5G im Masseneinsatz: RFSoC-Digital-Front-End ist eine adaptive Lösung

5G ist auf dem Weg vom Konzept zur Realität, mit breitem Einsatz der Infrastruktur und geeigneten Endgeräten. Die 5G-Ökonomie ist aber nicht einfach eine Wiederholung vorangegangener Funk-Standards. Der Bedarf an größerer Bandbreite in der Funkeinheit (RU, radio unit) entsteht nicht nur durch die höheren Datenraten.

Die Netzbetreiber müssen auch die Ansprüche komplexer Funk-Konfigurationen für existierende und künftige Bänder erfüllen. Um diesen Anforderungen zu genügen, werden die Funkeinheiten so ausgelegt, dass sie die größte verfügbare Momentan-Bandbreite (iBW) unterstützen. Frühe 5G-Sender unterstützten Bandbreiten bis herauf zu 200 MHz. In Zukunft müssen sie bis zu 400 MHz abdecken.

Auch wenn 5G derzeit der geltende Mobilfunk-Standard ist, gehen die Auslieferungen von 4G-Equipment noch über viele Jahre mit signifikantem Liefervolumen weiter. Beim Upgrade auf 5G und bei dessen Einsatz müssen die Netzbetreiber aber weiterhin auch die 4G-Abdeckung bieten. Und da die Kapazität der Sendestationen nach der Zahl der Einheiten und deren Gewicht berechnet wird, kann ein Multimode RU für 4G und 5G sowohl die Aufwendungen für CapEx, als auch für OpEx reduzieren.

Eine weitere Komplexität von 5G-Funksystemen ist die verteilte oder dezentrale Schnittstelle (distributed unit, DU). Die typischen Aufteilungen sind 7.1, 7.2 und 7.3. und die dezentrale Schnittstelle muss sie alle unterstützen.

Unterschiedliche Anwendungsfälle für 5G

Bei 3G drehte sich alles um die Übertragung von Sprache und SMS. Die Betreiber berechneten minutenweise Zeiteinheiten und die Anzahl der SMS-Meldungen. 4G brachte einen spezifischen Anwendungsfall: die mobile Datenübertragung. Das förderte den Aufschwung der Smartphones und die monatsweise Berechnung von Datenmengen bis zu mehreren Gigabyte.

5G ist anders angelegt. Hier gibt es drei Haupt-Einsatzsituationen, wie Bild 1 sie darstellt: verbesserte breitbandige Mobilkommunikation (Enhanced Mobile Broadband, eMBB), ultra-zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (Ultra-Reliable Low-Latency Communication, URLLC) und durchgehend automatisierte Kommunikation (Massive Machine Type Communication, mMTC). Eine getrennte Optimierung jeder dieser Anwendungsfälle würde zu recht unterschiedlich ausgelegten Lösungen für das Funksystem führen. Doch 5G vereinigt sie in einem gemeinsamen Standard.

Heute geht es bei 5G fast ausschließlich um eMBB. Die Netzbetreiber beschleunigen den Ausbau ihrer 5G-Netze, um Anwender für das jeweils schnellste Netz zu gewinnen.

Weil URLLC und mMTC konzeptionell neu sind, gibt es noch keine entwickelten Märkte oder ökonomische Gesichtspunkte für ihren Einsatz. Die wichtigste für URLLC propagierte Applikation sind autonome Fahrzeuge. Doch die 5G-Netze werden in diesem Bereich kaum eine signifikante Rolle spielen. Dieser Prozess wird in situ, also mit lokaler Bereitstellung, angelegt sein. Ein zukunftsfähiger Einsatzfall für URLLC ist der Betrieb von Fahrzeugen oder Maschinen in Situationen, die zu gefährlich für bordseitige Steuerung sind, wie im Bergbau oder bei Hilfeleistungen in Katastrophensituationen. 

Für den mMTC-Einsatzfall sind Größenordnungen von bis zu einer Million vernetzter Geräte pro Quadratkilometer veranschlagt. Mit Smarthome-Geräten funktioniert WiFi sehr gut, so dass 5G dieses nicht ersetzen dürfte. Der mMTC-Einsatz dürfte größere Bedeutung in industriellen, kommerziellen und behördlichen Anwendungen finden, also in Smart Factories und Smart Cities.

Neu entstehende Standards

Der 4G- oder LTE-Standard wurde 2009 mit dem Release 9 abgeschlossen und entwickelte sich über die nächsten acht Jahre mit fünf weiteren 3GPP-Releases bis zu 4G LTE Advanced.

Die erste und zweite Phase von 5G wurde im Release 15 und 16 definiert. Diese behandeln die Grundzüge von eMBB, mMTC und URLLC. Mittlerweile hat die Arbeit am Release 17 begonnen, und Release 18 ist im Planungsstadium. Der 5G-Standard wird sich somit in den nächsten zehn Jahren entsprechend den Marktgegebenheiten weiter entwickeln.

5G-Markt-Disruption

Eine weitere Herausforderung für 5G lässt sich ganz allgemein in der Disruption existierender Märkte konstatieren. Im Rückblick auf den 4G-Markt ist dies sehr einschneidend. 4G hatte nur einen Anwendungsfall, und der Markt setzte sich aus traditionellen Netzbetreibern zusammen, die Daten an Consumer verkauften und ihre Netzinfrastruktur von ebenso traditionellen Hardware-OEMs erwarben.  

Heute stören die O-RAN Alliance und das Telecom Infra Project die etablierten Geschäftsmodelle, indem sie anders geartete Lieferanten unterstützen. Disruptiv agierende 5G-Netzbetreiber wie Dish, Rakuten und RJIO fordern damit ihre Peers und die existierenden Operatoren heraus.

Disruption und wirkliche Innovationen dürften eher in privaten Netzen auftreten, die mMTC- und URLLC-Funktionen einsetzen, um vollständige Unternehmenslösungen anzubieten (Bild 2). Das Ergebnis ist eine dynamische 5G-Ökonomie mit neuen Betreibern und Lieferanten, wie in Bild 3 dargestellt.

Das Zynq RFSoC DFE erfüllt heutige und zukünftige Anforderungen von 5G. Es implementiert bekannte und rechenintensive DFE-Funktionen in einer harten oder ASIC-ähnlichen Struktur, die sowohl für 4G- und neue 5G-Funkstandards (NR, new radio) konfigurierbar ist (Bild 4).

Diese harten Zellen beanspruchen eine geringere Fläche auf dem Chip. Sie können außerdem den Leistungsverbrauch im Vergleich zur traditionellen FPGA Soft Logic um bis zu 80 Prozent reduzieren. Das verdeutlicht Bild 5. Da jeder Hard-IP-Kern physisch kleiner ist als die Soft Logic, lassen sich weitere Kerne hinzufügen, um im DFE die zweifache Verarbeitungskapazität gegenüber den Zynq-UltraScale+-RFSoC-Gen-3-Bausteinen bereitzustellen.

Wenn man die Hard IP-Blöcke voll ausnutzt, ist der Leistungsverbrauch eines RFSoC-DFE um etwa 50 Prozent geringer als bei einer äquivalenten Implementierung in einem RFSoC-Gen-3-Baustein. Die Hard-IP-Blöcke werden, wie in Bild 6 gezeigt, physisch im RFSoC-DFE so angeordnet, dass sie konsistent mit dem Datenfluss sind. Jede IP-Funktion setzt sich aus mehreren Instanziierungen zusammen. Das ermöglicht es dem Baustein, entsprechend der vorliegenden Applikation aufwärts oder abwärts zu skalieren.

Für größtmögliche Flexibilität kann der Anwender jeden Block überspringen und an jedem Punkt des Datenpfades weitere Logikelemente einfügen. Das Zynq-RFSoC-DFE unterstützt Multiband- und Multimode-Funksysteme mit bis zu 400 MHz iBW im Bereich FR1 (bis herauf zu 7,125 GHz), sowie bis zu to 1600 MHz iBW, wenn es als ZF-Transceiver für FR2 eingesetzt wird.

Zusammenfassung

Das Zynq-UltraScale+-RFSoC-DFE von Xilinx umfasst auf der Basis des Zynq-UltraScale+-RFSoC alle kritischen und rechenintensiven digitalen Verarbeitungsblöcke in einer harten Standard-gemäßen Konfiguration. Es bietet damit die Vorteile eines ASIC, erhält jedoch seine adaptierbare, schnell umsetzbare Xilinx-DNA durch die adaptierbare Logik als Vorbereitung auf zukünftige Anforderungen und Marktentwicklungen.