5G通信的主要特點和所需的主要技術

ARM

David Maidment，Neil Werdmuller

5G通信的主要特點和所需的主要技術

ARM

David Maidment，Neil Werdmuller

引言

隨著無線通信行業為下一代移動寬帶設備的標準化而升級，即實現所謂的5G， 本文將探討這對于技術、挑戰和使用案例來說意味著什么。本文重點關注基于ARM Cortex-R8的實時處理器將如何帶來千兆位級(Multi-Gigabit)的新產品，同時仍以低功耗作為設計核心。

快速移動寬帶革命

隨著移動寬帶的持續變革，新的使用案例正不斷涌現。5G的出現將繼續推動一直處于聯網狀態且相互連接的世界，同時反過來改變人類同世界交互的方式。與千兆位級服務一樣，5G也承諾支持低吞吐量、能量受限的設備或所謂的“Massive Machine-Type Communications” (MMTC)。可以看到，如今LTE中出現了MTC，其標準包括LTE Cat-0和NB-IoT，這兩個標準都為5G奠定了基礎。

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隨著5G的來臨，手機又會有哪些不一樣的地方呢？如今討論5G標準的一些提議大多圍繞網絡效率，主要關注如何處理移動數據的絕對值和需求。千兆位級服務將允許消費者在瞬間內完成數字化內容下載，而超低延時連接可使諸如VR 和AR服務、新型的汽車應用成為可能。

手機之外，除了作為一個重要技術，5G還能夠促成更多的額外服務。5G將讓遠程醫療變成現實，允許內科醫生和醫療保健工作者通過連接5G的設備遠程管理病人，這是普及醫療保健和身心健康的真正機會。

低碳經濟可能是未來十年內世界的最大挑戰之一。高效可靠無線互聯網的廣泛利用將有助于實現低碳經濟，因為這可以提高效率并促進更高程度的控制和融合。從智能街道照明管理、遠程排放監控、公共交通到公共信息，5G將為我們的日常生活帶來無限可能。5G網絡體系結構本身也需要降低功耗，可為移動運營商降低運營成本，并極大地降低碳排放。5G不僅能夠在家里家外，還能在開車時為我們帶來全新體驗。5G被視為“超越移動互聯網”的技術，其高性能和低延遲的特點，助力其能夠以傳統4G/WiFi服務難以企及的方式進行推廣。互聯汽車或自動駕駛被視為非常需要高可靠性、低延遲無線連接的重要領域，例如安全和防碰撞。

使下一代設備成為可能

頻譜是一個寶貴的資源，而過去十年間隨著移動業務需求量的激增，對無線電頻譜的需求也隨之增長。以前認為無線電頻譜分為“塊”或“媒介物”，可以應用于不同領域，例如電視、WiFi、藍牙或手機。而監管者(例如美國的聯邦通信委員會(FCC)和英國的通信管理局(OFCOM))則按區域分配頻譜以應用于不同領域。

手機出現的早期相對簡單，分配幾塊頻譜(通常以拍賣的方式進行)以提供主要以語音為基礎的服務，只會消耗很少量的頻譜。在過去十年內，隨著智能手機的出現，這一狀況發生了改變，而且頻譜越來越多地被用于移動寬帶業務。一般而言，提供給用戶的吞吐量越高，為此服務而使用的頻譜就越多。如果將這一數字乘以用戶數，很快就會發現移動數據供不應求，而傳統意義上的頻譜分配卻沒有跟上這一變化。

那么，整個行業要如何跟上變化、提供移動寬帶體驗呢？而這對未來十年的手機技術挑戰又意味著什么呢？

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外加先進無線技術的載波聚合(MIMO)被用于幫助緩解壓力并提供更高效的服務。從3G系統到LTE，數據速率不斷增加，盡管這部分成果來源于更復雜的調制和MIMO技術，但是吞吐量的增加主要受益于載波聚合的進步，使得更高效利用碎片式頻譜成為現實。

授權頻段是頻譜的一部分，其使用也存在一定的局限性，例如：某塊頻譜可能僅限于手機業務使用并分配給某個特定的手機運營商。授權頻段的優勢在于運營商可以完全控制該部分的頻譜，這樣就可以管理服務質量并提供相應的服務。授權頻段的局限性在于其是一種始終寶貴的資源，無法滿足移動數據不斷增長的需求。為了克服這個局限性，運營商越來越關注如何將未授權頻段和既有的授權頻段服務結合起來。未來會越來越多地看到將未授權頻段納入到載波聚合，這樣設備可以同時使用授權頻段(通常作為一個控制通道)和未授權卸載(如用于WiFi和新興的LTE未授權技術)。第三代合作伙伴項目(3GPP)內許多LTE標準會集中關注這些未授權卸載技術的管理。

5G擁有良好的前景，但是其標準尚未確立。如果處理得當，5G將開啟未來20年數字化服務的發展，為日常生活帶來全新并且更強大的用例。

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5G將帶來全新的調制算法和日益復雜的MIMO技術，從而最大化頻譜資源的使用效率并提供較早期LTE性能50倍的吞吐量。5G包括一個很寬波段的頻帶，遠遠超出如今在LTE中的頻帶，難點在于使各頻段間的接入技術實現和諧，并且在努力增加下一代服務容量的同時實現效率的最大化。從提供廣域服務的sub GHz頻段到如今WiFi廣泛使用的區域性GHz頻段，在5G時代都會有廣泛部署。進一步來講，5G能夠支持30 Hz以上的至今未充分利用的毫米波段，這些波段能夠提供與5G相關的數千兆比特每秒(multi-Gbps)的吞吐量。毫米波段的缺點之一為：我們只可以期待設備在“視線”和基站幾十米之內工作，這本質上為部署帶來了挑戰。

所以，這一切對智能手機的未來都意味著什么呢？尤其是對調制解調器基帶加工的未來意味著什么呢？回顧這些趨勢，可以注意到，SoC設計者在滿足新要求時也面臨這3個難題：

① 數據速率持續上升，有望看到在不久的將來以LTE為基礎的多兆比特服務，5G的吞吐量可能高達10～20 Gbps。

② 載波聚合的大量增加，吞吐量和網絡容量最終由日益復雜的載波聚合提供，該聚合讓手機調制解調器處理器具有高運算復雜度，因為其為多個并聯無線接入承載服務，該主題將持續成為LTE技術(LTE高級Pro)和5G技術進化的關鍵。

③ 要持續推動功效和手機電池壽命的最大化，由于引進了新的接入技術，無法與用戶體驗做出妥協，因為這樣的手機調制解調器需要將功效作為其設計的關鍵。

而ARM Cortex-R8有助于設計者滿足以上需求，在兼顧上一代(諸如3G和LTE等)技術的反向兼容性和傳統支持的同時，繼續成為當前多模設備的必選。

到目前為止，Cortex-R8處理器是ARM推出的最高性能嵌入式實時處理器，該處理器采用成熟技術，但是性能表現提升到新高峰。

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強實時(hard real-time)是指處理器在已知最壞(決定性的)情況延遲下，可以非常快速地切換以解決一件新的重要事件，該最壞情況延遲通常只有幾 ns，使來自系統其他部分的中斷能夠被發現并迅速得到響應。第一層LTE高級Pro和5G調制解調器的任務控制將處理多載波和很高的數據速率。因此，處理器必須以很高的時鐘脈沖頻率運行，能夠在很多任務之間快速地切換并處理外來事件。諸如WiFi的未授權載波提供的數據和數據包速率比LTE更高，需要一個專門的處理器將這些不同的載波結合和控制。采用11級流水線的Cortex-R8可以快速計時，以提供所需的性能。流水線是“亂序的”，意味著就算有些指令在等待來自較慢外部存儲系統的數據時，也可以繼續處理，這在很大程度上減少了流水線的“故障”，并盡可能提供最好的性能。

Cortex-R8加強了緊密耦合存儲(TCM)，允許快速存儲中存在更多的代碼和數據，這樣在訪問重要程序和數據時不會存在延遲。與高速緩存是由處理器管理不同，緊密耦合存儲是由開發人員管理的，這樣重要的指令和數據結構始終能夠立即獲得。在調制解調器內有一些非常關鍵的實時程序，其他不重要的程序可以在后臺運行。

Cortex-R8將多達4個處理器集成到一個單一的集群。就調制解調器而言，這些處理器通常是以不對稱的處理模式運行的，可以獲得最佳效率。它能夠在手機處于空閑模式時關閉處理器電源，并只有當吞吐量上升時才接通額外處理器的電源，從而極大地延長電池壽命。這一可配置性也使得廠商能夠創建不同的調制解調器，通過對軟件的投資和可擴展的性能滿足不同LTE類型的需求。Cortex-R8可在諸多界面接口中靈活選擇，從而轉向其他調制解調器系統，使得控制外部硬件和加速器的專用接口的控制延時最短，以確保在復雜系統中盡可能地實現最佳性能。

但是，Cortex-R8并不僅僅用于調制解調器設計，它提供的行業領先性能也適用于企業存儲產品，包括HDD和SSD及其他要求可擴展性的嵌入式實時平臺。Cortex-R8實施新的錯誤檢測、更正和控制方案，以盡可能地確保可靠性。

提供下一代移動寬帶體驗

和5G全新優化及高效率的空中接口一樣，支撐5G基礎設施要求的改進型網絡必須能夠簡化管理，并創建管理工具協調層(orchestration layer)，這個協調層的作用是簡化下層硬件和軟件的復雜性。

全新5G基礎設施的成功部署需要將不同設備進行組合。根據地理條件，有可能需要諸如云端無線接入網(Cloud RAN)、分散式內容分發、可擴展性控制網絡和自適應天線陣列等技術。以云端無線接入網為例，該新技術非常具有顛覆性，當多個基站單元和相關的控制網絡共同整合到“云端”時，可以提供云端無線接入網。

為了滿足云端無線接入網、分散式內容分發和可擴展性控制網絡中全新平臺的需求，ARM通過使用一些新興技術取得了重要的進步：

① 軟件定義網絡(SDN)。SDN是一種提供網絡可擴展性連接和簡化舊的傳統網絡的新方式。SDN是由開放網絡基金會(Open Networking Foundation)初步開發的一套標準，該標準將控制平面和數據平面分開提供網絡功能的抽象軟件層。網絡管理和運營可以集中進行，而不是分散到不同的網絡層和網絡箱。通過簡化的抽象軟件層進行集中控制帶來了諸多益處，如降低了運營成本，提高了自動化、控制、靈活性、敏捷性和應用創新。SDN將會改變設備到網絡基礎設施的連接方式，而且接入節點同聚合節點之間的連接方式也會相應地發生改變。

② 網絡功能虛擬化(NFV)。允許傳統功能從所有權硬件防火墻轉移到更標準化的服務器、交換器和存儲元件。當這些新功能應用于軟件中，可以輕易地應用于數據中心、網絡節點或用戶端的平臺，以充分利用全球網絡效率。因此，NFV的益處包括通過更少的依賴所有權和專用硬件來降低資本支出(CapEx)和運營成本(OpEx)。由于更快的配置、測試和整合，使用NFV可以加速市場實時服務。為了支撐諸多延時敏感的5G功能和終端使用案例，NFV的執行必須與優化網絡卸載能力配對，也須同諸如移動電子數據收集設備計算(Mobile Edge Compute)技術相配對，這些技術將虛擬化的網絡功能盡可能貼近接入網絡的電子數據收集設備，以避免網絡基礎設施的過度轉變。

③ 分布式智能。通過支持網絡內更多的分布式智能，可以通過云端已經部署的可用資源分布基本的決策點。使用工作負荷優化的硬件和軟件來確保網絡內各分布點的網絡、存儲和計算功能的實現。工作負荷優化硬件以高度集成的SoC為基礎，具有異構處理能力，這使得該硬件在網絡內可以變得更加智能，即使是縮減到最高功率和形狀因數強迫區位。普通的軟件平臺允許開發者和IT用戶更快地調配服務。

④ 存儲。隨著5G網絡和服務的發展，也會看到存儲直接融合到基礎設施網絡之內，然而通常“云端”存儲被融合到數據中心內，會逐漸看到存儲遷移到網絡內所有節點。5G設備的核心在于高帶寬和低延時服務，這些要求不僅利于空中接口無線通信，也會推動整個網絡。分布式存儲和提高電子數據收集設備的智能程度都有利于使回路延時最小化并提供所需的服務和智能以實現這些目標。

這些技術標準和架構是下一代基礎設施網絡或“智能靈活云”(Intelligent Flexible Could)的基礎之一。云端之所以靈活是因為其可以快速滿足不同的網絡要求并且可以應對5G空中接口的具體挑戰；云端之所以智能是因為其利用業務、顧客和網絡數據來加強既有的服務，并且是創建高度創新和競爭性新服務的基礎。

ARM及其合作伙伴可以提供基于ARM的通用處理平臺，以滿足實現5G方式的不同需求。

為什么在網絡基礎設施中使用ARM Cortex-A系列處理器？ARM正在提供處理器和相互連接的IP來滿足網絡基礎設施的需求，未來的需求直接推進了ARM發展路線圖。要提供這樣的服務，關鍵在于各種各樣的Cortex-A處理器內核和高速緩存一致性互聯，例如Cortex-A72、Cortex-A53和互聯產品的CCN家族。

新的SoC平臺將提供一系列多核異構CPU、DSP和特定功能的加速器內核，對于滿足吞吐量、5G部署延時和靈活性要求至關重要。越來越多的功能將被融合到單個SoC中，它通常要處理多種流量類型，包括數據通道有效負荷、控制平面流量、前端處理和用戶調度。

伴隨集成與更高性能SoC的發展趨勢，將出現一些處理部件會通過處理器內核和智能信號處理部件來支持突發性高速流量有效負荷和時延敏感流量的情況。

網絡基礎設施應用混合了3個不同功能的不同層面：控制面板處理、數據包或回程處理，以及在任一特定SoC設備上可獲得的幾個內核簇之間的事件或流量調度。

5G基站設備同5G核心設備相比，具有完全不同的功能。設計者必須要確定處理器功能的最佳組合以應對所需的處理能力，從而在獲得的技術選項中做出選擇，在規定的時間內提供特定的設計以抓住市場機遇。

① 控制面板：控制面板的功能要求每個數據包處理量最大化，尤其是每個數據包所涉及的數以萬計的指令通常是以“從運行到完成”的模式分配，可以有效利用亂序和多級流水線。具備虛擬化功能的高性能內核可以滿足控制面板、內容發布網絡和其他要求高單線程性能的需求。在控制面板運營的應用包括NFV、用于云端和邊緣網絡的CDN和要求更多性能的潛在新興遠程訪問技術(例如5G)。

② 數據平面：網絡的優勢在于能夠看到幾百Mbps或幾百Gbps范圍內的數據速率，訪問或云端部分感受到1～10 Gbps的數據；內核處理20至幾百Gbps的數據。和控制面板不同的是，數據平面的挑戰在于處理回程流量的爆發、處理數據頭，并將數據置于緩沖存儲器內而不丟失任何數據包。

這里包括完全不同的處理方式。許多數據平面設計使用專用的數字信號處理系統，該設計通過ARM AMBA互聯將數據層面處理器連接到SoC。DSP提供一個專用最優指令組用于數據平面處理，并且將CPU的高功耗和計算密集型功能卸載。

除了每個數據包數以萬計的指令用于控制處理，可能僅僅使用幾百個指令/數據包用于數據包處理。訪問高速緩沖存儲器(指令、數據、L2和L3)和外部存儲器對數據包處理來說也是不同的。

數據和控制處理之間存在一個重要的區別，ARM使用“無狀態”(stateless)和“有狀態”(stateful)的術語來區別這兩個概念。無狀態處理使用海量的小內核來處理進入SoC數據包的數據流，每個內核以“從運行到完成的模式”運行，從而給數據頭分類，并將數據包納入存儲器，每個數據包單獨進行處理，內核只熟悉之前的數據包，而內核的數量和互連的尺寸僅僅根據界面速度發生變化。相反，有狀態處理適用于更高水平的決策，數據包的歷史在這樣的情形下很重要。流量和會議可以得到管理，尤其是控制平面。

③ 調度：5G系統的另一個挑戰在于與前兩個正交。對于用戶訪問調度，如果需要按照可獲得的空中接口帶寬調度用戶，延時是關鍵。以LTE為例，可能有幾百個用戶的空中接口將被調度到他們自己的時隙。所有這一切都需要按照5G標準的時間限制通過潛在的幾個內核計算，可能小于0.5 ms,里面涉及很多優先計算,接收和傳輸任務的調度,從DSP、處理器和存儲器接收，以及向DSP、處理器和存儲器發送信號。因此，具備在異構架構下使用多個內核并且在多個內核間切換的能力至關重要。

④ 技術要求：隨著智能連接設備上的數據消費的急速增長，受到新的空中接口技術(如5G)的推動，系統設計人員需要利用相同的功率和設備位置來為更佳性能的任務帶來新設計。ARM一直在開發IP來支持更高的性能、多核處理器。連貫連接線、最佳性能增強物理和邏輯IP都支持這些非常靈活的異構結構，而異構結構對于確保滿足5G性能要求至關重要。新的ARM內核(如Cortex-A72和Cortex-A53)，已經使得性能/瓦特和性能