Sonraki Nesil Ağlarda Dijital İşaret İşlemenin Evrimi
4G LTE'den 5G Yeni Radyo'ya geçiş, radyo erişim ağlarının nasıl tasarlandığını ve işletildiğinin temelini temsil eder.Bu dönüşümde, dijital sinyal işlemcisi (DSP), sıkı performansla tanışmak için sürekli olarak yeniden icat edilen, geç kalmış kodlar ve ağdaki yapay zekaların erkenden yapılmış olduğunu gösterir.
Bu makale, DSP işlemcilerinin 5G iletişim sistemleri içinde teknik yörüngesini araştırıyor, mevcut yetenekleri, mimari yenilikleri ve gelecekteki gelişimin muhtemel yönünü araştırıyor. Her pazar değişimini tahmin etmeye çalışmıyor, ancak bunun yerine bir sonraki sinyal işleme donanımını tanımlayan mühendislik gerçeklerine odaklanır.
5G Radyo Access Networks'teki DSP Süreçtörlerin Temel Fonksiyonlları
Gerçek Zamanlı Modalasyon ve Demolama
Herhangi bir hücresel sistemde, fiziksel katman (PHY) dijital verileri hava üzerinde aktarma için uygun dalgalar haline getirmekten sorumludur. 5G NR kullanımları veya uçsuz frekans-division multiplexing (OFDM) ile bir program, dörtlü transformasyonlar, kanal tahminleri ve eşitleme. DSP işlemciler, hızlı Fourier dönüşümü (FFT) ve tersine, her bir sinir sembolü için gerekli olan.
Kiriş ve Kitlesel MIMO
5G'nin imza özelliklerinden biri, istenen yöndeki kirişleri yönlendirmek için karmaşık bir aşamaya ve amplitüdün kullanımıdır.Bu bilgilendiricisi doğal olarak paralel ve çok fazla sayıdaki anten dizileri, genellikle 64, 128 veya daha fazla elementle yapılır. Her anten elemanı için DSP-özel vektör işleme birimleri ve donanım hızlandırıcıları, istenen yönde yönlendirmesi gerekir.Bu bilgilendirici hareket ve kanal varyasyonları takip eden gerçek zamanlı ağırlık güncellemeleri.
Kanal Coding: LDPC ve Polar Kodlar
5G NR, iletişim için düşük ücretli parite-check (LDPC) kodları için veri kanalları ve kutup kod kanallarını hızlandırma ve kutup bölmesi için kod türleri ve kod oranları arasında dinamik olarak yer alan DSP'ler için optimize edilmiş ve DSP'ler arasında yapılan değişikliklerle ilgili olarak, DSP'ler tarafından optimize edilmiştir.
Hata düzeltme ve Retransmission Management
Hibrit otomatik tekrarlama isteği (HARQ) tekrar transmisyon protokolleri ile ilgili doğru hataları düzeltmektedir. DSP, retransmisyonların yumuşak-kombiningini yönetmek ve kullanıcı başına 16 HARQ proseslerini sürdürmek zorundadır. Bu, düşük çözünürlükli hafıza erişim ve verimli devlet makineleri gerektirir, ikisi de sıkıca çift hafıza mimarisine sahip DSP'lerin tipik olarak kolaylaştırmaktadır.
DSP Processor Architecture for 5G
Heterojen Multi-Core Designs
Tek bir işlemci türü tüm 5G tabanlarını verimli bir şekilde idare edemez. Bu nedenle, modern bazband çipleri, CPU çekirdeği, DSP çekirdeklerini ve donanım hızlandırıcılarını birleştiren heterojen mimarileri kullanabilir. Örneğin, tipik bir sistem-on-çiz (SoC) her bir ARM Cortex-A çekirdeği kontrol-ge işleme, PHY-katlı işleme için çoklu Tensilica veya CEVA DSP çekirdeği, ve FFT için özel hızlandırıcılar ve FFT için özel hızlandırılabilir.
Qualcomm, MediaTek gibi lider satıcılar ve Samsung, 5G modem fişlerine bu kadar heterojen tasarımları dahil ediyor.Rekaggregasyona yönelik eğilim de açık RAN mimarlıklarında belirgindir, radyo ünitesi (RU) ve dağıtılmış ünite (DU) belirli roller için optimize edilebilir.
Yazılım-Defined Radio ve Programmability
Donanım hızlandırıcıları zirve verimliliğini sağlarken, yazılım tanımlı yaklaşımlar 5G standartlarını (örneğin, 16, 17, 18) ve özel optimizasyonlar. DSPs, tam programlanabilir temellere sahip olan DSP'ler, havayolu satıcılarının algoritma uygulamaları yükseltmesine izin veriyor. Bu programlanabilirlik, dinamik spektrum paylaşımı ve ağ paylaşımı gibi özellikler için kritik.
Gelişmiş DSPler şimdi vektör uzunlukta agnostic programlama modellerini destekliyor, örneğin RISC-V vektör uzantıları (RV) tarafından etkinleştirilenler gibi, bir vektör genişlik için farklı donanım uygulamaları ölçeklendirmek için yazılmış kodlar. SiFive ve Esperanto Teknolojileri gibi şirketler RISC-V tabanlı DSP çekirdeklerini iletişim özel talimatları ile karıştırıyor.
Enerji Verimliliği ve Termal Yönetim
5G temel istasyonları 4G öncekilerinden daha fazla güç tüketiyor, kısmen artan sayıda anten ve daha geniş bant genişliği nedeniyle. DSP güç tüketimi büyük bir katkıda bulunuyor.Bu nedenle, çip mimarları agresif saat gating, güç gating, dinamik gerilim ve frekans ölçeklendirme (DVFS), ve uzman düşük hacimli imalat teknolojileri nedeniyle. 5nm ve 3nm üretim düğümleri, transistör yoğunluğu ve güç geliştirmeleri sunuyor, ancak artan maliyet ve karmaşıklıkta.
Termal yönetim ilk siparişli bir tasarım kısıtlaması haline geldi. DSP'ler genellikle ısı yayıcıları ve sıvı soğutma çözümleri ile makro baz istasyonları için paketler halinde entegre edilir. Küçük hücreler ve müşteri-premises ekipmanları (CPE) fansız tasarımları gerektirir, DSP satıcılar daha düşük tepe ve ortalama güç için optimize etmek için.
Yapay Zeka ve Makine Öğrenmesinin Entegrasyonu
AI/ML'nin 5G sinyal işleme uygulamasına uygulanması, bazen "hava arayüzü için AI" olarak adlandırılır, DSP'ler mevcut kanal koşullarına göre hafif bir sinir ağ hızlandırıcıları veya matrisi çoğaltmak için eğitilmiş bir sinir ağı kullanabilir, kanal tahminleri için kesinti modelleri çalıştırabilir.
Ancak, AI'nın gerçek zamanlı DSP boru hatlarına entegrasyonu basit değildir. 5G'deki Latency kısıtlamaları mikrosaniyeler içinde tamamlamak için teşvik gerektirir. Bu, hafıza ve veri yollarını paylaşan hibrid DSP-AI çekirdeğinin gelişimini teşvik etti, CEVA ve Cadence gibi şirketler geleneksel sinyal işleme talimatlarının yanı sıra DSP çekirdeklerini sunar.
Future: DSP Processors Beyond 5G and into 6G
Sub-THz ve MmWave Signal Processing
6G, 100 GHz'nin üzerindeki frekanslarda çalışmanız bekleniyor, ikinci DSP'lerin taşıyıcı başına 10 GHz'yi aşabilecek büyük bant genişliği kullanılarak, analog dijital dönüşüm (ADC) ve dijital-to-analog dönüştürme (DAC) ile devam etmek için gerekli olan örnekleme oranları, DSP'lerin çok yüksek frekanslarda çalışabilmesi veya büyük ölçüde paralel mimarileri kabul etmek için gerekli olan 10 giga-samples'i doğrudan yerine getirebilir.
Kuantum-Inspired ve Photonic DSPs
Uzun vadeli araştırmalar, dinamik kiriş ve enerji verimliliği gibi optimizasyon görevleri için kuantum ekleme ve nöromorfik hesaplamaları araştırıyor, ancak erken bir deneysel aşamada kalır.
Dağıtılmış ve Edge-Native DSP Architectures
Future ağları altyapıya daha derin bir şekilde işlem yapacak. Tüm temel bant işlemeyi bir temel istasyonda veya merkez ofisde merkezileştirmek yerine, DSP görevleri, antenler ve işlemciler arasındaki yüksek hızlı bağlantılara ihtiyaç duyabilir, ancak yeni senkronizasyon ve yük devretme protokollerine ihtiyaç duyar.
O-RAN Alliance'ın radyo ünitesi arasındaki ön segmente olan özelliği ve dağıtılmış ünite zaten bazı DSP işlevselliğini varsayıyor (örneğin, sembolün işleme) O-RU'da kalıyor.
Güvenlik ve Kriptografik Offload
5G ağları kullanıcı verileri ve sinyalleme için güçlü şifreleme ve dürüstlük koruması uygular. Ağ kesintisi ve kritik IoT uygulamaları daha yaygın hale gelir, DSPs AES, SNOW 3G ve ZUC. Gelecekte, post-quantum kriptografik ilkeller (örneğin, CRYSTALS-Kyber ve CRYSTALS-Dilithium) gerekli olabilir, DSP'lerin sabitlenmiş mantık veya yazılımlara yükleyebileceği başka bir hesaplama yükleri atabilir.
5G Altyapısında DSP'yi Kabul Etmeye Yönelik Anahtar Zorluklar
Gelişmiş Süreçlerin Maliyetleri ve Kompleksi Nodes
5nm ve 3nm üretimi büyük bir yatırım gerektirir. DSP, büyük hacimli uygulamalar için bir kez ekonomik olan tasarımlar (örneğin, telefonlar) ve daha yüksek maliyetlerden yararlanan standart ürünlerle karşı karşıya kalabilir.
Gerçek Zamanlı Determinism ve Scheduling
5G fiziksel katman işlemesi, belirli operasyonlar için alt-100 mikrosaniye aralığında katı zaman çizelgesine sahiptir. DSP çekirdeği, en düşük gecikme süresi ile tasarlanmalıdır. Multi-core tasarımları paylaşılan önbellekler ve hafıza için öngörülemeyen içerik sunar.
Firmaware Kompleksi ve Doğrulama
Modern 5G bazband DSP adaptörü, yüzlerce binlerce kod hattını kaplayabiliyor, genellikle C/C++ ve assembly karışımında yazılır.Sistemin tüm işletim modlarında hem işlevsel hem de zamanlama gereksinimlerinin son derece zorlu olduğunu belirtmek. Rigorous simülasyon, resmi doğrulama, ve donanım-in-the-loop testleri önemlidir.
İletişim Altyapısı Üzerine Etkisi: Vakaları Kullanın
Nesnelerin İnterneti (IoT) ve Massive Machine-Type Communications
5G, düşük enerji tüketimine sahipken mMTC (massive makine tipi iletişim) ve DSP'lerin son derece zorlu resepsiyon (DRX) gibi 1 milyondan fazla cihazla bağlantı kurmaları ve serbest bırakmaları gerekir.
Özerk Araçlar ve V2X
Araçla her şey (V2X) iletişim ultra-reliable düşük çözünürlük bağlantıları (URLLC) 10 ms. DSP yoldaki mesafe birimlerinde (RSUs) ve üst düzey birimlerde (OBUs) işlem sensörü füzyon verileri ve değişim kooperatif farkındalık mesajları gerektirir.
Industrial Otomasyon ve Özel 5G Ağları
Özel 5G ağları (ya da kamu dışı ağlar) fabrikalarda, limanlarda ve madenlerin endüstriyel IoT'yi ve otomatik yönlendirme araçları desteklemesi için dağıtılır. Bu dağıtımlarda DSP'ler, zaman duyarlı bir ağ (TSN) entegrasyonu ve Wi-Fi ve diğer yerel teknolojilerle birlikte olmalıdır.
Sabit Kablosuz Erişim
Sabit kablosuz erişim (FWA) ev ve işletmelere geniş bant bağlantı sunmak için 5G kullanır. Müşteri tesislerindeki DSPler (CPE) yüksek sipariş modulu modülasyonları desteklemeli (CPE) ve 1100-QAM ideal koşullarda) ve 24-47 GHz mmWave bandında işletmelidir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
DSP işlemcilerin 5G'deki geleceği ve ötesinde tek bir evrim değil, farklı dağıtım senaryolarına uygun özel mimarilerin bir şubesi.Daha yüksek devir için sürekli talep, daha düşük gecikmeli ve azaltılan güç tüketimi, çok çekirdekli heterojen tasarımlarda inovasyonu kullanmaya devam edecektir, AI-bilişlem birimleri ve gelişmiş süreçler.
DSPs, hücre iletişiminde bulunan fiziksel katman görevleri için vazgeçilmez kalacaktır, ancak rolleri hem de dijital sinyal işlemenin algoritmalı ve mimari boyutlarını anlayan mühendisler, bir sonraki iletişim altyapısına doğru hareket ederler.
Belirli konularda daha fazla okuma, [[Dönetici:0)3GPP Bülteni 18 teknik özellikleri ve en son 5G-Advanced özellikleri için, RAN Alliance front-haul özellikleri).