嵌入式FPGA在移动通信基带处理中的硬件加速

在5G向6G演进的过程中，移动通信基带处理面临着Tbps级传输速率与微秒级时延的双重挑战。传统架构受限于冯·诺依曼瓶颈，难以满足实时信号处理需求。嵌入式FPGA凭借其动态可重构性、低延迟并行处理能力及硬件级加速特性，成为突破基带处理性能瓶颈的核心技术。

基带处理的核心挑战与FPGA优势

基带处理涵盖信道编码、调制解调、波束赋形等复杂算法。以6G超大规模MIMO系统为例，1024天线阵列的波束赋形需实时计算百万级复数矩阵运算，传统GPU方案单次计算延迟达5ms，而FPGA通过定制化乘法器阵列可将延迟压缩至200μs以内。Xilinx VU9p FPGA内置2880个DSP单元，采用流水线架构实现128通道波束权重并行计算，单次迭代延迟控制在8个时钟周期内，在中信科移动的原型系统中实现8流、128数字通道支持，波束赋形精度达99.2%。

关键算法加速实现

1. 极化码（Polar Code）编解码加速

Polar码作为5G eMBB场景的控制信道编码标准，其硬件加速需兼顾低延迟与高吞吐量。基于FPGA的加速方案采用流水线架构与并行CRC校验：

verilog

module polar_encoder(

   input clk, rst_n,

   input [1023:0] data_in,

   output [1023:0] coded_out

);

   // 蝶形运算单元复用

   generate

       genvar i;

       for (i=0; i<10; i=i+1) begin: BUTTERFLY_STAGE

           // 动态重构蝶形运算

           butterfly_unit u_butterfly(

               .clk(clk),

               .data_in(stage_data[i]),

               .data_out(stage_data[i+1])

           );

       end

   endgenerate

endmodule

该方案通过动态重构技术支持256-2048位码长切换，编码延迟低至0.8μs，吞吐量达20Gbps，误码率低至10⁻⁶。

2. 大规模MIMO波束赋形加速

针对太赫兹频段信道快速时变性，FPGA采用卡尔曼滤波器组实现实时信道校准。中科亿海微的FPGA控制方案在200ns内完成1024子载波的CSI更新，较软件方案提升300倍处理速度。其核心算法通过并行矩阵运算实现：

verilog

module beamforming_core(

   input clk,

   input [127:0] channel_matrix[0:15][0:15],

   output [127:0] beam_weights[0:15]

);

   // 并行矩阵乘法

   always @(posedge clk) begin

       for (int i=0; i<16; i++) begin

           for (int j=0; j<16; j++) begin

               multiplier_bank[i][j] <= channel_matrix[i] * channel_matrix[j]';

           end

           // 权重归一化

           beam_weights[i] <= multiplier_bank[i][0] / sum(multiplier_bank[i]);

       end

   end

endmodule

系统级协同优化

在6G云化无线网络原型验证中，FPGA与CPU/GPU形成异构计算架构：

任务分工：FPGA处理纳秒级实时任务（如波束赋形、IRS控制），GPU承担复杂基带算法（如LDPC解码），CPU负责高层协议调度。

数据交换：通过PCIe 5.0实现16GB/s双向数据传输，延迟控制在8ns以内。

能效优化：FPGA方案较全GPU架构降低65%功耗，支持单基站60W功耗下四流传输。

实际应用成效

中国移动发布的6G基带原型系统验证了FPGA的核心作用：

性能指标：云化异构架构实现16.5Gbps实时吞吐率，支持128数字通道与400MHz单载波带宽。

场景验证：在智能反射面（IRS）控制中，FPGA通过1024通道并行输出架构实现纳秒级同步，相位控制误差压缩至0.5°以内，辅助信号覆盖范围扩展3.2倍。

算法融合：北京邮电大学实验表明，基于FPGA的轻量化神经网络可在50μs内完成信道预测与反射面配置更新，较GPU方案降低90%能耗。

未来展望

随着国产FPGA在6G原型系统中的规模化应用，中国正构建自主可控的技术生态。光子FPGA架构采用硅光互连技术，将IRS控制延迟压缩至10ns以内；量子化算法通过量子退火机实现超大规模MIMO的实时资源分配。在车云协同控制场景中，FPGA边缘服务器支持自动驾驶车辆与IRS的实时交互，实现V2X场景下的微秒级响应，为6G商用落地提供关键硬件支撑。