过去,蜂窝宽带无法为上述众多用例提供合适解决方案,原因是可用产品耗电过多且不够紧凑。因此上述众多用例的首选技术通常是 Wi-Fi 或蓝牙。尽管这两者现在仍然是蜂窝网络的替代产品,但他们既无法提供 5G 的所有功能和性能,也不能连接到公共网络。随着 5G RedCap(低容量)的发展,这种状况将会发生变化。

谈到 5G 无线时,我们往往会想到智能手机,并关注 5G 可以提供的高速宽带。但智能手机只是 5G 的众多用例之一。

5G 除了高性能之外,还兼具其他特性,例如低延迟、低功耗、安全性好,并采用网络切片技术。也就是说,5G 一种极具吸引力的技术,适用于各种应用领域,包括物联网、可穿戴设备、VR/AR 头盔和元宇宙、监控、医疗保健、工业、汽车等。

事实上,到 2026 年,工业机器对机器 (M2M) 应用预计将占 5G 非手机销量的 70%,尤其是在中国;同时,《爱立信移动市场报告》预测,2027 年蜂窝物联网连接将从 2021 年的 19 亿增至 55 亿。

 15G 应用

就此类其他应用而言,其中大多数应用都需要嵌入式无线产品,才能在足够的性能、低延迟(URLLC – 参见图 1)和低功耗之间实现平衡。这些应用通常无需高速的 5G eMBB(增强型移动宽带)功能,可能只是从传感器或边缘设备发送小数据包。鉴于任何特定应用都有自己的一套要求,在为每种用例提供优化解决方案时就需要灵活应对。

过去,蜂窝宽带无法为上述众多用例提供合适解决方案,原因是可用产品耗电过多且不够紧凑。因此上述众多用例的首选技术通常是 Wi-Fi 或蓝牙。尽管这两者现在仍然是蜂窝网络的替代产品,但他们既无法提供 5G 的所有功能和性能,也不能连接到公共网络。

随着 5G RedCap(低容量)的发展,这种状况将会发生变化。新的 5G RedCap 标准也称为 NR-Lite,对于非手机应用而言,具有非常重要的意义。它提供的性能与 LTE Cat4 相当,速度约为 85 Mbps(用于单天线/层模式),同时降低了延迟,并兼具其他 5G 特性,如定位(在个人追踪器领域具有吸引消费者的巨大潜力)、毫米波和未经许可频谱、网络切片等。与“标准”5G 相比,RedCap 支持使用更简单的解决方案,功耗更低,进而可实现低成本的 5G 部署。RedCap 提供将基带集成到 SoC 中的新选项,具有经济实用的 RFIC 集成,支持真正半双工工作模式,能够降低复杂性。

 1RedCap 对比传统蜂窝技术

RedCap 预计将广泛用于工业传感器、监控摄像头(用于智能城市和家庭安全)和可穿戴设备等用例。其技术规范将在 5G Release17 中最终确定,并预计将在 2022 年完成。第一批 RedCap 模块可能会在 2023 年底或 2024 年推出。根据预测,RedCap 将在未来十年的后半段开始占据可观的市场份额。

开发需求

一旦确定 5G 是适合自身的技术,半导体公司和 OEM 就需要采购或开发相应的组件。具体来说,5G 调制解调器是整个系统的重要组成部分,会极大地影响正在设计的 5G 设备的性能、成本和功耗。

高通之类的现有供应商以现成部件的形式提供 5G 调制解调器。但他们提供的调制解调器芯片的成本可能相对高昂,并且没有很好的 SoC 集成路径来降低成本。

相反,OEM 可能希望在内部开发特定应用的 5G 调制解调器。除了保持低成本(这是许多价格敏感型应用所必需的)外,这种专用的 5G 调制解调器还将使他们能够针对自己的特定需求优化 5G 调制解调器。通过打造自己的 5G 调制解调器,各公司可以选择在性能、功耗和延迟之间折中的合适方案。另外,OEM 还可以将 5G 基带集成到连接 性SoC 中,如图 2 所示。

 25G RedCap 为可穿戴设备连接选项的一部分

 

由于外形越来越小,尤其是物联网应用中,因此实现紧凑型解决方案也很重要。就此而言,使用片上系统 (SoC) 是其中一种具有吸引力的解决方案,具体而言就是将一个或多个供应商的知识产权 (IP) 集成到一个芯片解决方案中,相比之下,使用标准的现成 5G 芯片则需要多芯片解决方案。

尽管这种想法是非常棒的,但开发 5G 调制解调器是一项困难且复杂的任务。过去,公司可以从 DSP 内核着手,然后主要在软件中实施调制解调器。如今,这还不够,因为这种方案的功耗太高,无法用于大多数用例。要想实现足够高的效率,就需要进行众多优化,就需要加入专用的硬件加速器的加速基带处理。对于大多数产品设计团队来说,这可能是一项艰巨的任务。

灵活的平台方案

到目前为止,我们已经了解针对 5G 调制解调器的两个选项。第一种选项是,购买专用调制解调器芯片,可能成本高昂且缺乏灵活性,也就是说您需要受制于外部供应商的发展路线图,难以做出长期规划,增加更换风险,可能对设计产生负面影响。第二种选项是,投入大量资源进行内部开发,但这种做法会大大影响上市时间并增加风险。

还有第三种选项:使用可集成到您 SoC 的灵活硬件和软件平台。这种方案的一个主要优点是灵活,比如说 CEVA PentaG2,这是一款结合使用 DSP 与加速器来处理基带的完整 IP 平台。除了以经济实用的方式设计高性能且节能的调制解调器外,这种带有灵活性的方案也十分重要,因为涉及的一些技术(如 RedCap)尚未完全标准化。这就意味着任何解决方案都可能需要重新设计才能满足未来 3GPP 规格更改的需求,因此硬件/软件分区将起到非常重要的作用,并且还需要使用可配置的灵活硬件加速器。

借助基于 IP 的灵活平台,还可以引入自己的专有算法和 IP(例如信道估计、前向纠错 (FEC) 或高级均衡)在 SoC 上运行。这可以充当平台提供的主要 IP 块的补充,也可以替代平台的一个或多个标准加速器。

所需的修改量取决于应用。例如,AR/VR 头盔需要提供非常低的延迟和出色的服务质量 (QoS) 才能维持良好的用户体验,而 5G 是唯一能够满足这些要求的技术。除此之外,大多数 AR/VR 产品作为便携式消费类电子设备时,成本和功耗也可能受到严格限制。有鉴于此,为了满足所有这些相互冲突的需求,设计团队可能必须在其产品中广泛定制 5G 调制解调器。

结论

目前为止,有两种主要选项可用来开发 5G 调制解调器:从调制解调器供应商处购买现成芯片或进行自主开发。这两种选项都有缺点:第一种选项的缺点是 5G 调制解调器芯片价格可能十分高昂,您也无法优化其设计。另一种选项的缺点是,即使您能够雇佣到足够多的合适人员,凡事亲力亲为,也可能速度较慢,成本高昂且风险较大。

相反使用灵活的硬件/软件平台(如 PentaG2)则可以大大降低半导体公司和希望自行处理 5G 调制解调器设计的 OEM 的准入门槛,而无论是开拓物联网之类的新市场,还是仅仅面向 5G 手机而言。借助这种平台方案,设计师可以将其 5G 调制解调器集成到 SoC 中,利用其可扩展性和灵活性来优化 5G 设计以满足其特定需求。

责编:Amy.wu
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