圖1、蜂窩技術(shù)的發(fā)展歷程

這種新的無線技術(shù)究竟會(huì)如何普及，還有哪些問題需要解決？

5G即將到來，但不是到處都是，并非全部都是，并且不是馬上就要使用這種技術(shù)的最快版本。事實(shí)上，可能的情況是，5G將首先在人口密集的城市地區(qū)推出，從2020年或者2021年開始，在此后的十年內(nèi)將越來越廣泛地被采用。

但5G不太可能完全取代4G LTE，就像今天的智能手機(jī)因?yàn)樾枰慕邮樟肯陆邓詴?huì)從4G LTE轉(zhuǎn)向3G和2G。向后兼容性是所有這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分。 因?yàn)?G的信號(hào)頻率非常高。從理論上講該技術(shù)可以擴(kuò)展到300 GHz，而今天的4GLTE的最高頻段則是2.6 GHz。雖然更高的頻段具有更多的頻率資源這允許信號(hào)攜帶更多的數(shù)據(jù) - 香農(nóng)定理告訴我們基本上是通過縮放帶寬以增加數(shù)據(jù)密度和速率的，但是較高的頻率也會(huì)使信號(hào)更容易受到樹木，建筑物和人體等物體的干擾。即使你自己的身體也可以阻擋一部分毫米波信號(hào)的。

“5G挑戰(zhàn)包括回程，基站的選址和頻譜資源，”摩根士丹利執(zhí)行董事James Faucette在最近的一次演講中表示。 “使用毫米波5G，你需要幾百倍的基站數(shù)量。 5G的運(yùn)行頻率比以前的無線標(biāo)準(zhǔn)高得多，而當(dāng)你達(dá)到毫米波時(shí)，它們幾乎不能覆蓋房間。信號(hào)的不可預(yù)測(cè)性以及它們能傳輸多遠(yuǎn)都是很大的問題。“

圖2、頻譜與覆蓋范圍。

雖然這些技術(shù)難點(diǎn)都沒有阻止5G的發(fā)展，但它肯定影響了5G技術(shù)的推廣計(jì)劃。5G的第一種實(shí)現(xiàn)方式可能是固定無線，這基本上是需要視距線路（line-of-site）傳輸?shù)摹：撩撞ㄐ盘?hào)不會(huì)穿過窗戶，所以他們需要一個(gè)安裝在窗戶上的天線。 Faucette說，必須有這么多的中繼器和小基站單元導(dǎo)致站點(diǎn)租賃成為運(yùn)營商的財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)問題。 “運(yùn)營商公司將不得不向更多的業(yè)主支付租金。”

圖3、適用于5G的技術(shù)采用曲線

為5G做好準(zhǔn)備

今年在韓國平昌舉辦的冬季奧運(yùn)給了這項(xiàng)技術(shù)前景帶來了某種暗示。帶寬的增加把從虛擬現(xiàn)實(shí)到8K視頻的所有內(nèi)容都顯示在顯示屏上，而不需要特殊的3D眼鏡。三星甚至為滑板運(yùn)動(dòng)員提供了SmartSuits這種支持5G的設(shè)備，這種設(shè)備使用傳感器繪制身體位置并將振動(dòng)信號(hào)發(fā)送到可穿戴設(shè)備上。

圖4、預(yù)計(jì)自動(dòng)駕駛汽車才會(huì)真正推動(dòng)5G技術(shù)的應(yīng)用需求

但是預(yù)計(jì)自動(dòng)駕駛汽車才會(huì)真正推動(dòng)5G技術(shù)的應(yīng)用需求。

“5G代表了自動(dòng)駕駛體驗(yàn)所需的基礎(chǔ)技術(shù)，”聯(lián)電公司（UMC）市場部副總裁Steven Liu表示。 “車輛到車輛（V2V，vehicle-to-vehicle）和車輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I（vehicle-to-infrastructure），V2X）的采用日益增加意味著汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的數(shù)量需求不斷增加。這些系統(tǒng)所需的技術(shù)包括汽車的防碰撞雷達(dá)和全球定位系統(tǒng)，以及與停車信號(hào)燈和車輛調(diào)度員進(jìn)行交互所需的傳感器。這些系統(tǒng)將與現(xiàn)有系統(tǒng)例如乘客舒適度和信息娛樂控制以及調(diào)節(jié)溫度，輪胎壓力和氣體的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)等配合使用。用于長途運(yùn)輸?shù)目ㄜ噷⑿枰?fù)荷平衡，負(fù)荷轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)彎曲線和風(fēng)切變系統(tǒng)，所有這些系統(tǒng)之間的協(xié)同工作以確保貨物在運(yùn)輸過程中不會(huì)被損壞，并且卡車集裝箱在整個(gè)行程中要保持穩(wěn)定。所有這些5G通信的應(yīng)用對(duì)于系統(tǒng)執(zhí)行其各自操作的能力來說都是至關(guān)重要的。“

事實(shí)上，5G對(duì)于輔助和自動(dòng)駕駛汽車應(yīng)用來說非常關(guān)鍵，因?yàn)樗梢愿淖冞@些汽車上所用電子設(shè)備的設(shè)計(jì)。但是，這可能至少部分取決于哪一方首先做好準(zhǔn)備。

“隨著電動(dòng)汽車的問世和ADAS的問世，汽車的連接可能會(huì)成為4G / 5G的故事，”應(yīng)用材料公司200mm設(shè)備產(chǎn)品部戰(zhàn)略和技術(shù)營銷總監(jiān)Mike Rosa說。 “這主要基于每個(gè)時(shí)間表。隨著5G網(wǎng)絡(luò)投入使用，硅芯片容量和能力的需求可能會(huì)減少，因?yàn)樵浦杏懈嗟膬?nèi)存。當(dāng)然這不會(huì)被用于所有的情況，但是大量的處理可以通過5G管道來進(jìn)行服務(wù)。“

兩種5G技術(shù)的故事

5G有兩種技術(shù)形式。其中一個(gè)使用低于6 GHz頻率的頻段，該頻段在4G LTE上略有改進(jìn)。另一個(gè)利用24 GHz以上頻率的頻譜，并最終走向毫米波技術(shù)。通常，隨著頻率的提高，速度能夠更快以及能夠傳輸更多數(shù)據(jù)的能力也會(huì)提高。但是另一方面，隨著頻率的增加，信號(hào)可以傳播的距離將會(huì)減小。結(jié)果是需要更多的中繼器和基站。也許這對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)來說是個(gè)好消息，但這也意味著5G推出的時(shí)間可能會(huì)比以前幾代無線技術(shù)推出的時(shí)間更長，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)全部工作所需的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量將會(huì)顯著增加。

圖5、5G的頻譜分為兩段：Sub-6GHz和高頻毫米波

“5G的頻率非常高，噪音更低，并且可以實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用，”GlobalFoundries 22FDX項(xiàng)目總監(jiān)Jamie Schaeffer說。 “對(duì)于基站，它需要一個(gè)帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC/DAC）的數(shù)字前端。而對(duì)于5G手機(jī)來說，這些將是需要低功耗的手機(jī)，您需要集成的前端模塊。但對(duì)于面部識(shí)別等方面的應(yīng)用來說，工作在24至40 GHz的5G將是最佳的解決方案。“

圖6、5G設(shè)備將支持Beamforming功能

5G設(shè)備也可以使用稱為波束成形（beamforming ）和波束追蹤（beam tracking）以及Massive MIMO（多輸入多輸出）的技術(shù)來將部分信號(hào)拼湊在一起以提升信號(hào)強(qiáng)度。

圖7、由布里斯托大學(xué)和隆德大學(xué)開發(fā)的128天線Massive MIMO測(cè)試平臺(tái)。

但是所有的這些都需要權(quán)衡。因?yàn)殡S著頻率的提高，用于射頻(RF)前端濾波的薄膜厚度將會(huì)減小，這就產(chǎn)生了另一個(gè)問題。

圖8、RF SOI涉及的關(guān)鍵技術(shù)

應(yīng)用材料公司的Rosa說：“在2到2.5 GHz的頻率下，射頻(RF)前端濾波薄膜（通常是基于氮化鋁（aluminum nitride）的薄膜）的厚度通常約為1微米。 “隨著工作頻率越來越高，這個(gè)薄膜會(huì)越來越薄。而目前該工藝難以控制8英寸和12英寸芯片晶圓上的應(yīng)力的均勻性。所以你增加了鈧摻雜（Scandium doping），但那只是迄今為止的解決方案。最終你會(huì)發(fā)現(xiàn)你需要看看你如何開發(fā)那些今天被應(yīng)用的薄膜。從短期來看，這并不是什么大不了的事情，但隨著時(shí)間的推移，我們將需要尋找替代方式來沉積這些薄膜。“

即使這些薄膜中所使用的材料可能會(huì)改變。例如，鈮酸鋰（lithium niobate）被認(rèn)為是氮化鋁（aluminum nitride）的可能替代品，因?yàn)樗梢允箼C(jī)電耦合的效率加倍。盡管今天的大部分開關(guān)都是使用硅鍺（silicon germanium）完成的，但是在基站中可能會(huì)被氮化鎵（gallium nitride）所取代，但是這將不得不平衡增加功率以驅(qū)動(dòng)更多信號(hào)到更多中繼器的需求，以及功率上升所帶來的功耗本身的成本問題。

其他技術(shù)問題

這也不僅限于基站。 5G手機(jī)可能會(huì)很快超出覆蓋范圍，讓它們搜索信號(hào)；這將比在具有強(qiáng)大接收信號(hào)的區(qū)域中更快地耗盡手機(jī)電池。

圖9、終端中的Beamforming

“使用手機(jī)終端設(shè)備時(shí)，需要在天線上完成很多的研發(fā)工作，要讓手機(jī)天線布局最佳，這樣當(dāng)你用不同的方式拿著終端設(shè)備時(shí)，它還可以工作，”National Instruments（國家半導(dǎo)體）軟件定義無線電高級(jí)產(chǎn)品營銷經(jīng)理Sarah Yost說。 “目前還在努力為所有這些天線創(chuàng)建高效的波束模式（beam patterns ）。如果在手機(jī)上有8個(gè)到甚至多達(dá)64個(gè)輸入，波束模式將非常大。你可能需要有12個(gè)發(fā)送模式和12個(gè)接收模式，并且所有這些模式都可能是不同的信號(hào)幅度。“

圖10、5G終端中的天線布局

這使得使用當(dāng)今已有的設(shè)備和方法來測(cè)試5G芯片變得非常耗時(shí)。 “今天，測(cè)試時(shí)間是毫秒級(jí)，”約斯特說。 “如果您添加所有這些波束模式以及更多的容量和功能，您可以看到高達(dá)2500倍的測(cè)試時(shí)間的增加。當(dāng)然你仍然需要測(cè)試這些芯片，但現(xiàn)在你需要一種不同的測(cè)試方法。我們正在看的一個(gè)測(cè)試方式是在空口中測(cè)試（over-the-air testing）。“

圖11、人們使用手機(jī)的幾種主要方式

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它可以為優(yōu)化信號(hào)的器件提供持續(xù)的測(cè)試，但這是測(cè)試中的一個(gè)新概念。 “優(yōu)點(diǎn)是您可以將其升級(jí)為模塊化的測(cè)試平臺(tái)，以便跟上標(biāo)準(zhǔn)的變化，”Yost說。 “它允許平臺(tái)作為真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的一部分，讓您在設(shè)計(jì)過程中盡早地實(shí)現(xiàn)撥打電話的功能。”

圖12、復(fù)雜的5G測(cè)試系統(tǒng)

這還可能與某些版本的外部系統(tǒng)級(jí)測(cè)試相結(jié)合，以加速該過程，以及內(nèi)置自測(cè)試功能。

規(guī)劃變更

事情在設(shè)計(jì)方面也并沒有變得更清晰。未知因素使優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)變得更加困難。因此，靈活性需要增加，無論是在架構(gòu)層面還是在具有可編程性的邏輯層面都需要靈活的結(jié)構(gòu)和布局。

圖13、5G將采用異構(gòu)計(jì)算方式

“人們想知道他們是否需要更大的控制系統(tǒng)，”NetSpeed Systems首席執(zhí)行官Sundari Mitra說。 “這需要架構(gòu)上的根本性改變。需要更多的動(dòng)態(tài)計(jì)算，這意味著這些設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度會(huì)有所提高。你不能采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并將其塑造成5G，因?yàn)樗枰悩?gòu)計(jì)算，因此這不僅僅是需要訪問內(nèi)存的單個(gè)處理器。“

圖14、Gartner定義的近年的關(guān)鍵技術(shù)趨勢(shì)

從任何角度來看，5G本身就是一種顛覆性技術(shù)。但是當(dāng)它與其他顛覆性技術(shù)，尤其是與自動(dòng)駕駛技術(shù)配合來一起應(yīng)用時(shí)，未知因素將顯著增加。

ArterisIP首席技術(shù)官Ty Garibay表示：“一輛汽車將始終需要具有5G連接性。 “這些汽車將每小時(shí)產(chǎn)生數(shù)TB的數(shù)據(jù)。其中一些將由邊緣芯片進(jìn)行處理。但5G將是將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理的關(guān)鍵。挑戰(zhàn)在于將需要匯集不同類型的處理和I / O接口。任何人都很難將它們很好地連接在一起。“

與前幾代技術(shù)不同的是，5G的采用可能將是一種長期演變的混合技術(shù)。因此，雖然推出相對(duì)較快，但城市之外的5G手機(jī)和基站覆蓋可能需要數(shù)十年時(shí)間。事實(shí)上，這項(xiàng)技術(shù)是否具有普遍性目前尚不清楚。

圖15、典型的異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)

“如果你看看很多展會(huì)那里展示的所有5G系統(tǒng)，它們都是原型，”Achronix戰(zhàn)略規(guī)劃和業(yè)務(wù)發(fā)展高級(jí)總監(jiān)Mike Fitton說。 “這就是為什么它們?nèi)慷际褂每删幊踢壿嫛?biāo)準(zhǔn)正在發(fā)生變化，并且出現(xiàn)了不同的應(yīng)用。所以你需要在ASIC中建立起一些可編程能力。看看3G和4G，這些技術(shù)的早期市場幾乎完全基于FPGA的，而大規(guī)模應(yīng)用時(shí)FPGA常常由ASI來C取而代之，以降低成本和功耗。我們?cè)?G中看到了相同的情況。但5G需要更長的時(shí)間。這個(gè)市場的第一部分將是UHF（即Sub-6GHz），然后再是毫米波（Millimeter wave）。所以你將首先擁有4G的海洋，然后5G將開始在島上出現(xiàn)，并且它將從那里逐漸擴(kuò)散開去。“

圖16、4G、5G混合組網(wǎng)

但是，何時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況并不明確。 Flex Logix公司首席執(zhí)行官Geoff Tate表示，由于這種不確定性，對(duì)業(yè)界eFPGAs的興趣大增。他表示：“與之前的無線技術(shù)相比，5G對(duì)嵌入式FPGA（即embedded FPGAs，eFPGAs）的興趣不斷增加。” “在基站內(nèi)，存在功率約束。如果你可以去掉SerDes接口，那么可以節(jié)省大量的電力需求。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樾阅芤笤絹碓礁摺Ｍ瑫r(shí)，將會(huì)有更多的基站。現(xiàn)在每半英里大概有一個(gè)，但是5G的密度需要更大。你會(huì)看到一個(gè)“母”基站（mother station），然后再是很多“女兒”基站（daughter stations，即中繼器），這將對(duì)功率產(chǎn)生更大的限制。“

圖17、嵌入式FPGA架構(gòu)

這對(duì)嵌入式可編程器件來說是一個(gè)好兆頭，因?yàn)樗鼈儽華SIC更具靈活性，并且比分立式FPGA更小，功耗更低。

圖18、嵌入式FPGA的主要優(yōu)點(diǎn)

Achronix的Fitton指出，5G規(guī)格的下一協(xié)議版本，即版本16（ release 16），也會(huì)增加一些額外的功能。 “屆時(shí)你會(huì)開始看到這種適用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）類型的應(yīng)用，在那時(shí)你也會(huì)有超可靠的低延遲應(yīng)用，新的用戶模型也將開始出現(xiàn)。”

技術(shù)轉(zhuǎn)型

從視角來看，5G生態(tài)系統(tǒng)中有很多移動(dòng)部件，從最初的5G部署開始并延續(xù)到未來的技術(shù)迭代。實(shí)際上，這就像管理一個(gè)隨著時(shí)間的推移的3D（三維）矩陣，矩陣中的各個(gè)部分都還處于研究，開發(fā)甚至定義的不同階段之中。

圖19、5G生態(tài)系統(tǒng)

“利用5G，您可以將模擬，數(shù)字和射頻（RF）融合在一起，”ClioSoft市場營銷副總裁Ranjit Adhikary說。 “一旦你開始使用這項(xiàng)技術(shù)，過了一段時(shí)間你會(huì)看到一些技術(shù)遷移轉(zhuǎn)化成為IP的一部分，而有的則成為bugs，沒有人會(huì)說出為什么要做某件事。人們轉(zhuǎn)向不同的公司，而許多知識(shí)將會(huì)消失。“

圖20、5G和4G射頻前端系統(tǒng)的差異

Adhikary說這對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（ IP）的發(fā)展，優(yōu)化和表征產(chǎn)生了影響，這與技術(shù)一起發(fā)展。 “對(duì)于5G，我們現(xiàn)在還沒有太多的第三方IP。但是，我們需要確保這一點(diǎn)，從系統(tǒng)級(jí)角度來看，它們都很好地被捕獲，包括腳本和流程。這種趨勢(shì)始于有線調(diào)制解調(diào)器，協(xié)議和規(guī)格發(fā)生了如此之快的變化，即使在幾個(gè)月的過程中，也很難跟蹤這些變化。而現(xiàn)在，您在全球擁有更多的公司，因此您必須跟蹤您正在使用哪個(gè)部分，開發(fā)哪個(gè)版本的規(guī)格以及使用哪個(gè)版本的第三方IP。如果有一個(gè)新版本的協(xié)議規(guī)范，你如何鏈接使用該IP的所有點(diǎn)的人？“

總結(jié)

多個(gè)市場和技術(shù)之間的不確定性正在相互交織，提出了更多關(guān)于未來將如何使用5G技術(shù)的問題，何時(shí)可以在市場上買到，以及最終將花費(fèi)多少資金和其他資源才能得到。

圖21、5G將是一個(gè)持續(xù)多年的投資過程

“所有這些都有額外的要求，包括持久性和成本，這些在未來嘗試實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電氣控制時(shí)仍然會(huì)帶來重大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造方面的挑戰(zhàn)，”聯(lián)電公司（UMC）市場部副總裁Steven Liu說。

圖22、5G時(shí)代小基站將會(huì)越來越多

5G是這些技術(shù)轉(zhuǎn)變過程中的一個(gè)重要難題，但是這個(gè)難題究竟有多大以及何時(shí)能夠克服還有待繼續(xù)觀察。

圖23、2018年手機(jī)的出貨量還會(huì)增長