设计和验证5G系统，第2部分

设计5G系统是一项艰巨的任务，因为支持其强大功能所需的技术使它们比其前身更加复杂。 与基于早期4G，3G和2G标准的设备的向后兼容性/互操作性的需求进一步加剧了这种情况。 而且，与旧标准不同，5G规范必须支持智能手机，自动驾驶汽车和IoT设备使用的各种算法和服务模型。 更加复杂的是，许多设备在基于云的应用程序和AI / ML算法中实现了不同程度的功能。

复杂性不是 5G系统 带来的唯一挑战 。 系统的灵活性为设计挑战增加了另一个维度。 5G标准仍在不断发展，有定期发布的新版本，而且还没有结束。 这迫使开发无线电头，基带站和其他5G核心技术的公司仅专注于适用于其产品所需功能的标准元素，而忽略了以后可能成为问题的更多全球性问题。

5G蜂窝变化

通过5G网络的空前流量是由智能手机以外的众多来源产生的。 这些网络为智能家居/建筑/城市设备，智能电网元素，工业自动化系统，自动驾驶汽车以及呈指数增长的AI / ML应用列表提供了物联网的入口。 流量，设备的数量和多样性正迫使无线接入网（RAN）转型。

4G RAN只有一项工作–将智能手机连接到运营商的核心网络。 它们由一系列相互连接的基站组成，每个基站都由一个基带单元（BU）和一个远程无线电头端（RH）以及一个或多个天线组成（ 图1 ）。

图1  4G RAN通过基带单元和远程射频头互连了智能手机。资料来源：西门子公司Mentor

带有RH的集成BU的设计是由主导该领域的三家供应商构思和严格控制的。 这种准垄断导致了封闭的标准，限制了更广泛的竞争。 回想起来，大厂商通过将自己的关键技术（例如压缩方法）专有的“风味”引入其解决方案，从而赋予了4G标准CPRI和OBSAI很大的自由度。 这确保了整个端到端解决方案将由一个供应商提供。

5G改变了上述所有情况。 用于开发5G标准的开放过程使蜂窝运营商可以更多地谈论其用于构建网络的设备所包含的功能和特性。 它使他们有机会参与下一代高度可配置网络的开发，可以轻松定制这些网络以适应世界各地的地区和城市的需求。 真正开放的全球标准还允许任何硬件/软件设计师或制造商在5G产品开发中发挥作用，从而鼓励创新。

5G还代表了RAN体系结构的根本变化。 在5G中，RAN已演变为集中式RAN或C-RAN。 4G RAN的紧密集成结构已分解为一个“前 传网络 ”（ 图2 ），该网络由四个组件组成：

几个集中单元（CU），

每个CU有几个分布式单元（DU），

每个DU有几个无线电单元（RU），并且 多个MIMO（多输入多输出）天线。

图2  5G C-RAN使小区运营商能够控制和推动开放标准。 资料来源：西门子公司Mentor

C-RAN的分解允许彼此远程安装CU，DU和RU，这带来了以下优点：

1、分散单元提供基于云的RAN，与4G网络使用的BU相比，它覆盖城市周围更大的区域。

2、分布式单元将RH与BU分开。 虽然4G塔通常只有四到六个天线，但是5G RU可以驱动多达64个64个MIMO天线，每个天线都可以支持波束成形并实现带宽的大幅增加并显着降低延迟。

3、多个DU一起工作，以根据网络状况为RU动态分配资源。

4、在过渡到5G的传统蜂窝网络中，无线RU网络连接类似于接入点或发射塔的无线设备。

C-RAN网络的其他好处包括能够灵活地集中资源，重用基础架构，简化网络运营和管理以及支持多种技术的能力。 从运营支出的角度来看，它们可降低能耗，降低资本和运营支出。

由于5G网络结构更加异构且具有自组织性，因此它们更容易发展以适应不断变化的市场条件和新机遇。 而且，由于C-RAN的部署更容易，更快捷，因此避免了重建传输网络的麻烦，这是另一个大大降低其总拥有成本（TCO）的因素。

可以根据需要在城市和农村地区定制5G网络，从而为蜂窝运营商提供许多硬件/软件配置和用例。 这种灵活性源自开放式无线电接入网（O-RAN）标准，该标准由 O-RAN联盟 （电信行业成员的大型联盟） 定义 。 它定义了开放的，可互操作的接口，API，RAN虚拟化和启用大数据的RAN智能。 该标准的目标是利用以太网中使用的相同物理电缆。 O-RAN联盟还参与了5G网络中使用的其他基于以太网的协议，包括增强型公共公用无线接口（eCPRI）和基于以太网的IEEE1914.3（RoE）无线电。

5G前传设计验证

5G复杂性的增加是由许多应用和用例驱动的，而过多的设备配置又加剧了这种情况，造成了一种情况，该情况需要 比4G进行 更广泛的测试 。 其中包括包含大多数现代验证技术的较大的功能验证套件，例如正式的验证声明和覆盖范围，故障，测试设计（DFT），制造设计（DFM）等。必须使用扩展的分析来提高性能和功耗，互操作性，协议合规性，压力测试，分析等。

5G产品中使用的半导体通常采用复杂的前沿技术。 为了防止太晚（且太昂贵）无法修复时发现不兼容，功能错误或安全漏洞，在将设计数据库发布到制造之前，每台设备都需要进行彻底的硅前验证，并进行后处理测试。从铸造厂返回的第一块硅。

硅前测试

如今，前硅验证工程师可以从多种验证引擎和方法中进行选择，从传统的寄存器传输级别（RTL）模拟到使用基于一个或多个现场可编程门阵列（FPGA）的原型的基于硬件的验证，一应俱全。 ）。

在精确的知识产权（IP）模块软件模型上运行的RTL仿真具有多功能性，交互性和强大的调试功能。 这些优势使其成为IP块早期测试的必要工具。 但是，RTL文件的巨大大小和复杂性无法在大多数计算机上以接近“实时”速度的任何位置运行，这使得执行系统级验证和嵌入式软件验证非常困难或不可能。

另外，使用FPGA进行硬件原型制作的测试速度比RTL仿真快3到4个数量级，但运行速度仍比真实芯片慢1或2个数量级。 较慢的速度将大多数验证活动的范围限制在执行运行中的选定时间范围内，这在启动OS和运行计算密集型应用程序时可能涉及数万亿个时钟周期。 此外，基于FPGA的验证不具备RTL仿真器的灵活性和调试功能。

在RTL仿真器和FPGA原型之间放置 硬件仿真 。 现代的硬件仿真器可以选择性地执行许多由RTL仿真器通常在软件中实现的任务。 与纯软件策略不同，它可以在几乎无限大小的设计上执行这些任务，其速度比仿真快几个数量级。 简而言之，在任何验证流程中都必须执行硬件仿真。

硅后测试

硅后测试通常是在实验室中通过内置的测试仪或临时自动测试设备执行的。 在此示例中，我们将使用Mentor的X-STEP系统来说明如何使用硬件仿真工具对5G设备的硅进行验证和测试。 由西门子业务部门Mentor开发的 X-STEP 带有大量预先验证的测试套件库，这些套件来自完全符合标准的5G协议。 这样就消除了在内部为软件仿真创建激励所涉及的时间，费用和潜在风险。 它还消除了开发自己的原型环境的需要。

图3 显示了X-STEP测试器环境，包括安装文件，激励文件以及运行测试器所需的对象。 该系统包括用于创建设置文件并使用高级分析功能分析DUT结果的工具和软件。

图3  X-STEP配置用于5G设备的硅级测试，带有内置的一组符合标准的5G协议。 资料来源：西门子公司Mentor

统一的硅前后验证

从历史上看，硅前后的测试发生在两个不共享数据，方法或人员的单独的验证站中。 该过程本质上效率低下且耗时，并且可能影响关键的上市时间。

提出统一的硅前后验证策略的建议可以提高效率，以及5G设计/产品的早期互操作性验证。 该方法要求创建一个模仿硅后设置的硅前环境，并能够在两个设置之间共享和交换测试参数和其他关键数据。 使之成为可能的技术是驱动仿真器的测试环境的虚拟化。 该模型是 Veloce  VirtualLAB库的 一部分 ，可以在最新的仿真平台或领先的原型系统中运行。 唯一的区别是执行速度从硬件测试环境过渡到原型到仿真时降低了。

由于设置准确，配置任务减少到最低限度，因此验证团队可以随意在前硅片和后硅片之间进行切换，测试前硅片中的所有性能情况的带宽，延迟等。

图4 捕获了 硅片 的本质。统一策略，并强调了与通过X-STEP执行的后硅测试共享的通用设置，如图3所示。

图4 统一的前后硅验证策略可提高效率以及5G设计的早期互操作性验证。 资料来源：西门子公司Mentor 总而言之。

图5 描绘了统一验证策略和一整套可在5G嵌入式产品的开发周期中插入的任何地方的全面验证工具所带来的全部验证选项。

图5 具有一套验证工具的统一验证策略可以在5G嵌入式产品的开发周期中的任何地方插入。 资料来源：西门子公司Mentor

硅前后的统一测试环境可对硬件进行全面验证，并对嵌入式软件进行验证，包括在开发周期的每个阶段进行系统验证。 从本质上讲，它允许将任何测试移植到开发周期中验证范围的任何位置，从而创建一个全面的验证库，该库可以在一个公司的内部项目中或在两个测试产品互操作性的供应商之间在产品之间互换。

例如，假设公司A开发了将由公司B在其DU中使用的5G芯片。 通过统一验证，公司B能够使用公司A验证芯片功能的完全相同的测试来测试系统集成期间的DU。

验证5G设备中使用的SoC是一项艰巨的任务，因为它们所支持的标准极其复杂，旨在支持许多应用程序和用例。 这对必须满足优质产品上市时间要求的验证团队构成了严峻挑战。

传统的硅前/后硅测试策略要求两个独立的团队使用两种独立的方法论，这已不再可接受。 最有前途的方法之一是将硅前后的测试方法学合并为统一的验证策略。 在现代仿真器上执行后硅物理测试环境的虚拟化可建立双向流程，使设计人员可以在仿真器和X-STEP测试仪上运行相同的测试。 借助X-STEP，合作伙伴可以以可执行格式交换前传测试配置，以实现生态系统范围的合作，全面的验证以及不同供应商的设备之间的互操作性。