作者：BRENDON MCHUGH，KAUE MORCELLES

5G網(wǎng)絡(luò)的主要結(jié)構(gòu)是無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN），可以在多種架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。無論架構(gòu)如何，軟件定義無線電 （SDR） 在 RAN 鏈的每一步都發(fā)揮著重要作用，包括回傳、中傳和前傳。無論是在戰(zhàn)場(chǎng)上還是在城市叢林中，SDR 都提供了處理“大數(shù)據(jù)”過剩的重要技術(shù)功能，包括快速 10-100 Gb/s 光纖通信、寬調(diào)諧范圍、多個(gè)多輸入/多輸出 （MIMO） 通道、高相位一致性以及可編程以適應(yīng)任何應(yīng)用的基于軟件的后端。

術(shù)語大數(shù)據(jù)用于指定從許多不同來源收集的大量數(shù)據(jù)，以及旨在分析這些數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)工具和技術(shù)，通常基于云/邊緣計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí) （ML） 和人工智能 （AI）。收集收集和使用大數(shù)據(jù)所需的大量信息并非易事。

各種各樣的無線設(shè)備（通常稱為用戶設(shè)備（UE））在大型5G網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，包括自動(dòng)駕駛汽車、智能手機(jī)和IoT ［物聯(lián)網(wǎng)］設(shè)備。從多個(gè)UE中提取大數(shù)據(jù)，并通過統(tǒng)計(jì)分析和ML / AI算法進(jìn)行進(jìn)一步的信息處理，為一些有用的網(wǎng)絡(luò)操作提供了完美的框架，包括設(shè)備網(wǎng)關(guān)的優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)中的頻譜共享和動(dòng)態(tài)頻譜訪問，以及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時(shí)性能診斷和分析，包括關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)（KPI）的評(píng)估。但是，要正確啟用大數(shù)據(jù)，UE和網(wǎng)絡(luò)必須提供非常高的數(shù)據(jù)吞吐量，低延遲回程和優(yōu)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

通常，基帶單元（BBU）和無線電主機(jī)（RRU）中的通信模塊基于軟件定義無線電（SDR）;因此，這些SDR的性能是無線大數(shù)據(jù)采集的主要瓶頸之一。在這種情況下，超低延遲和超高性能SDR越來越多地被5G基站采用，特別是由于真正的并行信號(hào)處理（由FPGA［現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列］技術(shù)提供支持）及其在以太網(wǎng)光纖上的非常高的數(shù)據(jù)吞吐能力，能夠提取、處理和打包大量數(shù)據(jù)。

基于 FPGA 的數(shù)字后端還可以輕松地在 SDR 中實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)功能和分析。此外，隨著LTE/5G上連接的UE數(shù)量的增加，這些頻段變得越來越擁擠和稀缺，因此智能無線資源分配和頻譜共享策略可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)的電磁（EM）性能。這兩種技術(shù)都需要寬帶頻譜監(jiān)控，而這只能使用高性能SDR來實(shí)現(xiàn)，具有MIMO功能，超低延遲，寬帶寬和高調(diào)諧范圍。

5G的未來

與目前的4G / LTE技術(shù)不同，5G不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)管道。事實(shí)上，5G網(wǎng)絡(luò)可以被視為專門構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，旨在促進(jìn)許多設(shè)備，傳感器和自動(dòng)化系統(tǒng)之間的連接。通過提供超過4G十倍的容量，5G可以確保高水平的互連，滿足軍事，政府和商業(yè)設(shè)備的需求，以高比特率和超低延遲傳輸大量數(shù)據(jù)。這種連接能力對(duì)于各種用途都至關(guān)重要，例如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR）、虛擬現(xiàn)實(shí) （VR）、自主系統(tǒng)、觸覺互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化。

盡管5G正在迎來技術(shù)革命，但仍有一些挑戰(zhàn)必須解決，以釋放其全部潛力。5G實(shí)施的主要瓶頸是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。雖然網(wǎng)絡(luò)骨干的一部分可以在已經(jīng)使用的電信基礎(chǔ)設(shè)施中實(shí)現(xiàn)，但真正的5G需要在人口稠密的地區(qū)使用大量小型蜂窩來支持大量數(shù)據(jù)流量，每個(gè)蜂窩都使用速度大于10 Gb/sec的無線和光纖鏈路，延遲小于1毫秒。此外，為高數(shù)據(jù)速率用戶（》 6 GHz）提供足夠帶寬所需的高頻在RF信號(hào)質(zhì)量方面存在嚴(yán)重問題。例如，由于信號(hào)丟失，高頻的范圍較短，并且很容易被障礙物（包括建筑物，墻壁和樹木）阻擋，因此它們需要大量的小蜂窩來增加覆蓋范圍。

幸運(yùn)的是，使用多輸入/多輸出 （MIMO） SDR 可以簡(jiǎn)化高密度小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施，同時(shí)解決帶寬和覆蓋范圍問題。最后，由于與包括自主系統(tǒng)和車輛在內(nèi)的關(guān)鍵系統(tǒng)的緊密集成，5G中的網(wǎng)絡(luò)安全比4G更令人擔(dān)憂：因此，需要專門的安全方案來確保5G網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性，特別是考慮到大數(shù)據(jù)應(yīng)用中的隱私問題。

5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和低延遲，結(jié)合多接入邊緣計(jì)算（MEC）架構(gòu)的實(shí)施，為收集和處理RF大數(shù)據(jù)創(chuàng)造了完美的環(huán)境。主要思想包括從密集的小型蜂窩中提取盡可能多的數(shù)據(jù)，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中的大規(guī)模機(jī)器類型通信（mMTC）和機(jī)器對(duì)機(jī)器通信（M2M），并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)見解，用于智能決策，使用分布式計(jì)算架構(gòu)和高性能網(wǎng)絡(luò)鏈路，可以進(jìn)一步應(yīng)用于服務(wù)質(zhì)量（QoS）評(píng)估和優(yōu)化。例如，大數(shù)據(jù)可以作為運(yùn)營(yíng)商預(yù)測(cè)需求曲線的工具，協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)資源分配和網(wǎng)絡(luò)切片，并通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)容量來解決干擾和覆蓋限制。此外，5G改進(jìn)的互連性將使分布式邊緣計(jì)算達(dá)到一個(gè)全新的水平，所有繁重的大數(shù)據(jù)計(jì)算都在云中執(zhí)行。（圖 1。

［圖1 |服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和功能層面的整體5G架構(gòu)。

5G 網(wǎng)絡(luò)中的 SDR

顧名思義，軟件定義無線電是在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)大多數(shù)信號(hào)處理和通信功能的RF單元，僅將基本要素留給模擬電路。SDR 的一般架構(gòu)由模擬前端 （AFE） 和數(shù)字后端組成。AFE 包含接收和發(fā)送功能，并且可以在 MIMO 操作中由多個(gè)通道組成。每個(gè)AFE信道都可以在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧，包括5G調(diào)諧范圍。由AFE放大和濾波的模擬信號(hào)使用專用ADC和具有高穩(wěn)定相位相干性的DAC進(jìn)行數(shù)字化。然而，SDR的真正癥結(jié)在于數(shù)字后端，它通常使用高端FPGA實(shí)現(xiàn)。FPGA具有板載DSP功能，負(fù)責(zé)基本的無線電功能，如調(diào)制/解調(diào)、上變頻/下變頻和濾波，但它也可以執(zhí)行復(fù)雜的通信任務(wù)，包括最新的5G通信協(xié)議和DSP算法。此外，它還可以通過 SFP+/qSFP+ 鏈路對(duì)超過 10 到 100 Gb/秒的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分組和傳輸。基于 FPGA 的后端使 SDR 能夠針對(duì)各種 SWaP（尺寸、重量和功耗）要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

SDR 是通用 5G RF 網(wǎng)絡(luò)的主要構(gòu)建塊。它們可以作為RRU中的前傳網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，以接收和傳輸來自用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以作為BBU，特別是O-RAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中的分布式單元（DU）和中央單元（CU）。事實(shí)上，SDR可以應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)鏈的任何步驟，在中傳和回傳中也發(fā)揮著重要作用。此外，它們通過提供具有高靈活性、低功耗和小尺寸的現(xiàn)成解決方案，在毫微微蜂窩（小型低功耗蜂窩基站）中結(jié)合 RRU 和 BBU 功能的理想技術(shù)。基于 SDR 的毫微微蜂窩可用于各種應(yīng)用，包括用于戰(zhàn)術(shù)用途的無線網(wǎng)絡(luò)或用于無人機(jī)系統(tǒng) （UAS） 的嵌入式通信系統(tǒng)。

大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的 AI/ML 和 SDR

由于其與基于軟件的技術(shù)的親和力，SDR可以促進(jìn)與大數(shù)據(jù)和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）算法相關(guān)的多種技術(shù)。例如，SDR可用于測(cè)試5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）。快速管理網(wǎng)絡(luò)切片 （NS） 所需的高速可重構(gòu)性很容易降低網(wǎng)絡(luò)的 KPI。在這種情況下，KPI 監(jiān)視和評(píng)估技術(shù)（如自主異常檢測(cè) （AAD） 和實(shí)時(shí)分析）是維護(hù) QoS 的基礎(chǔ)。這些技術(shù)可以通過利用數(shù)字后端并使用FPGA在本地運(yùn)行復(fù)雜的KPI分析算法，使用SDR輕松實(shí)現(xiàn)。

由于5G RAN（無線接入網(wǎng)絡(luò)）必須處理大量不同的設(shè)備和服務(wù)，因此網(wǎng)絡(luò)切片是強(qiáng)制性的。要?jiǎng)?chuàng)建這些獨(dú)立的切片，需要SDN/NFV技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)的物理層上提供足夠的靈活性和可重構(gòu)性。SDR在網(wǎng)絡(luò)軟件化中發(fā)揮著重要作用，使SD-RAN算法的實(shí)施成為可能，例如實(shí)時(shí)RAN智能控制器（RIN）。此外，大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)切片可以獲取有關(guān)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息，并根據(jù)流量預(yù)測(cè)器和專用成本函數(shù)自動(dòng)重新分配資源。（圖2。

［圖2 |圖表顯示了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的AI/ML如何幫助無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的 ML/AI 算法還可用于波束成形優(yōu)化，通過協(xié)助 RRU 計(jì)算和選擇最佳波束以最大化參考信號(hào)接收功率 （RSRP）。在這種情況下，波束成形過程將采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)反饋系統(tǒng)的形式，其中每個(gè)UE通知服務(wù)單元幾個(gè)光束參數(shù)，包括光束指數(shù)（BI）和光束參考信號(hào)接收功率（BRSRP），然后決定必須選擇哪些光束來為該單元提供服務(wù)。隨著UE的大量使用，這成為一個(gè)大數(shù)據(jù)問題。通過促進(jìn)RRU的軟件化并提供MIMO功能來驅(qū)動(dòng)天線陣列，SDR實(shí)際上通過大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了波束成形優(yōu)化。此外，在大規(guī)模MIMO應(yīng)用中，每個(gè)波束成形天線都會(huì)接收一個(gè)權(quán)重，必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化才能獲得最佳波束。ML/AI 算法可用于根據(jù)預(yù)測(cè)模型、歷史數(shù)據(jù)、干擾數(shù)據(jù)和用戶規(guī)范動(dòng)態(tài)優(yōu)化天線的權(quán)重。

審核編輯：郭婷