用自适应soc加速5G基带:第二部分

在我以前的博客，我们讨论了5G分割架构，重点是广泛采用的选项7-2分割。在本文中，我们将介绍5G基站的前传和L1 Hi-PHY的实现。5G分布式单元(DU)可以实现处理前端数据的O-RAN处理和部分卸载的Hi-PHY处理，其中包括LDPC编码器，LDPC解码器和编码器和解码器逻辑的包装器功能。

Fronthaul处理:下面的示例体系结构假设两个网络接口连接到5G无线电单元(ru)，如图1所示。5G DU必须具备5G和5G基站之间的全容量网络连接数据传输能力。网络接口块包括连接到行业标准接口光模块的以太网MAC接口，用于传输和接收来自5G ru的增强公共公共无线电接口(eCPRI)、以太网无线电(RoE)或时间敏感网络(TSN)以太网数据。主机接口通常是PCIe，包括使用直接内存访问(DMA)的高速数据传输机制。

前传处理可以分为以下主要子块，下面我们将进一步深入每个块。

图1:5G基站节点的前传处理。

1.精确时间协议(PTP)功能:通过使用亚纳秒粒度的流量时间戳，使本地时钟(充当从节点时钟)与系统主时钟同步。DU接收1588v2的PTP报文作为流量的一部分，并将其识别为同步平面报文。然后，在用参考时钟生成的时间戳字段替换时间戳字段后，它将它们发送到运行在x86上的s平面应用程序。此块的其他功能可能包括延迟请求的处理，从软件更新主时钟定时器的日时间值，以及在主模式下生成1PPS(每秒脉冲)。

2.流量分类器/聚合器:这个块的功能是路由控制、用户、同步和管理(C、U、S和m平面)消息。流分类块可以实现流规则，用于丢弃或处理来自入方向网口的前传流量。该块可以接收上行和下行方向的eCPRI报文(C和U平面)和以太网报文(S和M平面)。

对于上行链路处理，eCPRI报文由报文头中的eCPRI消息类型字段标识。包括检查源MAC地址、目的MAC地址和VLAN ID是否与配置的规则匹配，如果不匹配则丢弃报文。对于上行方向的S、M平面以太网报文，可以通过一个简单的仲裁器调度发送到主机接口队列。

对于下行链路，它根据eCPRI报头中的消息类型字段配置不同的eCPRI消息的优先级。还可以根据C面和u面配置添加VLAN tag, VLAN tag中的优先级字段可用于为C/ u面消息分配优先级。S和m平面也可以被VLAN标记并分配优先级。该块还可以实现优先级调度程序，根据分配的优先级将数据包发送到连接的前端端口之一。

3.eCPRI框架和反框架:eCPRI编帧器/反编帧器处理负责上行链路和下行链路C/U平面消息的eCPRI协议处理。eCPRI处理需要包括单独的上行链路和下行链路数据路径处理。由于eCPRI处理必须支持基站中的多个天线-载波(AxC)配置，因此该块的适应性允许根据部署场景进行扩展和缩小。eCPRI-over-Ethernet消息的包格式如图2所示。填充(零填充)字段被添加，以使短消息的eCPRI最大传输单元(MTU)大小为64B。

图2:以太网包中的eCPRI消息。

eCPRI帧同时处理上行和下行c面消息以及下行u面消息，因为下行c面消息也是在5G DU上生成的。通过使用分层调度器和多路复用方案，单个eCPRI帧数据路径可以共享多个流/层的eCPRI消息。eCPRI帧生成eCPRI消息的不同字段，并在以太网数据包上进行填充，以便在前传接口上传输eCPRI。

eCPRI除帧器模块有以下功能:

• 处理和删除以太网报头
• 解析和删除eCPRI报头
• 删除eCPRI填充，其中包括基于报头字段的流标识和序列号。
• 删除eCPRI数据中的零填充(用于短消息)
• 检查长度和其他协议错误
• 每个eCPRI流的统计信息

4.O-RAN处理器:O-RAN块与eCPRI块一起工作，通常与主机接口，提供以下功能:

• 接收来自e-CPRI解帧器的上行U-Plane消息，提取IQ数据并传递给主机
• 提取c面IQ数据的打包信息，并将其用于上行u面消息。
• 延迟管理，将c面消息转发到eCPRI块
• U-plane IQ数据从主机帧到O-RAN消息并传递到eCPRI帧机

O-RAN模块接口如图3所示。

图3:上行和下行数据的O-RAN块接口。

O-RAN上行和下行模块均设计为与四个独立的AxC接口接口。在上行方向上，O-RAN块根据O-RAN报头中的参数将u面消息划分为PRACH (Physical Random Access Channel)和PUSCH (Physical uplink Shared Channel)。然后对这些消息进行解帧以提取相应的IQ(用于无线电信号的数据格式)样本。下行块对c面消息进行解析，以提取u面分帧所需的信息。

5.IQ数据主机接口:主机接口块向CPU发送和接收IQ数据样本，处理u面和c面消息的延迟管理。对于IQ样本的缓冲，可以使用外部存储器来保证数据包无损地传输到前传接口。主机接口块读取存储在内存中的数据，并在可适应的ASOC (System-on-Chip)上生成定时刻度，以确保ASOC与主机CPU之间的槽位同步。

如上所述，前传处理和L1 Hi-PHY加速需要适应处理各种大规模多输入多输出(mMIMO)天线配置，以实现前传连接和吞吐量。数据路径处理应能够提供具有eCPRI和O-RAN处理的线速率接口，同时满足5G规范的延迟和同步要求。

Xilinx在其T1 Telco加速卡中实现了前传参考设计，以处理50Gbps的总吞吐量，这大约相当于主备用配置下的8层4T4R 100MHz。该卡使用可适应的MPSoC和RFSoC设备，以保持功能的灵活性。在大多数DU实现中，x86软件实现了完整的无线L1堆栈，在可适应设备上使用O-RAN处理器，可以提供显著的吞吐量和延迟优势。

我期待在我的下一篇文章中分享更多内容，这篇文章将重点介绍L1 Hi-PHY功能的部分卸载以及使用可编程设备的灵活性、吞吐量和延迟的优势。

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