Adaptive HF-Plattform für den 5G-Massenmarkt

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Xilinx probt den Spagat: Seine überarbeitete Zync-RFSoC-DFE-Baureihe setzt auf ein funktional fixiertes digitales Funk-Frontend in Kombination mit einem programmierbaren Logikblock und verspricht bessere Performance, höhere Energieeffizienz und geringere Systemkosten.

Noch vor der angekündigten Übernahme durch AMD hat Xilinx seine 2018 vorgestellten Zynq UltraScale+ RFSoC-Familie überarbeitet und nach eigenen Aussagen stärker auf den Massenmarkt von 5G-Funksystemen ausgerichtet. Was die jetzt „Zynq RFSoC DFE“ genannten Bausteine auch in der mittlerweile 4. Generation besonders macht, ist die auf dem Chip integrierte, adaptierbare Hochfrequenz-(HF-)Signalkette.

Im neuen Chip sind mehr Funktionsblöcke als zuvor fest „verdrahtet“, etwa Digital-Up-/Digital-Down-Conversion-Blöcke samt Mischer (zur Unterstützung von Multi-Carrier-/Multi-Band-Szenarien) oder die Signal-Processing-Einheit für das Re-Sampling und Equalization. Gleichzeitig hat Xilinx die Möglichkeit vorgesehen, die Signalkette zwischen diesen fixen Blöcken aufzubrechen und Signale in den programmierbaren Logikteil zu routen.

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Wie ein ASIC, nur flexibler

Der 5G-Standard nimmt immer mehr Form an, wichtige Releases sind mittlerweile veröffentlicht – etwa das in diesem Jahr ratifizierte Major-Release 16, das insbesondere wichtige Details der Funkschnittstelle (RAN, Radio Access Network) definiert. Damit ist klar, welche Anforderungen beispielsweise an viele Teile der Funkschnittstellen gestellt werden, und Hersteller können passende Chips dafür entwickeln. Anders ausgedrückt: Funktionen, die bislang nachträglich anpassbar mithilfe programmierbarer Logik realisiert werden mussten, lassen sich jetzt „festverdrahtet“ im Silizium realisieren. Release 17 soll 2022 folgen, Release 18 im Jahr 2024.

Das Fixieren der Funktionen des „Digital Front-End“ (DFE) hat nach Angaben von Xilinx gleich mehrere Vorteile: Erstens sind höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten und damit mehr Datendurchsatz möglich, als wenn die Funktionen mithilfe der programmierbaren Logik („Soft Logic“) realisiert werden. Zweitens verringere sich der Flächenbedarf auf dem Chip erheblich. Drittens hat das DFE-Subsystem nun gegenüber einer Soft-Logic den Vorteil, dass es mit deutlich weniger Energie auskommt. Xilinx spricht von einer bis zu 50%ig geringeren Leistungsaufnahme. Trotzdem bleibt die adaptierbare Logik ein wichtiger Bestandteil.

Flexibilität dort, wo es auch in Zukunft wichtig ist

Denn Flexibilität wird auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen: „Im 4G-Markt ging es praktisch nur um möglichst viel Bandbreite für mobile Datenübertragung“, sagt Gilles Garcia, Senior Director Marketing & WW Channel Business Lead von Xilinx, im Gespräch mit ELEKTRONIKPRAXIS. Entsprechend hätten die Netzwerkausrüster für die wenigen Mobilfunkanbieter dedizierte, hochspezialisiert Hardware entwickelt. Diese Situation habe sich mit 5G grundlegend geändert: „Es wird viel mehr unterschiedliche Anwendungsfälle mit ganz verschiedenen Anforderungen geben.“ Und darauf müssten sich die Funksysteme adaptieren lassen.

5G sieht explizit die Möglichkeit vor, dass beispielsweise Firmen private Campusnetze aufbauen, die ganz spezifische Anforderungen abdecken. Wahrscheinlich ist zudem das Auftauchen neuer, regional aktiver Mobilfunkbetreiber, auch Kabel- und Satellitenprovider können ihr Angebot mit 5G erweitern. Diese Applikationen würden sich zwischen den Anwendungseckpunkten „Enhanced Mobile Broadband“ (eMBB), „Massive Machine Type Communication (mMTC) und „Ultra Reliable & Low Latency Communication“ (URLLC) einordnen, erklärt Garcia. Dabei gehe es zum Beispiel um das Austarieren der Hardware für hohe spektrale Effizienz, das Nutzen neuer Frequenzbänder, geringe Sendeleistung, Massenverbindungen von IoT-Geräten, deterministische Berechnungen, geringe Latenzen oder auch geringe Fehlerraten.

Komplexere Netze: 5G wird 4G nicht schlagartig ablösen

Klar ist laut Garcia, dass mit 5G die Komplexität von Mobilfunknetzen stark zunehme. 5G löse 4G nicht schlagartig ab, vielmehr würden beide Mobilfunkstandards noch über Jahre nebeneinander existieren. „Das setzt aber voraus, dass die eingesetzten Systeme beide Techniken zeitgleich beherrschen“, sagt der Xilinx-Manager.

Als wichtigen Punkt hebt Liam Madden, Executive Vice President und General Manager der Wired and Wireless Group von Xilinx, hervor, dass sich der jetzt fest verschaltete Datenpfad an alle Leistungsverstärker und Leistungsstufen anpassen lassen soll – einschließlich neuer GaN-Leistungsverstärker (Power Amplifier, PA) mit bis zu 400 MHz Bandbreite. Dies soll die Effizienz der PAs „stark verbessern“ – bei gleichzeitig reduzierter Leistungsaufnahme. „Damit lässt sich Zynq RFSoC DFE in einem wesentlich breiteren Spektrum von Applikationen einsetzen – von kleinen Funkzellen bis hin zu Massive MIMO“, sagt Madden.

Doppelte Performance pro Watt gegenüber dem Vorgänger

Unter dem Strich erreichen die Chips der Zynq-RFSoC-DFE-Familie im Vergleich zur dritten Generation der Zync-RFSoC-Bausteine die doppelte Performance pro Watt – „und ist damit die industrieweit einzige Direkt-HF-Plattform, die Carrier Aggregation/Sharing sowie eine Multi-Mode- und Multi-Band-Bandbreite von 400 MHz in allen FR1-Bändern sowie in den neuen Bändern bis hinauf zu 7,125 GHz ermöglicht“, sagt Madden. Zum Vergleich: Die Zync-RFSoCs der 1., 2. und 3. Generation erreichen eine Analogbandbreite von 4, 5 und 6 GHz.

Beim Einsatz als Millimeterwellen-Zwischenfrequenz-(IF-)Transceiver erreiche Zynq RFSoC DFE bis zu 1.600 MHz an Bandbreite. Insgesamt ließe sich mehr Rechenleistung pro Antenne bereitstellen – oder mehr Antennensignale pro Einheit verarbeiten. Dies wiederum bedeute weniger teure Leistungsstufen und somit geringere Systemkosten. Das System unterstütze auch Szenarien, in denen sich mehrere Betreiber eine Funkeinheit teilen und darüber gemischt 4G-LTE- und 5G-Services anbieten.

Open RAN: Flexible Designs wichtig für den Erfolg

„Die Entwicklung von 5G für den kommerziellen Einsatz und für neue Anwendungsfelder ist noch nicht abgeschlossen“, erläutert Dimitris Mavrakis, Senior Research Director für 5G bei ABI Research. Daher seien flexible Komponenten besonders wichtig, mit denen sich kosteneffizient zukunftssicheres Equipment entwickeln ließe. Entwicklungen wie „Open RAN“ (Open Radio Access Network) verlagere diese Anforderung zudem auf eine höhere Ebene – dorthin, „wo flexible Designs ausschlaggebend für den Erfolg sind“. Die Zynq-RFSoC-DFE-Bausteine von Xilinx seien dafür gut geeignet, da sie „die Kostencharakteristik typischer ASICs mit der Design-Flexibilität und Kundenspezifizierung von FPGAs kombinieren.“

Laut Xilinx sind Design-Dokumentation und Support für die Zynq-RFSoC-DFE-Chips sind für Early Access Kunden bereits verfügbar. Erste Auslieferungen sollen im ersten Halbjahr 2021 erfolgen.

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