详解5G通信的关键技术及挑战

　　过去20年来，手机已实现了爆炸式的成长，成为我们日常生活中重要的一部份。然而，我们尚未能完全掌握手机的复杂性——智能型手机通常采用超过10个ARM-based处理器，用于处理触控屏幕、传感器处理、定位、照相、绘图、应用程序等功能，以及不断增加的大量连接功能，如Wi-Fi、蓝牙和LTE。

　　随着无线产业加速为下一代行动宽带装置进行标准化，即实现所谓的「5G」， 本文将探讨这对于最终将实现的技术、挑战和使用案例有何意义。此外，也将以ARM Cortex-R8为例探讨如何在透过实时处理器实现multi-Gigabit（Gb）新系列产品的同时，仍然以低功耗作为设计核心。

　　快节奏的行动宽带革命

　　随着行动宽带持续变革，我们看到新的使用案例不断涌现。5G的出现将继续推动常时开启、永不断线的互连世界，同时还改变了人类与世界互动的方式。如同数Gb级服务一样，5G也承诺支持低吞吐量、能量受限的装置或所谓的「大规模机器类通讯」（mMTC）。我们看到如今LTE中出现了mMTC，其标准包括LTE Cat-0和NB-IoT，这两项标准都确保可为5G奠定基础。

　　谈及5G，人们脑海中首先想到的就是行动装置。如今智能型手机的体验已经够复杂了，随着5G的来临，手机又有什么不一样的地方呢？如今讨论5G标准的一些提议大多围绕着网络效率，主要关注如何处理行动资料巨大的量和需求。数Gb级的服务让消费者在近乎瞬间内完成数字内容下载，而超低延迟连接则使诸如虚拟现实（VR）和扩增实境（AR）服务、新型的汽车应用成为可能。

　　在传统手机之外，我们将5G视为一个重要技术，能够促成更多的服务。5G将让远程医疗成为现实，医师和医疗保健工作人员可透过连接5G装置远程管理病人，这是普及医疗保健和身心健康的真正机会。

　　低碳经济可能是未来十年内实现已开发世界的最大挑战之一。透过高效可靠的无线因特网广泛利用，将有助于实现低碳经济，因为它能确保效率并促成更高度的控制和融合。从管理智慧街道照明、远程排放监控、公共运输与公共信息，5G将为日常生活带来无限可能。就连5G网络系统架构本身也要求降低功耗，这可为行动运营商降低运营成本，并极大地降低碳排放。

　　除了在家庭中，5G还能在开车时带来全新体验。5G被视为「超越行动因特网」的技术。其高性能和低延迟的特点，使其能够以传统4G/Wi-Fi服务部署于以往难以企及的领域。例如，连网汽车或自动驾驶车被视为必须具备高可靠、低延迟无线连接的重要领域，用于安全与防碰撞等应用。

　　使下一代装置成为可能

　　频谱是一项宝贵的资源，而过去十年间随着行动业务需求量激增，对于无线电频谱的需求也随之成长。以往认为无线电频谱被分为「区段」或「载波」，可以应用于不同领域，例如TV、Wi-Fi、蓝牙或手机。而诸如美国联邦通讯委员会（FCC）和英国的通讯管理局（OFCOM）等监管机关则按区域分配频谱以用于不同领域。

　　在早期手机出现之际相对简单，频谱被划分为几个区间（通常以拍卖方式进行），目的在于提供以语音为基础的服务——在其本质上只消耗很少量的频谱。过去十年来，随着智能型手机的出现，改变了这种情形，频谱也越来越被广泛用于行动宽带业务。一般而言，提供给用户的吞吐量越高，为此服务而使用的频谱也越多。如果你将这一数字乘以用户数，很快就会发现行动数据供不应求，而传统意义上的频谱分配并未跟上这一变化。

　　因此，整个产业如何在提供行动宽带体验方面跟上变化，而这对未来十年的手机技术挑战又意味着什么？

　　载波聚合（CA）加上先进的天线技术称为「多重输入多重输出」（MIMO），可用于协助缓解压力并提供更高效的服务。从3G系统到LTE，我们看到数据速率不断提高，尽管这部份的成果来自于更复杂的调变和MIMO技术，但吞吐量的增加主要受益于载波聚合的进展，使其得以更有效地利用分段式的频谱。

　　授权频段是对于频谱使用加以特定限制的一部份频谱；例如某个频谱区间可能仅限于手机业务使用，并分配给某家特定的手机业者。授权频段的优势在于营运商可以完全控制该部份的频谱，因而能够管理服务质量（QoS）并提供相应的服务。授权频段的局限在于它是一种更加宝贵的资源，因而无法满足行动数据不断成长以及用户群体快速增加的要求。

　　为了克服这种局限，营运商越来越关注于如何将未授权频段和既有的授权频段服务结合起来。我们看到越来越多未授权频段导入载波聚合，让装置能够同时用户许可证频段（通常作为控制通道）和未授权频段，将任务卸除至诸如Wi-Fi和新兴LTE等未授权技术中。3GPP中有许多LTE标准的更多优势着重于这些未授权卸除技术的管理。

　　5G拥有良好的前景，但相关标准尚未确立。如果顺利发展，那么5G将开启未来20年的数字化服务，为我们的日常生活带来崭新且强大的应用。

　　5G的核心将带来新的调变机制以及日益复杂的MIMO技术，从而最大化宝贵频谱资源利用效率，以及提供较早期LTE性能更高50倍的吞吐量。5G概念还涵盖宽广的频带范围，远远超出如今在LTE中看到的频带，原因在于协调各频段间的接取技术，并致力于在增加下一代服务容量的同时也实现效率最大化。从提供广域服务的sub GHz频段到如今Wi-Fi广泛使用的区域性GHz频段，我们将看到5G应用的广泛部署。

　　进一步来看，5G可支持30Hz以上未充份利用的毫米波（mmWave）频段。这些波段能够提供与5G服务有关的multi-Gbps吞吐量。毫米波频段的缺点之一包括：我们只能期待装置在「视线」和基地台范围内几十公尺内作业，这在本质上将为部署带来挑战。

　　所以，这一切对于智能型手机的未来意味着什么？尤其是针对调制解调器基频处理？回顾这些趋势，我们注意到SoC设计者在因应新的要求时也面临着三大挑战：

　　· 数据速率持续上升　在不久的将来，我们可望看到以LTE为基础的Gb级服务，以及在5G中可能高达10-20Gbps的吞吐量

　　· 载波聚合大量增加　吞吐量和网络容量最终将由日益复杂的载波聚合提供。透过聚合途径让手机的调制解调器处理器具有较高的处理复杂度，因为它必须平行提供多个无线存取承载服务。这个主题将持续成为LTE技术（（LTE-Advanced Pro）和5G技术进化的关键。

　　· 持续为行动装置推动能效和电池续航力最大化　由于引进了新的接取技术，但不能影响或折衷用户体验，因此，在进行手机调制解调器设计时必须将功效置于设计的核心。

　　以下将以ARM Cortex-R8处理器为例，讨论它如何协助设计者满足上述需求，在兼顾上一代3G、LTE等技术的后向兼容性之际，同时支持传统技术持续用于当今的多模装置中。