基于RFSoC和PYNQ的单芯片Split-6 PHY实现：面向5G NR小基站的创新硬件设计与验证

《Forest Policy and Economics》：A single-chip Split-6 PHY implementation for 5G NR, using RFSoC and PYNQ

为解决室内移动数据流量占比高、传统基站覆盖难的问题，研究人员基于AMD UltraScale+ RFSoC芯片，开展了5G NR物理下行共享信道（PDSCH）的完整硬件实现研究。开发了多个定制IP核，结合硬化SD-FEC资源，实现了小于10%的BRAM和3%的其他PL资源占用，时钟达122.88MHz，支持100MHz带宽，功耗仅4.33W。成功验证了RFSoC作为Split-6无线电单元（RU）在小型蜂窝网络中的可行性和低复杂度优势。

　　

随着第五代移动通信技术（5G NR）的快速发展，城市环境中超过70%的移动数据流量发生在室内场景，这对传统宏基站的信号穿透能力和覆盖效率提出了严峻挑战。小型蜂窝网络（Small Cell）作为一种有效的解决方案，通过低功率、短距离的紧凑型基站补充现有移动网络，特别适合办公室、住宅等室内环境的覆盖需求。然而，传统集中式无线接入网络（RAN）架构存在前传链路带宽要求高、设备复杂且成本高昂的问题，迫切需要新型网络架构和硬件平台来实现高效、灵活且经济可行的部署。

在此背景下，开放无线接入网络（O-RAN）倡导的分解式架构将基站功能划分为中央单元（CU）、分布式单元（DU）和无线电单元（RU），其中不同的功能分割方案（如Split-6、Split-7.2和Split-8）直接影响网络性能和部署成本。Split-6架构将整个物理层（PHY）功能下沉至RU，显著降低前传带宽需求，提升网络灵活性，但其硬件实现仍面临开发难度大、验证平台缺乏等问题。为此，Lewis J. Brown等人利用AMD UltraScale+射频片上系统（RFSoC）的可编程逻辑和硬化资源，结合PYNQ软件-硬件协同设计框架，首次在单芯片上实现了5G NR物理下行共享信道（PDSCH）的完整PHY处理链，为Split-6无线电单元提供了可行的硬件原型和测试平台。

研究团队采用的主要技术方法包括：基于Vivado IP集成器和HDL Coder工具开发定制IP核，实现传输块（TB）生成、循环冗余校验（CRC）、码块分割、低密度奇偶校验（LDPC）编码（利用硬化SD-FEC核心）、速率匹配、比特选择和调制等功能；利用PYNQ框架构建交互式测试工具，通过Jupyter笔记本和DMA传输实现实时资源分配和信号可视化；通过AXI4-Lite和AXI4-Stream接口实现处理器系统（PS）与可编程逻辑（PL）之间的数据与控制交互。

研究结果方面，团队通过两个典型案例验证了设计的正确性和灵活性：

案例1：51个物理资源块（PRB）和QPSK调制

在20MHz带宽（30kHz子载波间隔）下，分配13个符号用于数据传输，选择64-QAM调制编码方案（MCS）表中的索引6（对应QPSK调制）。计算得到传输块大小（TBS）为6,656比特，生成单个码块，经LDPC编码和速率匹配后，输出15,300比特，最终调制产生7,650个资源元素（RE），完美填充时频资源网格，包括306个子载波的解调参考信号（DM-RS）。

案例2：133个PRB和16-QAM调制

在50MHz带宽下，分配10个符号，选择256-QAM MCS表中的索引10（对应16-QAM调制）。TBS达到38,936比特，被分割为5个码块，经LDPC编码后输出253,440比特，通过比特选择提取121,280比特，最终调制生成30,320个RE，满足两时隙的资源分配需求，DM-RS占据798个子载波。

硬件实现结果显示，整个PDSCH PHY层设计在ZU48DR RFSoC芯片上仅占用不足10%的块RAM（BRAM）和低于3%的其他可编程逻辑资源，总功耗4.33W（动态功耗2.533W），最高时钟频率达到122.88MHz，满足100MHz带宽信道需求。延迟测试表明，较小TBS处理仅需0.332毫秒，可满足混合自动重传请求（HARQ）的最小时隙时序要求；较大TBS处理需0.719毫秒，可通过调整HARQ时序实现兼容。

研究的结论和讨论部分强调，该工作首次在RFSoC平台上实现了从原始数据到调制输出的完整PDSCH处理链，充分利用硬化SD-FEC核心高效处理LDPC编码，显著降低资源占用和功耗。通过PYNQ测试工具，实现了无需外部网络软件的低复杂度验证，为Split-6 RU提供了切实可行的硬件解决方案。该设计不仅证明了RFSoC在分解式RAN中的优势，还为5G NR小基站部署提供了高性能、低成本的硬件参考，未来可通过集成控制信道和完整OFDMA信号生成，进一步推动Split-6架构的实际应用。