5G设计的统一，前和硅后验证策略万博投注网址
文章作者:Lauro Rizzatti, Mika Castren和Ron Squiers
这种用于5G设计的统一、前硅和后硅验证策略基于硬件仿真。万博投注网址
第1部分本系列的文章讨论了5G将如何结束拥塞和延迟问题。
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其比之前的系统复杂得多。对基于早期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，与以前的标准不同，5G规范必须支持智能手机、自动驾驶汽车和物联网设备使用的各种算法和服务模型。增加复杂性的是，许多这些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。
复杂性并不是唯一的挑战5 g系统．系统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，定期发布新版本，看不到尽头。这迫使开发无线电头、基带站和其他5G核心技术的公司只专注于适用于其产品所需功能的标准元素，而忽略了可能在以后成为问题的更多全球性问题。
5G细胞变化
流过5G网络的前所未有的流量水平由超出智能手机的众多来源生成。这些网络为智能家庭/建筑/城市设备，智能电网元件，工业自动化系统，自动驾驶车辆和AI / ML应用程序的指数增长列表提供了一个斜坡。业务量以及设备的纯粹号码和多样性，正在强制转换无线电接入网络（RAN）。
4G RANs只有一个任务——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，每个基站由一个基带单元(BU)和一个远程无线电头(RH)和一个或多个天线(图1）.
图14G RAN通过基带单元和远程无线电头互联智能手机。资料来源:Mentor，西门子公司
万博投注网址集成BU和RH的设计是由主导该领域的三家供应商构思和严格控制的。这种准垄断导致了一种封闭的标准，从而限制了更广泛的竞争。回顾过去，4G标准CPRI和OBSAI被给予了很大的自由，大厂商利用这些自由将他们自己专有的关键技术(如压缩方法)带入他们的解决方案中。这确保了整个端到端解决方案将由一个供应商提供。
5G更改以上所有内容。用于开发5G标准的开放过程为蜂窝运营商提供了关于其用于构建其网络的设备的功能和功能的说法。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，以满足全球地区和城市的需求。真正开放的全球标准也鼓励通过允许任何硬件/软件设计师或制造商在5G产品开发中发挥作用的创新。
5G还代表了RAN架构的根本变化。在5G中，RAN已经演变成集中式的RAN或C-RAN。4G RAN的紧密集成结构已经分解为一个“fronthaul网络”(图2)，由四个部分组成:
- 一些集中单元(CU)，
- 每个CU的几个分布单位（DU），
- 几个无线电单位(RU)为每个DU，和
- 多个MIMO(多输入多输出)天线。
图25G C-RAN使细胞运算符能够控制和驱动开放标准。资料来源:Mentor，西门子公司
C-RAN的分解允许远程安装CUs、DUs和ru，从而带来以下几个优点:
- 分散的单位提供基于云的RAN，涵盖城市周围大的区域，而不是4G网络使用的总线。
- 分布式单元将RH与BU分开。4G发射塔通常只有4到6个天线，而5G RU可以驱动到64×64 MIMO天线，每一个都可以支持波束形成，实现大幅增加带宽和显著降低延迟。
- 多个du协同工作，根据网络情况动态分配资源给RUs。
- 在向5G过渡的传统蜂窝网络中，无线RU网络连接类似接入点或发射塔的无线设备。
C-RAN网络的其他优势包括灵活池资源，重用基础架构，简化网络操作和管理的能力，并支持多种技术。从OPEX的角度来看，它们提供较低的能耗，降低资本和运营费用。
因为5G网络结构更为异质和自我组织，因此它们更容易发展以满足不断变化的市场条件和新的机会。而且，由于C-RAN更容易且部署更快，因此它避免了必须重建传输网络，这是另一个大大降低其总所有权（TCO）的因素。
可以根据城市和农村地区的需要定制5G网络，从而为移动运营商提供许多硬件/软件配置和用例。这种灵活性源于开放无线接入网(O-RAN)标准O-RAN联盟是一位大型电信行业成员联盟。它定义了开放式，可互操作的接口，API，RAN虚拟化和启用大数据的RAN Intelligence。该标准的目标是利用以太网网络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，包括增强的公共广播接口（ECPRI）和以太网IEEE1914.3（ROE）的收音机。
5G Fronthaul设计验证
由许多应用和用例驱动的5G复杂性增加，由过多的设备配置加剧，创造了需要多大的情况更广泛的测试超过4g。这包括较大的功能验证套件，拥抱最现代的验证技术，例如正式验证断言和覆盖，故障，设计设计（DFT），制造设计（DFM）等。扩展分析必须用于性能和功耗，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。为了防止发现不兼容、功能错误或安全缺陷时，为时已晚(且成本太高)无法修复它们，每个设备将需要在将设计数据库发布到生产之前进行彻底的硅前验证，以及对从铸造返回的第一块硅进行后处理测试。
Pre-silicon测试
今天，硅验证工程师可以从传统的寄存器传输级别（RTL）模拟范围内挑选和选择，从传统的寄存器传输级别（RTL）模拟，使用由一个或多个现场可编程门阵列（FPGA）构建的原型基于基于原型的验证）.
在知识产权(IP)块的精确软件模型上运行的RTL模拟提供了通用性、交互性和强大的调试功能。这些优点使得它成为IP块早期测试的必要工具。然而，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”的速度运行，这使得执行系统级验证和嵌入式软件验证变得困难或不可能。
另外，使用fpga的硬件原型提供的测试速度比RTL模拟快3或4个数量级，但它的运行速度仍然比真正的硅慢1或2个数量级。当启动操作系统和运行计算密集型应用程序时，较慢的速度将大多数验证活动的范围限制在执行过程中所选择的时间窗口内，而执行过程可能涉及数万亿个时钟周期。此外，基于fpga的验证不具备RTL模拟器的灵活性和调试能力。
在RTL模拟器和FPGA原型之间坐在硬件仿真．现代硬件模拟器可以有选择地承担许多通常由RTL模拟器在软件中实现的任务。与纯软件策略不同的是，它可以在几乎无限大小的设计上执行这些任务，速度比模拟快几个数量级。万博投注网址简单地说，硬件仿真在任何验证流程中都是必须的。
Post-silicon测试
硅后测试通常通过内部内置的测试仪或Ad-Hoc自动测试设备在实验室中进行。在此示例中，我们将使用Mentor的X-Step系统来说明硬件仿真工具如何用于验证和测试5G设备的硅。X-Step.，由西门子商业公司门拓(Mentor)开发，配备了一个大型预验证测试套件库，源自完全符合标准的5G协议。这消除了在内部为软件模拟创建刺激因素所涉及的时间、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X步骤测试器环境，包括设置文件，刺激文件和运行测试仪所需的对象。该系统包括使用高级分析创建设置文件和分析DUT结果的工具和软件。
图3X-STEP配置用于5G设备的硅级测试，自带一套内置的符合标准的5G协议。资料来源:Mentor，西门子公司
统一的前后硅验证
从历史上看，硅前和硅后测试发生在两个独立的验证站，它们不共享数据、方法或人员。这个过程本质上是低效和耗时的，并可能影响关键的上市时间。
统一前/后硅验证策略提出提高了效率，以及5G设计/产品的早期互操作性验证。方法呼叫创建模拟后芯片设置的预硅环境，并且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。使这种可能的技术是驱动仿真器的测试环境的虚拟化。该模型，部分快速的Virtuallab库可以在最先进的仿真平台或前沿原型系统中运行。唯一的区别是在从硬件测试环境移动到原型仿真时减少的执行速度。
由于设置是准确的，并且配置任务减少到最小值，因此验证团队可以在硅前和后硅之间切换，测试Pre-Silicon中的所有性能情况，用于带宽，延迟等。图4捕获统一策略的本质，并突出显示通过X-Step执行的硅后测试共享的通用设置，如图3所示。
图4统一的前/后硅验证策略提高了效率，以及5G设计的早期互操作性验证。万博投注网址资料来源:Mentor，西门子公司
总结，图5描绘了由统一的验证策略所提供的完整的验证选项，以及一套可以在5G嵌入式产品开发周期的任何地方插入的全面的验证工具。
图5具有一组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内插入任何位置。资料来源:Mentor，西门子公司
硅前/硅后的统一测试环境能够对硬件和嵌入式软件进行彻底的验证，包括开发周期的每个阶段的系统验证。从本质上说，它允许在开发周期中任何测试被移植到验证谱的上下任何地方，创建一个全面的验证库，可以在单个公司的内部项目中从一个产品交换到另一个产品，或者在测试产品互操作性的两个供应商之间交换。
例如，假设A公司开发了5G芯片，B公司将在其DU中使用该芯片。通过统一验证，B公司可以在系统集成期间使用与A公司验证其芯片功能完全相同的测试来测试DU。
验证5G设备中使用的SOC是一种令人生畏的任务，因为它们支持的标准非常复杂，构思支持许多应用程序和用例。这对验证团队构成了一个关键挑战，必须满足市场上的优质产品的市场需求。
需要两个独立方法的传统前/后硅测试策略不再可接受了两个独立的方法。最有前途的方法之一是将硅后和后后测试方法合并到统一的验证策略中。在现代模拟器上执行时，硅后物理测试环境的虚拟化建立了双向流，允许设计人员在仿真器和X步骤测试仪上运行相同的测试。使用X步骤，合作伙伴可以以可执行格式交换Fronthaul测试配置，以实现来自不同供应商的设备之间的生态系统范围内的合作，彻底验证和互操作性。
Lauro Rizzatti博士是一名验证顾问和硬件仿真行业专家。
Mika Castren.是西门子商业公司门拓的高级工程和产品开发经理。
罗恩斯维斯是西门子商业公司门拓的解决方案网络专家。
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