5G通信的主要特点和所需的主要技术

ARM

David Maidment，Neil Werdmuller

5G通信的主要特点和所需的主要技术

ARM

David Maidment，Neil Werdmuller

引言

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， 本文将探讨这对于技术、挑战和使用案例来说意味着什么。本文重点关注基于ARM Cortex-R8的实时处理器将如何带来千兆位级(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，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。与千兆位级服务一样，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)。可以看到，如今LTE中出现了MTC，其标准包括LTE Cat-0和NB-IoT，这两个标准都为5G奠定了基础。

图　1

随着5G的来临，手机又会有哪些不一样的地方呢？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、新型的汽车应用成为可能。

手机之外，除了作为一个重要技术，5G还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，因为这可以提高效率并促进更高程度的控制和融合。从智能街道照明管理、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。5G网络体系结构本身也需要降低功耗，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，助力其能够以传统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性、低延迟无线连接的重要领域，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、WiFi、蓝牙或手机。而监管者(例如美国的联邦通信委员会(FCC)和英国的通信管理局(OFCOM))则按区域分配频谱以应用于不同领域。

手机出现的早期相对简单，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，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，这一状况发生了改变，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就越多。如果将这一数字乘以用户数，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却没有跟上这一变化。

那么，整个行业要如何跟上变化、提供移动宽带体验呢？而这对未来十年的手机技术挑战又意味着什么呢？

图　2

外加先进无线技术的载波聚合(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，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，其使用也存在一定的局限性，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。为了克服这个局限性，运营商越来越关注如何将未授权频段和既有的授权频段服务结合起来。未来会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WiFi和新兴的LTE未授权技术)。第三代合作伙伴项目(3GPP)内许多LTE标准会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。如果处理得当，5G将开启未来20年数字化服务的发展，为日常生活带来全新并且更强大的用例。

图　3

5G将带来全新的调制算法和日益复杂的MIMO技术，从而最大化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包括一个很宽波段的频带，远远超出如今在LTE中的频带，难点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WiFi广泛使用的区域性GHz频段，在5G时代都会有广泛部署。进一步来讲，5G能够支持30 Hz以上的至今未充分利用的毫米波段，这些波段能够提供与5G相关的数千兆比特每秒(multi-Gbps)的吞吐量。毫米波段的缺点之一为：我们只可以期待设备在“视线”和基站几十米之内工作，这本质上为部署带来了挑战。

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，可以注意到，SoC设计者在满足新要求时也面临这3个难题：

① 数据速率持续上升，有望看到在不久的将来以LTE为基础的多兆比特服务，5G的吞吐量可能高达10～20 Gbps。

② 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。

③ 要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，无法与用户体验做出妥协，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。

而ARM Cortex-R8有助于设计者满足以上需求，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选。

到目前为止，Cortex-R8处理器是ARM推出的最高性能嵌入式实时处理器，该处理器采用成熟技术，但是性能表现提升到新高峰。

图　4

强实时(hard real-time)是指处理器在已知最坏(决定性的)情况延迟下，可以非常快速地切换以解决一件新的重要事件，该最坏情况延迟通常只有几 ns，使来自系统其他部分的中断能够被发现并迅速得到响应。第一层LTE高级Pro和5G调制解调器的任务控制将处理多载波和很高的数据速率。因此，处理器必须以很高的时钟脉冲频率运行，能够在很多任务之间快速地切换并处理外来事件。诸如WiFi的未授权载波提供的数据和数据包速率比LTE更高，需要一个专门的处理器将这些不同的载波结合和控制。采用11级流水线的Cortex-R8可以快速计时，以提供所需的性能。流水线是“乱序的”，意味着就算有些指令在等待来自较慢外部存储系统的数据时，也可以继续处理，这在很大程度上减少了流水线的“故障”，并尽可能提供最好的性能。

Cortex-R8加强了紧密耦合存储(TCM)，允许快速存储中存在更多的代码和数据，这样在访问重要程序和数据时不会存在延迟。与高速缓存是由处理器管理不同，紧密耦合存储是由开发人员管理的，这样重要的指令和数据结构始终能够立即获得。在调制解调器内有一些非常关键的实时程序，其他不重要的程序可以在后台运行。

Cortex-R8将多达4个处理器集成到一个单一的集群。就调制解调器而言，这些处理器通常是以不对称的处理模式运行的，可以获得最佳效率。它能够在手机处于空闲模式时关闭处理器电源，并只有当吞吐量上升时才接通额外处理器的电源，从而极大地延长电池寿命。这一可配置性也使得厂商能够创建不同的调制解调器，通过对软件的投资和可扩展的性能满足不同LTE类型的需求。Cortex-R8可在诸多界面接口中灵活选择，从而转向其他调制解调器系统，使得控制外部硬件和加速器的专用接口的控制延时最短，以确保在复杂系统中尽可能地实现最佳性能。

但是，Cortex-R8并不仅仅用于调制解调器设计，它提供的行业领先性能也适用于企业存储产品，包括HDD和SSD及其他要求可扩展性的嵌入式实时平台。Cortex-R8实施新的错误检测、更正和控制方案，以尽可能地确保可靠性。

提供下一代移动宽带体验

和5G全新优化及高效率的空中接口一样，支撑5G基础设施要求的改进型网络必须能够简化管理，并创建管理工具协调层(orchestration layer)，这个协调层的作用是简化下层硬件和软件的复杂性。

全新5G基础设施的成功部署需要将不同设备进行组合。根据地理条件，有可能需要诸如云端无线接入网(Cloud RAN)、分散式内容分发、可扩展性控制网络和自适应天线阵列等技术。以云端无线接入网为例，该新技术非常具有颠覆性，当多个基站单元和相关的控制网络共同整合到“云端”时，可以提供云端无线接入网。

为了满足云端无线接入网、分散式内容分发和可扩展性控制网络中全新平台的需求，ARM通过使用一些新兴技术取得了重要的进步：

① 软件定义网络(SDN)。SDN是一种提供网络可扩展性连接和简化旧的传统网络的新方式。SDN是由开放网络基金会(Open Networking Foundation)初步开发的一套标准，该标准将控制平面和数据平面分开提供网络功能的抽象软件层。网络管理和运营可以集中进行，而不是分散到不同的网络层和网络箱。通过简化的抽象软件层进行集中控制带来了诸多益处，如降低了运营成本，提高了自动化、控制、灵活性、敏捷性和应用创新。SDN将会改变设备到网络基础设施的连接方式，而且接入节点同聚合节点之间的连接方式也会相应地发生改变。

② 网络功能虚拟化(NFV)。允许传统功能从所有权硬件防火墙转移到更标准化的服务器、交换器和存储元件。当这些新功能应用于软件中，可以轻易地应用于数据中心、网络节点或用户端的平台，以充分利用全球网络效率。因此，NFV的益处包括通过更少的依赖所有权和专用硬件来降低资本支出(CapEx)和运营成本(OpEx)。由于更快的配置、测试和整合，使用NFV可以加速市场实时服务。为了支撑诸多延时敏感的5G功能和终端使用案例，NFV的执行必须与优化网络卸载能力配对，也须同诸如移动电子数据收集设备计算(Mobile Edge Compute)技术相配对，这些技术将虚拟化的网络功能尽可能贴近接入网络的电子数据收集设备，以避免网络基础设施的过度转变。

③ 分布式智能。通过支持网络内更多的分布式智能，可以通过云端已经部署的可用资源分布基本的决策点。使用工作负荷优化的硬件和软件来确保网络内各分布点的网络、存储和计算功能的实现。工作负荷优化硬件以高度集成的SoC为基础，具有异构处理能力，这使得该硬件在网络内可以变得更加智能，即使是缩减到最高功率和形状因数强迫区位。普通的软件平台允许开发者和IT用户更快地调配服务。

④ 存储。随着5G网络和服务的发展，也会看到存储直接融合到基础设施网络之内，然而通常“云端”存储被融合到数据中心内，会逐渐看到存储迁移到网络内所有节点。5G设备的核心在于高带宽和低延时服务，这些要求不仅利于空中接口无线通信，也会推动整个网络。分布式存储和提高电子数据收集设备的智能程度都有利于使回路延时最小化并提供所需的服务和智能以实现这些目标。

这些技术标准和架构是下一代基础设施网络或“智能灵活云”(Intelligent Flexible Could)的基础之一。云端之所以灵活是因为其可以快速满足不同的网络要求并且可以应对5G空中接口的具体挑战；云端之所以智能是因为其利用业务、顾客和网络数据来加强既有的服务，并且是创建高度创新和竞争性新服务的基础。

ARM及其合作伙伴可以提供基于ARM的通用处理平台，以满足实现5G方式的不同需求。

为什么在网络基础设施中使用ARM Cortex-A系列处理器？ARM正在提供处理器和相互连接的IP来满足网络基础设施的需求，未来的需求直接推进了ARM发展路线图。要提供这样的服务，关键在于各种各样的Cortex-A处理器内核和高速缓存一致性互联，例如Cortex-A72、Cortex-A53和互联产品的CCN家族。

新的SoC平台将提供一系列多核异构CPU、DSP和特定功能的加速器内核，对于满足吞吐量、5G部署延时和灵活性要求至关重要。越来越多的功能将被融合到单个SoC中，它通常要处理多种流量类型，包括数据通道有效负荷、控制平面流量、前端处理和用户调度。

伴随集成与更高性能SoC的发展趋势，将出现一些处理部件会通过处理器内核和智能信号处理部件来支持突发性高速流量有效负荷和时延敏感流量的情况。

网络基础设施应用混合了3个不同功能的不同层面：控制面板处理、数据包或回程处理，以及在任一特定SoC设备上可获得的几个内核簇之间的事件或流量调度。

5G基站设备同5G核心设备相比，具有完全不同的功能。设计者必须要确定处理器功能的最佳组合以应对所需的处理能力，从而在获得的技术选项中做出选择，在规定的时间内提供特定的设计以抓住市场机遇。

① 控制面板：控制面板的功能要求每个数据包处理量最大化，尤其是每个数据包所涉及的数以万计的指令通常是以“从运行到完成”的模式分配，可以有效利用乱序和多级流水线。具备虚拟化功能的高性能内核可以满足控制面板、内容发布网络和其他要求高单线程性能的需求。在控制面板运营的应用包括NFV、用于云端和边缘网络的CDN和要求更多性能的潜在新兴远程访问技术(例如5G)。

② 数据平面：网络的优势在于能够看到几百Mbps或几百Gbps范围内的数据速率，访问或云端部分感受到1～10 Gbps的数据；内核处理20至几百Gbps的数据。和控制面板不同的是，数据平面的挑战在于处理回程流量的爆发、处理数据头，并将数据置于缓冲存储器内而不丢失任何数据包。

这里包括完全不同的处理方式。许多数据平面设计使用专用的数字信号处理系统，该设计通过ARM AMBA互联将数据层面处理器连接到SoC。DSP提供一个专用最优指令组用于数据平面处理，并且将CPU的高功耗和计算密集型功能卸载。

除了每个数据包数以万计的指令用于控制处理，可能仅仅使用几百个指令/数据包用于数据包处理。访问高速缓冲存储器(指令、数据、L2和L3)和外部存储器对数据包处理来说也是不同的。

数据和控制处理之间存在一个重要的区别，ARM使用“无状态”(stateless)和“有状态”(stateful)的术语来区别这两个概念。无状态处理使用海量的小内核来处理进入SoC数据包的数据流，每个内核以“从运行到完成的模式”运行，从而给数据头分类，并将数据包纳入存储器，每个数据包单独进行处理，内核只熟悉之前的数据包，而内核的数量和互连的尺寸仅仅根据界面速度发生变化。相反，有状态处理适用于更高水平的决策，数据包的历史在这样的情形下很重要。流量和会议可以得到管理，尤其是控制平面。

③ 调度：5G系统的另一个挑战在于与前两个正交。对于用户访问调度，如果需要按照可获得的空中接口带宽调度用户，延时是关键。以LTE为例，可能有几百个用户的空中接口将被调度到他们自己的时隙。所有这一切都需要按照5G标准的时间限制通过潜在的几个内核计算，可能小于0.5 ms,里面涉及很多优先计算,接收和传输任务的调度,从DSP、处理器和存储器接收，以及向DSP、处理器和存储器发送信号。因此，具备在异构架构下使用多个内核并且在多个内核间切换的能力至关重要。

④ 技术要求：随着智能连接设备上的数据消费的急速增长，受到新的空中接口技术(如5G)的推动，系统设计人员需要利用相同的功率和设备位置来为更佳性能的任务带来新设计。ARM一直在开发IP来支持更高的性能、多核处理器。连贯连接线、最佳性能增强物理和逻辑IP都支持这些非常灵活的异构结构，而异构结构对于确保满足5G性能要求至关重要。新的ARM内核(如Cortex-A72和Cortex-A53)，已经使得性能/瓦特和性能