過去20年來,手機(jī)已實(shí)現(xiàn)了爆炸式的成長,成為我們?nèi)粘I钪兄匾囊徊糠?。然而,我們尚未能完全掌握手機(jī)的復(fù)雜性——智能型手機(jī)通常采用超過10個(gè)ARM-based處理器,用于處理觸控屏幕、傳感器處理、定位、照相、繪圖、應(yīng)用程序等功能,以及不斷增加的大量連接功能,如Wi-Fi、藍(lán)牙和LTE。
隨著無線產(chǎn)業(yè)加速為下一代行動寬帶裝置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,即實(shí)現(xiàn)所謂的「5G」, 本文將探討這對于最終將實(shí)現(xiàn)的技術(shù)、挑戰(zhàn)和使用案例有何意義。此外,也將以ARM Cortex-R8為例探討如何在透過實(shí)時(shí)處理器實(shí)現(xiàn)multi-Gigabit(Gb)新系列產(chǎn)品的同時(shí),仍然以低功耗作為設(shè)計(jì)核心。
快節(jié)奏的行動寬帶革命
隨著行動寬帶持續(xù)變革,我們看到新的使用案例不斷涌現(xiàn)。5G的出現(xiàn)將繼續(xù)推動常時(shí)開啟、永不斷線的互連世界,同時(shí)還改變了人類與世界互動的方式。如同數(shù)Gb級服務(wù)一樣,5G也承諾支持低吞吐量、能量受限的裝置或所謂的「大規(guī)模機(jī)器類通訊」(mMTC)。我們看到如今LTE中出現(xiàn)了mMTC,其標(biāo)準(zhǔn)包括LTE Cat-0和NB-IoT,這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都確??蔀?G奠定基礎(chǔ)。
談及5G,人們腦海中首先想到的就是行動裝置。如今智能型手機(jī)的體驗(yàn)已經(jīng)夠復(fù)雜了,隨著5G的來臨,手機(jī)又有什么不一樣的地方呢?如今討論5G標(biāo)準(zhǔn)的一些提議大多圍繞著網(wǎng)絡(luò)效率,主要關(guān)注如何處理行動資料巨大的量和需求。數(shù)Gb級的服務(wù)讓消費(fèi)者在近乎瞬間內(nèi)完成數(shù)字內(nèi)容下載,而超低延遲連接則使諸如虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和擴(kuò)增實(shí)境(AR)服務(wù)、新型的汽車應(yīng)用成為可能。
在傳統(tǒng)手機(jī)之外,我們將5G視為一個(gè)重要技術(shù),能夠促成更多的服務(wù)。5G將讓遠(yuǎn)程醫(yī)療成為現(xiàn)實(shí),醫(yī)師和醫(yī)療保健工作人員可透過連接5G裝置遠(yuǎn)程管理病人,這是普及醫(yī)療保健和身心健康的真正機(jī)會。
低碳經(jīng)濟(jì)可能是未來十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)已開發(fā)世界的最大挑戰(zhàn)之一。透過高效可靠的無線因特網(wǎng)廣泛利用,將有助于實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì),因?yàn)樗艽_保效率并促成更高度的控制和融合。從管理智慧街道照明、遠(yuǎn)程排放監(jiān)控、公共運(yùn)輸與公共信息,5G將為日常生活帶來無限可能。就連5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)本身也要求降低功耗,這可為行動運(yùn)營商降低運(yùn)營成本,并極大地降低碳排放。
除了在家庭中,5G還能在開車時(shí)帶來全新體驗(yàn)。5G被視為「超越行動因特網(wǎng)」的技術(shù)。其高性能和低延遲的特點(diǎn),使其能夠以傳統(tǒng)4G/Wi-Fi服務(wù)部署于以往難以企及的領(lǐng)域。例如,連網(wǎng)汽車或自動駕駛車被視為必須具備高可靠、低延遲無線連接的重要領(lǐng)域,用于安全與防碰撞等應(yīng)用。
使下一代裝置成為可能
頻譜是一項(xiàng)寶貴的資源,而過去十年間隨著行動業(yè)務(wù)需求量激增,對于無線電頻譜的需求也隨之成長。以往認(rèn)為無線電頻譜被分為「區(qū)段」或「載波」,可以應(yīng)用于不同領(lǐng)域,例如TV、Wi-Fi、藍(lán)牙或手機(jī)。而諸如美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)和英國的通訊管理局(OFCOM)等監(jiān)管機(jī)關(guān)則按區(qū)域分配頻譜以用于不同領(lǐng)域。
在早期手機(jī)出現(xiàn)之際相對簡單,頻譜被劃分為幾個(gè)區(qū)間(通常以拍賣方式進(jìn)行),目的在于提供以語音為基礎(chǔ)的服務(wù)——在其本質(zhì)上只消耗很少量的頻譜。過去十年來,隨著智能型手機(jī)的出現(xiàn),改變了這種情形,頻譜也越來越被廣泛用于行動寬帶業(yè)務(wù)。一般而言,提供給用戶的吞吐量越高,為此服務(wù)而使用的頻譜也越多。如果你將這一數(shù)字乘以用戶數(shù),很快就會發(fā)現(xiàn)行動數(shù)據(jù)供不應(yīng)求,而傳統(tǒng)意義上的頻譜分配并未跟上這一變化。
因此,整個(gè)產(chǎn)業(yè)如何在提供行動寬帶體驗(yàn)方面跟上變化,而這對未來十年的手機(jī)技術(shù)挑戰(zhàn)又意味著什么?
載波聚合(CA)加上先進(jìn)的天線技術(shù)稱為「多重輸入多重輸出」(MIMO),可用于協(xié)助緩解壓力并提供更高效的服務(wù)。從3G系統(tǒng)到LTE,我們看到數(shù)據(jù)速率不斷提高,盡管這部份的成果來自于更復(fù)雜的調(diào)變和MIMO技術(shù),但吞吐量的增加主要受益于載波聚合的進(jìn)展,使其得以更有效地利用分段式的頻譜。
授權(quán)頻段是對于頻譜使用加以特定限制的一部份頻譜;例如某個(gè)頻譜區(qū)間可能僅限于手機(jī)業(yè)務(wù)使用,并分配給某家特定的手機(jī)業(yè)者。授權(quán)頻段的優(yōu)勢在于營運(yùn)商可以完全控制該部份的頻譜,因而能夠管理服務(wù)質(zhì)量(QoS)并提供相應(yīng)的服務(wù)。授權(quán)頻段的局限在于它是一種更加寶貴的資源,因而無法滿足行動數(shù)據(jù)不斷成長以及用戶群體快速增加的要求。
為了克服這種局限,營運(yùn)商越來越關(guān)注于如何將未授權(quán)頻段和既有的授權(quán)頻段服務(wù)結(jié)合起來。我們看到越來越多未授權(quán)頻段導(dǎo)入載波聚合,讓裝置能夠同時(shí)用戶許可證頻段(通常作為控制通道)和未授權(quán)頻段,將任務(wù)卸除至諸如Wi-Fi和新興LTE等未授權(quán)技術(shù)中。3GPP中有許多LTE標(biāo)準(zhǔn)的更多優(yōu)勢著重于這些未授權(quán)卸除技術(shù)的管理。
5G擁有良好的前景,但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未確立。如果順利發(fā)展,那么5G將開啟未來20年的數(shù)字化服務(wù),為我們的日常生活帶來嶄新且強(qiáng)大的應(yīng)用。
5G的核心將帶來新的調(diào)變機(jī)制以及日益復(fù)雜的MIMO技術(shù),從而最大化寶貴頻譜資源利用效率,以及提供較早期LTE性能更高50倍的吞吐量。5G概念還涵蓋寬廣的頻帶范圍,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出如今在LTE中看到的頻帶,原因在于協(xié)調(diào)各頻段間的接取技術(shù),并致力于在增加下一代服務(wù)容量的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)效率最大化。從提供廣域服務(wù)的sub GHz頻段到如今Wi-Fi廣泛使用的區(qū)域性GHz頻段,我們將看到5G應(yīng)用的廣泛部署。
進(jìn)一步來看,5G可支持30Hz以上未充份利用的毫米波(mmWave)頻段。這些波段能夠提供與5G服務(wù)有關(guān)的multi-Gbps吞吐量。毫米波頻段的缺點(diǎn)之一包括:我們只能期待裝置在「視線」和基地臺范圍內(nèi)幾十公尺內(nèi)作業(yè),這在本質(zhì)上將為部署帶來挑戰(zhàn)。
所以,這一切對于智能型手機(jī)的未來意味著什么?尤其是針對調(diào)制解調(diào)器基頻處理?回顧這些趨勢,我們注意到SoC設(shè)計(jì)者在因應(yīng)新的要求時(shí)也面臨著三大挑戰(zhàn):
· 數(shù)據(jù)速率持續(xù)上升 在不久的將來,我們可望看到以LTE為基礎(chǔ)的Gb級服務(wù),以及在5G中可能高達(dá)10-20Gbps的吞吐量
· 載波聚合大量增加 吞吐量和網(wǎng)絡(luò)容量最終將由日益復(fù)雜的載波聚合提供。透過聚合途徑讓手機(jī)的調(diào)制解調(diào)器處理器具有較高的處理復(fù)雜度,因?yàn)樗仨毱叫刑峁┒鄠€(gè)無線存取承載服務(wù)。這個(gè)主題將持續(xù)成為LTE技術(shù)((LTE-Advanced Pro)和5G技術(shù)進(jìn)化的關(guān)鍵。
· 持續(xù)為行動裝置推動能效和電池續(xù)航力最大化 由于引進(jìn)了新的接取技術(shù),但不能影響或折衷用戶體驗(yàn),因此,在進(jìn)行手機(jī)調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)時(shí)必須將功效置于設(shè)計(jì)的核心。
以下將以ARM Cortex-R8處理器為例,討論它如何協(xié)助設(shè)計(jì)者滿足上述需求,在兼顧上一代3G、LTE等技術(shù)的后向兼容性之際,同時(shí)支持傳統(tǒng)技術(shù)持續(xù)用于當(dāng)今的多模裝置中。
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