התפתחות עיבוד אותות דיגיטליים ברשתות הבאות

המעבר מ- 4G LTE ל- 5G רדיו חדש (NR) מייצג שינוי יסודי כיצד רשתות גישה רדיו נועדו, פרוסות ומופעל.במרכז טרנספורמציה זו הוא מעבד האות הדיגיטלי (DSP), ארכיטקטורת מיקרו-מעבד מיוחדת אשר הומצאה ברציפות כדי לעמוד בתקני הניתוק, שקיפות, ודרישות יעילות של תשתיות 5G.

מאמר זה חוקר את המסלול הטכני של מעבדי DSP בתוך מערכות תקשורת 5G, בוחן יכולות נוכחיות, חידושים אדריכליים, ואת הכיוון הסביר של פיתוח עתידי.זה לא מנסה לחזות כל שינוי שוק אלא מתמקד במציאות הנדסית המגדירה את הדור הבא של חומרת עיבוד אותות.

פונקציות הליבה של מעבדי DSP ב 5G Radio Access Networks

שינוי בזמן אמת ודמויות

בכל מערכת סלולרית, השכבה הפיזית (PHY) אחראית להמיר נתונים דיגיטליים לגלימות אנלוגיות המתאימות לשידור על האוויר. 5G NR משתמשת אוטגונית תדירות-דיוויזינג (OFDM) עם תיקון מחזורי, תוכנית הדורשת מהירות גבוהה של ארבעהier הופכת, estimation ערוצים, ושווה DSP להצטיין בביצוע של 100 GLCM) באופן קבוע, אשר דורשות על פני שטח של סמל DG2 של כל אחד מ-DFDF (Der) של דגם DFF (DF) של ארבעהDERDERDERCERCERCERCERDERCERCERCERCERCER (DER (DER) של דגם DFF) של דגם DFF (DERDF) של דגם DFF DFF DFF DFF DFF DFF DFF DFF (DERFERM) של דגם DFF (DERST) של דגם DFF (DERSTY) של דגם DFF DFF DFFSTS) של דגם DFF DFF (DFERM) של דגם DFF (DERM) של דגם DFFST) של דגם DFF DFF DFF D

תגית: Massive MIMO

אחת מתכונות החתימה של 5G היא השימוש במספר רב של אנטנות מרובות (MIMO) אנטנות אנטנות, לעתים קרובות עם 64, 128, או אפילו יותר אלמנטים. עבור כל אלמנט אנטנה, DSP חייב ליישם שלב מורכב ומשקלים אמפולדים כדי לנווט את הדבור בכיוון הרצוי.זה חישוב beam הוא חד מקביל ורב-משמעי, מה שהופך את העבודה הטבעית עבור מסלולים אמיתיים עבור מטריקס ומעבדות.

ערוץ: קודים LDPC ו- Polar

5G NR מעסיקה קודים של שקיפות נמוכה (LDPC) עבור ערוצי נתונים וקודים קוטבי עבור ערוצי בקרה. הן LDPC decoding וקידוד קוטבי דורש אלגוריתמים של תאים רציונאליים או מוצלחים, אשר הם אינטנסיביים חישובית.DSPs אופטימיזציה לתקשורת כוללים ערכות הוראה מיוחדות ודרכי נתונים המגבירים את פרופיל האמונה ואת יכולת המעבר בין סוגי קוד דינמית דרישות קושחיקה.

תיקון שגיאות וניהול Retransmission

בקשה חוזרת אוטומטית היברידית (HARQ) משלבת תיקון שגיאה קדימה עם פרוטוקולים של רנסנסרים.DSP חייב לנהל מעקב רך של רנסנסרים ולשמור עד 16 תהליכי HarQ למשתמש.זה דורש גישה זיכרון נמוכה ומכונות ממשלתיות יעילות, שניהם מקלים על ידי ארכיטקטורת הזיכרון המשותפת הדוקה של DSPs טיפוסית.

מגמות נוכחיות ב-DSP Processor Architecture for 5G

עיצובים רב-קוריים

אף מעבד יחיד אינו יכול להתמודד ביעילות עם כל משימות בסיס 5G. לכן, שבבי בסיס מודרני משתמשים אדריכלות heterogeneous המשלבות ליבות CPU מטרות כלליות, ליבות DSP, ו מאיץ חומרה חומרה חומרה. לדוגמה, מערכת טיפוסית על שבב (SoC) עשוי לכלול כמה ליבות ARMx-A לעיבוד מטוסים, Tensi או CE עבור LTs עבור PHel, כדי להפעיל את ה-DIp אמיתי, תוך כדי עיבוד של מעבדים של מעבדים, ו-DIP.

ספקים מובילים כגון Qualcomm, MediaTek ו-Samsung משלבים עיצובים הטרוגניים כאלה לתוך שבבי ה- 5G שלהם.המגמה לפירוק ניכרת גם באדריכלות פתוחה, שבו יחידת הרדיו (RU) ו-DU (DU) עשויים להשתמש בתצורה DSP שונה אופטימיזציה לתפקידים הספציפיים שלהם.

רדיו תוכנה ותוכנית

בעוד מאיצים חומרה מספקים יעילות שיא, גישות מוגדרות תוכנה מציעים גמישות כדי להתאים את תקני 5G מתפתחים (למשל, שחרור 16, 17, 18) ואופטימיזציה קניינית. DSPs עם ליבות תכנות מלאה לאפשר לספקי תחנת בסיס לשדרג אלגוריתמים על האוויר.תוכנית זו היא קריטית לתכונות כמו הדבקה של נושא, שיתוף דינמי, ורשת סליקה.

DSPs מתקדם עכשיו לתמוך מודלים תכנות אגנוסטיות באורך וקטורנית, כגון אלה אשר מופעלים על ידי RISC-V ו הרחבה וקטור (RVV) זה מאפשר קוד כתוב עבור רוחב וקטור אחד בקנה מידה על פני יישום חומרה שונה. חברות כמו Si Five ו Esperanto Technologies הם חקר הליבה DSP מבוסס RISC-V מבוסס DSP כי משלבת ועיבוד עם הוראות ספציפיות תקשורת.

אנרגיה יעילה וניהול

תחנות בסיס 5G לצרוך באופן משמעותי יותר כוח מאשר קודמיו 4G, בין השאר בשל מספר גדל והולך של אנאנטנות ופס רוחב פס רחב יותר. צריכת כוח DSP היא תורמת עיקרית.כדי להפחית את זה, אדריכלים שבבים משתמשים בשעון אגרסיבי, גלי חשמל, מתח דינמי ותדירות (DVFS), וטכנולוגיות תהליך נמוכות-le-leakage.

ניהול תרמי הפך ראשון עיצוב מסדיר.DSPs משולבים לעתים קרובות חבילות עם מפיץ חום ופתרונות קירור נוזלי עבור תחנות בסיס מאקרו. תאים קטנים וציוד טרום לקוחות (CPE) דורשים עיצובים ללא מעריצים, מה שחייב את ספקי DSP להתאים לפסגות נמוכות יותר וכוח ממוצע.

שילוב של בינה מלאכותית ולמידה של מכונות

היישום של AI / ML ל עיבוד אותות 5G, לפעמים נקרא "AI עבור ממשק אוויר", הוא אזור מחקר פעיל. DSPs מתחילים לשלב מאיצים רשת עצביים קלים או ממטריקס יחידות (ערכים סיסטוליים) שיכול להפעיל מודלים הקצוץ עבור estimation, חיזוי דבורים, והתערבות הקטנת.

עם זאת, השילוב של AI לתוך צינורות DSP בזמן אמת אינו פשוט.מגבלות Latency ב 5G דורש הקצאה להשלים בתוך מיקרו-שניות.זה גרם לפיתוח של ליבות DSP-AI היברידיות לחלוק זיכרון ונתיבי נתונים, צמצום תנועת נתונים.חברות כמו CEVA ו- Cadence מציעים ליבות DSP עם תמיכה Native עבור עשרות פעולות לצד הוראות עיבוד אותות מסורתיים.

כיוונים עתידיים: מעבדי DSP מעבר ל-5G ו- 6G

המונחים: MmWave Signal Processing

6G צפוי לפעול בתדרים מעל 100 GHz, באמצעות רוחב פס מסיבי שעשוי לעלות על 10 GHz לכל נושא. בתדרים כאלה, שיעורי הדגימה הנדרשים להמרות אנלוגית-לדיגיטלית (ADC) ו ההמרה דיגיטלית-ל-ל-אנליזה דיגיטלית (DAC) ידחפו לתוך עשרות ג'יגה-ספופט לשנייה.

המונחים: Photonic DSPs

מחקר ארוך טווח חוקר הקוונטי מחשוב נוירו-מורפי למשימות אופטימיזציה כמו beamforming ו הקצאת משאבים דינמי. בעוד DSP קוונטי טהור אינם עומדים קרוב, היברידית-quantum accelerators כי הסרת בעיות שילוב ספציפיות שילוב נחקרים. בדומה, photonic DSPs כי מעבדים אותות בתחום אנרגיה אולטרה-סגולה ויעילות, אבל נשאר ניסיוני בשלב מוקדם.

אדריכלות DSP Distributed and Edge-Native DSP

רשתות עתידיות ידחפו את העיבוד עמוק יותר לתוך התשתית.במקום מרכזי את כל עיבוד פס בבסיס או המשרד המרכזי, משימות DSP ניתן להפיץ על פני מאפר של מיקרו-מעבדים במערך האנטנה, יחידת הרדיו, ונקודת הגישה. פרדיגמת יתרון זו מפחיתה את הצורך בקישורים מהירים בין אנאנטנות ומעבדים, אך דורשת סינכרוניזציה חדשה ופרוטוקולים עומס.

מפרט ה- O-RAN Alliance לממשק הקדמי של יחידת הרדיו והיחידה המופץ כבר מניח פונקציונליות DSP (למשל עיבוד ברמת הסמל) שוכן ב- O-RU. עם הזמן, הגבול בין האצה לחומרה ועיבוד מוגדר תוכנה ימשיך לטשטש.

אבטחה ו- Cryptographic Offload

רשתות 5G ליישם הצפנה חזקה והגנה על שלמות עבור נתונים של משתמשים וסמן.כפי שאפליקציות אינטרנט סליקה ו-IoT קריטיות הופכות להיות נפוצות יותר, DSPs עשויים לשלב מאיצים קריפטוגרפיים ייעודיים עבור אלגוריתמים כגון AES, SNOW 3G, ו- ZUC. בעתיד, לאחר quantum Cryptographics (למשל, CRYST-Kyberyber ו-CALS-Dilith) עשוי לייעל את הלוגיקה קשה יותר.

אתגרים מרכזיים העומדים בפני אימוץ DSP ב- 5G Infrastructure

עלויות ומורכבות של תהליכים מתקדמים

המעבר ל-5nm ו 3nm ייצור דורש השקעה עצומה.DSP עיצובים שהיו פעם כלכלי עבור יישומים גדולים כרכים (למשל, טלפונים חכמים) הפנים להגדיל את עלויות הנדסה לא מדאיגה (NRE) עבור ציוד תשתיות, כרכים נמוכים יותר, מה שהופך את זה קשה יותר כדי לתקן עלויות מתקדמות.זה עלול להוביל לשימוש מוגבר של מערך השערים הניתנים להשגה (FPGA) ומוצרים סטנדרטיים (FDAS) אך לא יותר זול יותר.

אמת-זמן דיכוניזם ושדרינג

עיבוד שכבתי פיזי 5G יש מועדי תזמון קפדניים - לעתים קרובות בטווח של עד 100 מיקרו-שניות עבור פעולות מסוימות. DSP ליבות ליבה יש לתכנן עם ביצוע הוראה חקידה ושפל להפריע עיצובים יכול להציג תוכן בלתי צפוי עבור כיבים משותפים וזיכרון. עיצוב זהיר של קישורים רב-core והיררכיה זיכרון נדרש כדי להבטיח תזמון גרוע.

מורכבות המשרד ומיזוג

קושחה של 5G בסיס DSP יכול לכלול מאות אלפי שורות קוד, שנכתב לעתים קרובות בתערובת של C / C + ואסיפה. לבדוק כי הקושחה עונה הן דרישות פונקציונליות ותזמון בכל מצבי הפעלה הוא מאתגר מאוד. סימולציה ריגורית, אימות רשמי, ובדיקת חומרה-in-the-the-loop הם חיוניים.התעשייה נעה לכיוון עיצוב מבוסס מודל וקוד אוטומטי כדי להפחית שגיאות ידניות, אבל גישה זו עדיין נמשכת.

השפעה על תשתיות תקשורת: השתמש במקרים נהיגה

אינטרנט של דברים (IoT) ו-Masive Machine-Type Communications

5G תומך mMTC (תקשורת מסוג מכונה מסיבית) עם עד 1 מיליון מכשירים לקילומטר רבוע. DSP בתחנות בסיס IoT חייב להתמודד עם ההתקנה ושחרור בשיעורים גבוהים תוך שמירה על צריכת אנרגיה נמוכה. Narrowband IoT (NB-IoT) ו LTE-M כבר נהנה מתכונות DSP כמו קבלת פנים הפסקתיות (DRX) ו מצבי חיסכון באנרגיה.

רכב אוטונומי ו-V2X

תקשורת בין כלי רכב ל-V2X דורשת קישורים אולטרה-עדיים (URLLC) עם עיכובים מקצה לקצה מתחת 10 ms. DSPs ביחידות Roadside (RSUs) ויחידות לוח-על (OBUs) חייבים לעבד אלגוריתמים של היתוך חיישן והחלפת מודעות.

אוטומציה תעשייתית ורשתות 5G פרטיות

רשתות 5G פרטיות (רשתות לא ציבוריות) הן פרוסות במפעלים, נמלים וממכרות לתמיכה ב-IoT תעשייתי וכלי רכב מודרך אוטומטיים.DSPs בפריסות אלה חייבות להתמודד עם תזמון רציונאלי, רשתות רגישות לזמן (TSN) ו דו-קיום עם Wi-Fi וטכנולוגיות מקומיות אחרות.היכולת להתאים אישית את קושחית DSP עבור פרוטוקולים ספציפיים לייצור (למשל, OPCA, UNET) היא דרישה מרכזית.

גישה Wireless

גישה אלחוטית קבועה (FWA) משתמשת 5G כדי לספק קישוריות פס רחב לבתים ועסקים.DSPs בציוד הנחות לקוחות (CPE) חייב לתמוך במודולציה מסדר גבוה (עד 256-QAM או אפילו 1024-QAM בתנאים אידיאליים) ולפעול ב -24-47 GHz GHz ו- GHz .Beam ניהול בפריסה סטטית או quasi-static הוא פשוט יותר מאשר ניידים, אבל עדיין לחץ על ידי ה-CSP.

מסקנה

העתיד של מעבדי DSP ב 5G ומעבר לו הוא לא אבולוציה אחת, אלא נוף של אדריכלות מיוחדת המותאמים לתרחישים פריסה שונים.הביקוש הבלתי פוסק עבור דיו, עצלות נמוכה יותר, וצריכת חשמל מופחתת תמשיך להניע חדשנות בעיצובים רב-coreיים, יחידות עיבוד AI-capable עיבוד, ותהליכים מתקדמים של מוליכים למחצה.

DSPs יישארו הכרחיים עבור משימות שכבתיות פיזיות אשר תחת פיקוח על תקשורת סלולרית, אבל תפקידם מתרחב כדי לכלול את קצה AI, עומס אבטחה, ופעולה גמישה מוגדרת תוכנה, כמו התעשייה נעה לעבר 6G תדרי תת-THz, האתגרים של שיעור הדגימה, פירוק תרמי וקביעת זמן אמת רק מגבירים מהנדסים.

(ב) לקריאה נוספת בנושאים ספציפיים, מתייחס ל-FLT:0GPP לשחרר 18 מפרטים טכניים המפרטים את ה- 5G--מתקדמים האחרונים, ל-FLT:2O-RAN Alliance Front-haul מפרטים של 3LT 3, ואנליזה מפורטת של ארגונים כגון FLT:4IEEE Communications SocietyFLT:5 ו-FLT7.