5G之路：下一代蜂窝通信的主要特点和所需的主要技术

　　导言

　　在过去的20年中，手机已实现了爆炸式增长，成为我们日常生活中的一个重要部分。至始至终，ARM都是手机的核心部分，在支持日益复杂功能的同时一直致力于通过行业领先的低功耗来延长电池寿命。

　　智能手机的复杂性尚未得到充分的认识，通常而言，智能手机都拥有10个以上基于ARM的处理器，负责处理触屏、感应处理器、定位、照相、图形、应用程序等功能以及不断增长的大量连接功能，如Wi-Fi、蓝牙和LTE。

　　随着无线通信行业为下一代移动宽带设备的标准化而升级，即实现所谓的“5G”， 本白皮书将探讨这对于技术、挑战和使用案例来说意味着什么。我们将重点关注基于ARM Cortex-R8的实时处理器将如何为我们带来多兆比特（multi-Gigabit）的新产品，同时仍以低功耗作为设计核心。

　　快速移动宽带革命

　　随着移动宽带的持续变革，我们看到新的使用案例正不断涌现。5G的出现将继续推动一直处于联网状态且相互连接的世界，同时反过来改变人类同世界交互的方式。同多兆比特服务一样，5G也承诺支持低吞吐量、能量受限的设备或所谓的“Massive Machine-Type Communications” （mMTC）。我们看到如今LTE中出现了MTC，其标准包括LTE Cat-0和NB-IOT，这两个标准都保证为5G奠定基础。

　　谈及5G，人们脑海中首先想到的就是移动设备。如今智能手机的体验已经够复杂的了，那么随着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网络效率，主要关注如何处理移动数据的绝对值和需求。千兆位级服务将允许消费者在近乎瞬间内完成数字化内容下载，而超低延时连接可使诸如VR 和AR服务、新型的汽车应用皆成为可能。

　　在传统手机之外，我们将5G视为一个重要技术，能够促成更多的额外服务。5G将让远程医疗变成现实，允许内科医生和医疗保健工作者通过连接5G的设备远程管理病人，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发达世界的最大挑战之一。高效可靠无线互联网的广泛利用将有助于实现低碳经济，因为这可以保证效率并促成更高程度的控制和融合。从管理智能街道照明、远程排放监控、公共交通到公共信息，5G将为我们的日常生活带来无限可能。就连5G网络体系结构本身也要求降低功耗，这同时可为移动运营商降低运营成本，并极大地降低碳排放。

　　5G不仅仅能够在家里家外，还能在开车时为我们带来全新体验。5G被视为“超越移动互联网”的技术。其高性能和低延迟的特点，使其能够以传统4G/WiFi服务难以企及的方式进行推广。互联汽车或自动驾驶被视为非常需要高可靠、低延迟无线连接的重要领域，用于例如安全和防碰撞。

　　使下一代设备成为可能

　　频谱是一个宝贵的资源，而过去十年间随着移动业务需求量的激增，对无线电频谱的需求也随之增长。以前我们认为无线电频谱分为“块”或“媒介物”，可以应用于不同领域，例如电视、Wi-Fi、蓝牙或手机。监管者，例如美国的联邦通信委员会（FCC）和英国的通信管理局（OFCOM））按区域分配频谱以用于不同领域。

　　在手机出现的早期就相对简单，分配几块频谱（通常以拍卖的方式进行）以提供主要以语音为基础的服务，这从其本质上而言只会消耗很少量的频谱。在过去十年内，随着智能手机的出现，这一情形不复存在，而且频谱越来越多地被用于移动宽带业务。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。如果你也将这一数字乘以用户数，你很快就会发现移动数据供不应求，而传统意义上的频谱分配没有跟上这一变化。

　　认识到这一点之后，我们整个行业要如何跟上变化、提供移动宽带体验，而这对未来十年的手机技术挑战又意味着什么呢？

　　外加先进无线技术的载波聚合（称为MIMO）被用于帮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增加，尽管这部分成果来源于更复杂的调制和MIMO技术，但是吞吐量的增加主要受益于载波聚合的进步，使得更高效利用碎片式频谱成为现实。

　　授权频段是频谱的一部分，其使用也存在特定的局限性；例如：某块频谱可能仅限于手机业务使用并分配给某个特定的手机运营商。授权频段的优势在于运营商可以完全控制该部分的频谱，这样就可以管理服务质量并提供相应的服务。授权频段的局限性在于其是一种始终宝贵的资源，无法满足移动数据不断增长的需求，无法满足快速增长的用户群体的要求。为了克服这个局限性，运营商越来越关注他们如何可以将未授权频段和既有的授权频段服务结合起来。我们越来越多地看到将未授权频段纳入到载波聚合，这样设备可以同时使用授权频段（通常作为一个控制通道）和未授权卸载，如：用于诸如Wi-Fi和新兴的LTE未授权技术。第三代合作伙伴项目（3GPP）内许多LTE标准所剩的优势集中关注这些未授权卸载技术的管理。

　　5G拥有良好的前景，但是其标准尚未确立。正如我们在前一节所看到的，如果处理得当，那么5G将开启未来20年数字化服务的发展，为我们的日常生活带来全新，并且更强大的用例。

　　5G的核心将带来全新的调制算法和日益复杂的MIMO技术，从而最大化宝贵频谱资源的使用效率并提供较早期LTE性能50倍的吞吐量。5G概念也包括一个很宽波段的频带，远远超出我们如今在LTE中看到的频带，原因在于使各频段间的接入技术实现和谐，并且在努力增加下一代服务的容量的同时实现效率的最大化。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应用于范围广泛的部署情景。进一步来讲，5G能够支持30Hz以上的至今未充分利用的mm波段。这些波段能够提供与5G相关的数千兆比特每秒（multi-Gbps）吞吐量。mm波段的缺点之一包括：我们只可以期待设备在“视线”和基站几十米之内工作，这在本质上将为部署带来挑战。

　　所以，这一切对智能手机的未来都意味着什么呢？尤其是对调制解调器基带加工的未来意味着什么呢？回顾这些趋势，我们注意到，SoC设计者在满足以下新要求时也面临这三个主题：

　　数据速率持续上升，我们有望看到在不久的将来以LTE为基础的多兆比特服务，5G的吞吐量可能可以高达10至20Gbps。

　　载波聚合的大量增加。吞吐量和网络容量最终由日益复杂的载波聚合提供。该聚合让手机调制解调器处理器具有高运算复杂度，因为其为多个并联无线接入承载服务。该主题将持续成为LTE技术（LTE高级Pro）和5G技术进化的关键。

　　为持续推动功效和手机电池寿命的最大化。由于引进了新的接入技术，新的技术无法就用户体验做出妥协，因为这样的手机调制解调器需要将功效作为其设计的关键。

　　正如我们将在本白皮书下文内容看到的一样，ARM Cortex-R8有助于设计者能够满足以上需求，在兼顾上一代诸如3G和LTE等技术的反向兼容性和传统支持的同时，继续成为当前多模设备的必须。

　　介绍Cortex-R8，下一代移动宽带的关键

　　Cortex-R8处理器是自ARM以来最高性能嵌入式实时处理器。该处理器采用成熟技术，但是将性能表现提升到新高峰。处理器流水线采用了许多ARM技术，用以开发最高性能的应用处理器，并使这些处理器提供最高性能的同时，满足强实时（hard real-time） 的要求。