FPGA攻城獅玩5G通信算法的基本套路說明

5G通信的風(fēng)口雖然經(jīng)過近3年的洗禮，熱度稍減，但不可否認(rèn)的是，全球5G網(wǎng)絡(luò)的部署正在持續(xù)快速推進(jìn)，而我國更是部署了占據(jù)全球70%左右的5G基站。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的企業(yè)融合組網(wǎng)模式，將在未來幾年得到廣泛應(yīng)用。

圖1 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”企業(yè)融合組網(wǎng)

干通信這行的朋友一定不會對數(shù)字信號處理陌生，當(dāng)然在我們從事該行業(yè)前，都是經(jīng)過比如《數(shù)字電路》、《模擬電路》、《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字通信原理》、《數(shù)字信號處理》、《現(xiàn)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(jīng)千帆，我們再來看看，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，套路在哪？從理論到實(shí)踐，有幾條街的距離？

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

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

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(diǎn)資料了解。

我相信，只要你把這張圖所包含的知識和技術(shù)，都搞明白了，年薪50W不是夢。

當(dāng)然，與圖2相對應(yīng)地，還有NR上行物理層處理過程，如圖3所示。

圖3 5G NR上行物理層處理過程

當(dāng)你把5G NR上下行都搞明白了，年薪100W應(yīng)該不是夢。

但實(shí)際上，真正全部搞明白的人，在全人類來看，也是極少數(shù)。

在通信中，我們知道有幾個(gè)概念，比如頻譜搬移、時(shí)頻域變換、星座映射、信道編解碼、上下變頻、ADC/DAC等。實(shí)際上，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，全是套路。當(dāng)然，也存在一些特殊通信手段，并不按照國際標(biāo)準(zhǔn)出牌，這里面包含大量打破常規(guī)的方式，此處省略500字。

通信一收一發(fā)，要想高速率、低延時(shí)，上高階調(diào)制，實(shí)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。

圖4 5G NR基站架構(gòu)部署場景

話說回來，通信發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)，在業(yè)界來看，不是主要挑戰(zhàn)，核心算法也沒幾個(gè)，當(dāng)然難點(diǎn)也是有的。各種控制信道、廣播信道和數(shù)據(jù)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(fù)數(shù)信號，再進(jìn)行層映射和天線端口映射，隨后進(jìn)行虛擬的物理資源映射，經(jīng)過N點(diǎn)IFFT變換，得到OFDM符號。這里面涉及幀結(jié)構(gòu)等相關(guān)知識套路，不展開講，但也很有意思。最后，我們再通過DUC、 DAC轉(zhuǎn)換、波束賦形、PA等技術(shù)手段，把基帶信號變成射頻信號，從天線發(fā)射出去。

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

圖5 混合波束賦形

圖6 波束賦形類型

我們知道，香農(nóng)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(fù)用和分集技術(shù)。MIMO也不是那么好搞，學(xué)術(shù)界在理論上發(fā)了不少文章，然而在產(chǎn)業(yè)界，能做到8T8R，都算可以了。

圖7 香農(nóng)公式與香農(nóng)

發(fā)射機(jī)倒是完成任務(wù)了，接收機(jī)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(jīng)過一系列濾波、ADC、DDC后，終于來到接收機(jī)的基帶系統(tǒng)。接收機(jī)的設(shè)計(jì)，無疑是重頭戲，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也要上升一個(gè)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(jī)里面，有幾個(gè)重要處理，直接決定了系統(tǒng)的性能。對于移動(dòng)通信系統(tǒng)，FPGA工程師，應(yīng)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(guān)運(yùn)算。

頻偏/相位補(bǔ)償：接收機(jī)相干解調(diào)，本振非同頻同相，以及多普勒頻移等引起相位旋轉(zhuǎn)，采用復(fù)數(shù)乘法CORDIC正余弦計(jì)算等手段進(jìn)行補(bǔ)償。

定時(shí)糾偏：符號定時(shí)同步準(zhǔn)確與否，將決定能否完美地恢復(fù)OFDM符號。時(shí)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(zhuǎn)，如圖8所示。采用時(shí)域或頻域的STO估計(jì)技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。Gardner環(huán)路，插值運(yùn)算，比較大小等。

圖8 時(shí)偏造成的相位旋轉(zhuǎn)示意圖

信道估計(jì)與均衡：估計(jì)出各天線信道和符號的信道響應(yīng)，通過相關(guān)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(yīng)，但通常解碼更復(fù)雜，例如Turbo、Viterbi、LDPC和Polar等。圖9顯示了各種糾錯(cuò)碼的性能。

圖9 各種糾錯(cuò)碼性能對比

從算法層面講，一個(gè)好的系統(tǒng)算法，的確可以讓實(shí)現(xiàn)變得更簡單，系統(tǒng)性能更優(yōu)。但在實(shí)際工作中，其實(shí)也存在純算法與純實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)，思考的維度不夠，也許可以設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的算法，但是是否有利于硬件實(shí)現(xiàn)，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(jù)算法進(jìn)行邏輯實(shí)現(xiàn)，很有可能會走彎路，多耗硬件資源。

一個(gè)再牛的算法，只有落地了，才能發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值。比如LDPC碼和Polar碼，是由香農(nóng)的弟子及再傳弟子搞出來的。這兩個(gè)重要的編碼技術(shù)，一個(gè)沉睡了半個(gè)世紀(jì)才被發(fā)掘進(jìn)行實(shí)用化，另一個(gè)則是火速上線，一戰(zhàn)成名。

一個(gè)再復(fù)雜的算法，弄清楚了本質(zhì)，確認(rèn)在什么樣的場景下解決什么樣的問題，也就不復(fù)雜了，這才是核心所在。

舉個(gè)例子，比如空間站建設(shè)、火星探測器、衛(wèi)星星座、5G通信等，系統(tǒng)復(fù)雜且龐大，任何一點(diǎn)小錯(cuò)誤，就足以造成致命損傷。在工程實(shí)踐中，形成工作閉環(huán)和復(fù)盤機(jī)制，劃分風(fēng)險(xiǎn)等級和各種優(yōu)先級，都是極為重要的。

圖10 火星探測器天問一號環(huán)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(shí)背后始基于這樣的動(dòng)因：

邏輯實(shí)現(xiàn)和算法設(shè)計(jì)不分家，千萬不要設(shè)定自己能力的邊界，在術(shù)業(yè)有專攻的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)行邊界擴(kuò)展，打通上下游，實(shí)現(xiàn)“架構(gòu)-算法-實(shí)現(xiàn)-調(diào)試”有機(jī)結(jié)合。

當(dāng)然，任何算法的研究，都是因某件事而生，也占據(jù)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(xué)規(guī)律罷了。

審核編輯：符乾江