为5G做好准备,两种5G技术的故事

图1、蜂窝技术的发展历程

这种新的无线技术究竟会如何普及，还有哪些问题需要解决？

5G即将到来，但不是到处都是，并非全部都是，并且不是马上就要使用这种技术的最快版本。事实上，可能的情况是，5G将首先在人口密集的城市地区推出，从2020年或者2021年开始，在此后的十年内将越来越广泛地被采用。

但5G不太可能完全取代4G LTE，就像今天的智能手机因为需要的接收量下降所以会从4G LTE转向3G和2G。向后兼容性是所有这些技术标准的重要组成部分。 因为5G的信号频率非常高。从理论上讲该技术可以扩展到300 GHz，而今天的4GLTE的最高频段则是2.6 GHz。虽然更高的频段具有更多的频率资源这允许信号携带更多的数据 - 香农定理告诉我们基本上是通过缩放带宽以增加数据密度和速率的，但是较高的频率也会使信号更容易受到树木，建筑物和人体等物体的干扰。即使你自己的身体也可以阻挡一部分毫米波信号的。

“5G挑战包括回程，基站的选址和频谱资源，”摩根士丹利执行董事James Faucette在最近的一次演讲中表示。 “使用毫米波5G，你需要几百倍的基站数量。 5G的运行频率比以前的无线标准高得多，而当你达到毫米波时，它们几乎不能覆盖房间。信号的不可预测性以及它们能传输多远都是很大的问题。“

图2、频谱与覆盖范围。

虽然这些技术难点都没有阻止5G的发展，但它肯定影响了5G技术的推广计划。5G的第一种实现方式可能是固定无线，这基本上是需要视距线路（line-of-site）传输的。毫米波信号不会穿过窗户，所以他们需要一个安装在窗户上的天线。 Faucette说，必须有这么多的中继器和小基站单元导致站点租赁成为运营商的财务负担问题。 “运营商公司将不得不向更多的业主支付租金。”

图3、适用于5G的技术采用曲线

为5G做好准备

今年在韩国平昌举办的冬季奥运给了这项技术前景带来了某种暗示。带宽的增加把从虚拟现实到8K视频的所有内容都显示在显示屏上，而不需要特殊的3D眼镜。三星甚至为滑板运动员提供了SmartSuits这种支持5G的设备，这种设备使用传感器绘制身体位置并将振动信号发送到可穿戴设备上。

图4、预计自动驾驶汽车才会真正推动5G技术的应用需求

但是预计自动驾驶汽车才会真正推动5G技术的应用需求。

“5G代表了自动驾驶体验所需的基础技术，”联电公司（UMC）市场部副总裁Steven Liu表示。 “车辆到车辆（V2V，vehicle-to-vehicle）和车辆到基础设施（V2I（vehicle-to-infrastructure），V2X）的采用日益增加意味着汽车雷达系统的数量需求不断增加。这些系统所需的技术包括汽车的防碰撞雷达和全球定位系统，以及与停车信号灯和车辆调度员进行交互所需的传感器。这些系统将与现有系统例如乘客舒适度和信息娱乐控制以及调节温度，轮胎压力和气体的发动机监控子系统等配合使用。用于长途运输的卡车将需要负荷平衡，负荷转移，转弯曲线和风切变系统，所有这些系统之间的协同工作以确保货物在运输过程中不会被损坏，并且卡车集装箱在整个行程中要保持稳定。所有这些5G通信的应用对于系统执行其各自操作的能力来说都是至关重要的。“

事实上，5G对于辅助和自动驾驶汽车应用来说非常关键，因为它可以改变这些汽车上所用电子设备的设计。但是，这可能至少部分取决于哪一方首先做好准备。

“随着电动汽车的问世和ADAS的问世，汽车的连接可能会成为4G / 5G的故事，”应用材料公司200mm设备产品部战略和技术营销总监Mike Rosa说。 “这主要基于每个时间表。随着5G网络投入使用，硅芯片容量和能力的需求可能会减少，因为云中有更多的内存。当然这不会被用于所有的情况，但是大量的处理可以通过5G管道来进行服务。“

两种5G技术的故事

5G有两种技术形式。其中一个使用低于6 GHz频率的频段，该频段在4G LTE上略有改进。另一个利用24 GHz以上频率的频谱，并最终走向毫米波技术。通常，随着频率的提高，速度能够更快以及能够传输更多数据的能力也会提高。但是另一方面，随着频率的增加，信号可以传播的距离将会减小。结果是需要更多的中继器和基站。也许这对于半导体行业来说是个好消息，但这也意味着5G推出的时间可能会比以前几代无线技术推出的时间更长，因为实现全部工作所需的基础设施数量将会显著增加。

图5、5G的频谱分为两段：Sub-6GHz和高频毫米波

“5G的频率非常高，噪音更低，并且可以实现新的应用，”GlobalFoundries 22FDX项目总监Jamie Schaeffer说。 “对于基站，它需要一个带数据转换器（ADC/DAC）的数字前端。而对于5G手机来说，这些将是需要低功耗的手机，您需要集成的前端模块。但对于面部识别等方面的应用来说，工作在24至40 GHz的5G将是最佳的解决方案。“

图6、5G设备将支持Beamforming功能

5G设备也可以使用称为波束成形（beamforming ）和波束追踪（beam tracking）以及Massive MIMO（多输入多输出）的技术来将部分信号拼凑在一起以提升信号强度。

图7、由布里斯托大学和隆德大学开发的128天线Massive MIMO测试平台。

但是所有的这些都需要权衡。因为随着频率的提高，用于射频(RF)前端滤波的薄膜厚度将会减小，这就产生了另一个问题。

图8、RF SOI涉及的关键技术

应用材料公司的Rosa说：“在2到2.5 GHz的频率下，射频(RF)前端滤波薄膜（通常是基于氮化铝（aluminum nitride）的薄膜）的厚度通常约为1微米。 “随着工作频率越来越高，这个薄膜会越来越薄。而目前该工艺难以控制8英寸和12英寸芯片晶圆上的应力的均匀性。所以你增加了钪掺杂（Scandium doping），但那只是迄今为止的解决方案。最终你会发现你需要看看你如何开发那些今天被应用的薄膜。从短期来看，这并不是什么大不了的事情，但随着时间的推移，我们将需要寻找替代方式来沉积这些薄膜。“

即使这些薄膜中所使用的材料可能会改变。例如，铌酸锂（lithium niobate）被认为是氮化铝（aluminum nitride）的可能替代品，因为它可以使机电耦合的效率加倍。尽管今天的大部分开关都是使用硅锗（silicon germanium）完成的，但是在基站中可能会被氮化镓（gallium nitride）所取代，但是这将不得不平衡增加功率以驱动更多信号到更多中继器的需求，以及功率上升所带来的功耗本身的成本问题。

其他技术问题

这也不仅限于基站。 5G手机可能会很快超出覆盖范围，让它们搜索信号；这将比在具有强大接收信号的区域中更快地耗尽手机电池。

图9、终端中的Beamforming

“使用手机终端设备时，需要在天线上完成很多的研发工作，要让手机天线布局最佳，这样当你用不同的方式拿着终端设备时，它还可以工作，”National Instruments（国家半导体）软件定义无线电高级产品营销经理Sarah Yost说。 “目前还在努力为所有这些天线创建高效的波束模式（beam patterns ）。如果在手机上有8个到甚至多达64个输入，波束模式将非常大。你可能需要有12个发送模式和12个接收模式，并且所有这些模式都可能是不同的信号幅度。“

图10、5G终端中的天线布局

这使得使用当今已有的设备和方法来测试5G芯片变得非常耗时。 “今天，测试时间是毫秒级，”约斯特说。 “如果您添加所有这些波束模式以及更多的容量和功能，您可以看到高达2500倍的测试时间的增加。当然你仍然需要测试这些芯片，但现在你需要一种不同的测试方法。我们正在看的一个测试方式是在空口中测试（over-the-air testing）。“

图11、人们使用手机的几种主要方式

这种方法的优点是它可以为优化信号的器件提供持续的测试，但这是测试中的一个新概念。 “优点是您可以将其升级为模块化的测试平台，以便跟上标准的变化，”Yost说。 “它允许平台作为真实网络的一部分，让您在设计过程中尽早地实现拨打电话的功能。”

图12、复杂的5G测试系统

这还可能与某些版本的外部系统级测试相结合，以加速该过程，以及内置自测试功能。

规划变更

事情在设计方面也并没有变得更清晰。未知因素使优化芯片设计变得更加困难。因此，灵活性需要增加，无论是在架构层面还是在具有可编程性的逻辑层面都需要灵活的结构和布局。

图13、5G将采用异构计算方式

“人们想知道他们是否需要更大的控制系统，”NetSpeed Systems首席执行官Sundari Mitra说。 “这需要架构上的根本性改变。需要更多的动态计算，这意味着这些设计的复杂程度会有所提高。你不能采用传统的结构并将其塑造成5G，因为它需要异构计算，因此这不仅仅是需要访问内存的单个处理器。“

图14、Gartner定义的近年的关键技术趋势

从任何角度来看，5G本身就是一种颠覆性技术。但是当它与其他颠覆性技术，尤其是与自动驾驶技术配合来一起应用时，未知因素将显著增加。

ArterisIP首席技术官Ty Garibay表示：“一辆汽车将始终需要具有5G连接性。 “这些汽车将每小时产生数TB的数据。其中一些将由边缘芯片进行处理。但5G将是将这些数据进行后处理的关键。挑战在于将需要汇集不同类型的处理和I / O接口。任何人都很难将它们很好地连接在一起。“

与前几代技术不同的是，5G的采用可能将是一种长期演变的混合技术。因此，虽然推出相对较快，但城市之外的5G手机和基站覆盖可能需要数十年时间。事实上，这项技术是否具有普遍性目前尚不清楚。

图15、典型的异构系统架构

“如果你看看很多展会那里展示的所有5G系统，它们都是原型，”Achronix战略规划和业务发展高级总监Mike Fitton说。 “这就是为什么它们全部都使用可编程逻辑。标准正在发生变化，并且出现了不同的应用。所以你需要在ASIC中建立起一些可编程能力。看看3G和4G，这些技术的早期市场几乎完全基于FPGA的，而大规模应用时FPGA常常由ASI来C取而代之，以降低成本和功耗。我们在5G中看到了相同的情况。但5G需要更长的时间。这个市场的第一部分将是UHF（即Sub-6GHz），然后再是毫米波（Millimeter wave）。所以你将首先拥有4G的海洋，然后5G将开始在岛上出现，并且它将从那里逐渐扩散开去。“

图16、4G、5G混合组网

但是，何时会发生这种情况并不明确。 Flex Logix公司首席执行官Geoff Tate表示，由于这种不确定性，对业界eFPGAs的兴趣大增。他表示：“与之前的无线技术相比，5G对嵌入式FPGA（即embedded FPGAs，eFPGAs）的兴趣不断增加。” “在基站内，存在功率约束。如果你可以去掉SerDes接口，那么可以节省大量的电力需求。这一点很重要，因为性能要求越来越高。同时，将会有更多的基站。现在每半英里大概有一个，但是5G的密度需要更大。你会看到一个“母”基站（mother station），然后再是很多“女儿”基站（daughter stations，即中继器），这将对功率产生更大的限制。“

图17、嵌入式FPGA架构

这对嵌入式可编程器件来说是一个好兆头，因为它们比ASIC更具灵活性，并且比分立式FPGA更小，功耗更低。

图18、嵌入式FPGA的主要优点

Achronix的Fitton指出，5G规格的下一协议版本，即版本16（ release 16），也会增加一些额外的功能。 “届时你会开始看到这种适用于物联网（IoT）类型的应用，在那时你也会有超可靠的低延迟应用，新的用户模型也将开始出现。”

技术转型

从视角来看，5G生态系统中有很多移动部件，从最初的5G部署开始并延续到未来的技术迭代。实际上，这就像管理一个随着时间的推移的3D（三维）矩阵，矩阵中的各个部分都还处于研究，开发甚至定义的不同阶段之中。

图19、5G生态系统

“利用5G，您可以将模拟，数字和射频（RF）融合在一起，”ClioSoft市场营销副总裁Ranjit Adhikary说。 “一旦你开始使用这项技术，过了一段时间你会看到一些技术迁移转化成为IP的一部分，而有的则成为bugs，没有人会说出为什么要做某件事。人们转向不同的公司，而许多知识将会消失。“

图20、5G和4G射频前端系统的差异

Adhikary说这对知识产权（ IP）的发展，优化和表征产生了影响，这与技术一起发展。 “对于5G，我们现在还没有太多的第三方IP。但是，我们需要确保这一点，从系统级角度来看，它们都很好地被捕获，包括脚本和流程。这种趋势始于有线调制解调器，协议和规格发生了如此之快的变化，即使在几个月的过程中，也很难跟踪这些变化。而现在，您在全球拥有更多的公司，因此您必须跟踪您正在使用哪个部分，开发哪个版本的规格以及使用哪个版本的第三方IP。如果有一个新版本的协议规范，你如何链接使用该IP的所有点的人？“

总结

多个市场和技术之间的不确定性正在相互交织，提出了更多关于未来将如何使用5G技术的问题，何时可以在市场上买到，以及最终将花费多少资金和其他资源才能得到。

图21、5G将是一个持续多年的投资过程

“所有这些都有额外的要求，包括持久性和成本，这些在未来尝试实现自动电气控制时仍然会带来重大的系统设计和制造方面的挑战，”联电公司（UMC）市场部副总裁Steven Liu说。

图22、5G时代小基站将会越来越多

5G是这些技术转变过程中的一个重要难题，但是这个难题究竟有多大以及何时能够克服还有待继续观察。

图23、2018年手机的出货量还会增长