工程師不了解算法,只根據算法進行邏輯實現,很有可能會走彎路,多耗硬件資源。

一個再牛的算法,只有落地了,才能發揮出應有的價值。比如LDPC碼和Polar碼,是由香農的弟子及再傳弟子搞出來的。這兩個重要的編碼技術,一個沉睡了半個世紀才被發掘進行實用化,另一個則是火速上線,一戰成名。

一個再復雜的算法,弄清楚了本質,確認在什么樣的場景下解決什么樣的問題,也就不復雜了,這才是核心所在。

舉個例子,比如空間站建設、火星探測器、衛星星座、5G通信等,系統復雜且龐大,任何一點小錯誤,就足以造成致命損傷。在工程實踐中,形成工作閉環和復盤機制,劃分風險等級和各種優先級,都是極為重要的。

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圖10 火星探測器天問一號環繞器與火星合影

雖然本篇文章在講通信算法的套路,并從FPGA工程師的角度來簡述閑扯,但其實背后始基于這樣的動因:

邏輯實現和算法設計不分家,千萬不要設定自己能力的邊界,在術業有專攻的基礎上,還應進行邊界擴展,打通上下游,實現“架構-算法-實現-調試”有機結合。

當然,任何算法的研究,都是因某件事而生,也占據了人類最頂級的智慧,消耗了幾十年如一日的光陰。

毫無疑問,羅馬不是一天就能建成,而是聚沙成塔的過程。

話說回來,不論是算法,還是ASIC、FPGA、SOC本身,并沒有什么套路,不過是遵循科學規律罷了。

審核編輯:符乾江

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