過去20年來，手機已實現(xiàn)了爆炸式的成長，成為我們?nèi)粘Ｉ钪兄匾囊徊糠?。然而，我們尚未能完全掌握手機的復雜性——智能型手機通常采用超過10個ARM-based處理器，用于處理觸控屏幕、傳感器處理、定位、照相、繪圖、應用程序等功能，以及不斷增加的大量連接功能，如Wi-Fi、藍牙和LTE。

　　隨著無線產(chǎn)業(yè)加速為下一代行動寬帶裝置進行標準化，即實現(xiàn)所謂的「5G」， 本文將探討這對于最終將實現(xiàn)的技術、挑戰(zhàn)和使用案例有何意義。此外，也將以ARM Cortex-R8為例探討如何在透過實時處理器實現(xiàn)multi-Gigabit（Gb）新系列產(chǎn)品的同時，仍然以低功耗作為設計核心。

　　快節(jié)奏的行動寬帶革命

　　隨著行動寬帶持續(xù)變革，我們看到新的使用案例不斷涌現(xiàn)。5G的出現(xiàn)將繼續(xù)推動常時開啟、永不斷線的互連世界，同時還改變了人類與世界互動的方式。如同數(shù)Gb級服務一樣，5G也承諾支持低吞吐量、能量受限的裝置或所謂的「大規(guī)模機器類通訊」（mMTC）。我們看到如今LTE中出現(xiàn)了mMTC，其標準包括LTE Cat-0和NB-IoT，這兩項標準都確保可為5G奠定基礎。

　　談及5G，人們腦海中首先想到的就是行動裝置。如今智能型手機的體驗已經(jīng)夠復雜了，隨著5G的來臨，手機又有什么不一樣的地方呢？如今討論5G標準的一些提議大多圍繞著網(wǎng)絡效率，主要關注如何處理行動資料巨大的量和需求。數(shù)Gb級的服務讓消費者在近乎瞬間內(nèi)完成數(shù)字內(nèi)容下載，而超低延遲連接則使諸如虛擬現(xiàn)實（VR）和擴增實境（AR）服務、新型的汽車應用成為可能。

　　在傳統(tǒng)手機之外，我們將5G視為一個重要技術，能夠促成更多的服務。5G將讓遠程醫(yī)療成為現(xiàn)實，醫(yī)師和醫(yī)療保健工作人員可透過連接5G裝置遠程管理病人，這是普及醫(yī)療保健和身心健康的真正機會。

　　低碳經(jīng)濟可能是未來十年內(nèi)實現(xiàn)已開發(fā)世界的最大挑戰(zhàn)之一。透過高效可靠的無線因特網(wǎng)廣泛利用，將有助于實現(xiàn)低碳經(jīng)濟，因為它能確保效率并促成更高度的控制和融合。從管理智慧街道照明、遠程排放監(jiān)控、公共運輸與公共信息，5G將為日常生活帶來無限可能。就連5G網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)本身也要求降低功耗，這可為行動運營商降低運營成本，并極大地降低碳排放。

　　除了在家庭中，5G還能在開車時帶來全新體驗。5G被視為「超越行動因特網(wǎng)」的技術。其高性能和低延遲的特點，使其能夠以傳統(tǒng)4G/Wi-Fi服務部署于以往難以企及的領域。例如，連網(wǎng)汽車或自動駕駛車被視為必須具備高可靠、低延遲無線連接的重要領域，用于安全與防碰撞等應用。

　　使下一代裝置成為可能

　　頻譜是一項寶貴的資源，而過去十年間隨著行動業(yè)務需求量激增，對于無線電頻譜的需求也隨之成長。以往認為無線電頻譜被分為「區(qū)段」或「載波」，可以應用于不同領域，例如TV、Wi-Fi、藍牙或手機。而諸如美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）和英國的通訊管理局（OFCOM）等監(jiān)管機關則按區(qū)域分配頻譜以用于不同領域。

　　在早期手機出現(xiàn)之際相對簡單，頻譜被劃分為幾個區(qū)間（通常以拍賣方式進行），目的在于提供以語音為基礎的服務——在其本質(zhì)上只消耗很少量的頻譜。過去十年來，隨著智能型手機的出現(xiàn)，改變了這種情形，頻譜也越來越被廣泛用于行動寬帶業(yè)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也越多。如果你將這一數(shù)字乘以用戶數(shù)，很快就會發(fā)現(xiàn)行動數(shù)據(jù)供不應求，而傳統(tǒng)意義上的頻譜分配并未跟上這一變化。

　　因此，整個產(chǎn)業(yè)如何在提供行動寬帶體驗方面跟上變化，而這對未來十年的手機技術挑戰(zhàn)又意味著什么？

　　載波聚合（CA）加上先進的天線技術稱為「多重輸入多重輸出」（MIMO），可用于協(xié)助緩解壓力并提供更高效的服務。從3G系統(tǒng)到LTE，我們看到數(shù)據(jù)速率不斷提高，盡管這部份的成果來自于更復雜的調(diào)變和MIMO技術，但吞吐量的增加主要受益于載波聚合的進展，使其得以更有效地利用分段式的頻譜。

　　授權(quán)頻段是對于頻譜使用加以特定限制的一部份頻譜；例如某個頻譜區(qū)間可能僅限于手機業(yè)務使用，并分配給某家特定的手機業(yè)者。授權(quán)頻段的優(yōu)勢在于營運商可以完全控制該部份的頻譜，因而能夠管理服務質(zhì)量（QoS）并提供相應的服務。授權(quán)頻段的局限在于它是一種更加寶貴的資源，因而無法滿足行動數(shù)據(jù)不斷成長以及用戶群體快速增加的要求。

　　為了克服這種局限，營運商越來越關注于如何將未授權(quán)頻段和既有的授權(quán)頻段服務結(jié)合起來。我們看到越來越多未授權(quán)頻段導入載波聚合，讓裝置能夠同時用戶許可證頻段（通常作為控制通道）和未授權(quán)頻段，將任務卸除至諸如Wi-Fi和新興LTE等未授權(quán)技術中。3GPP中有許多LTE標準的更多優(yōu)勢著重于這些未授權(quán)卸除技術的管理。

　　5G擁有良好的前景，但相關標準尚未確立。如果順利發(fā)展，那么5G將開啟未來20年的數(shù)字化服務，為我們的日常生活帶來嶄新且強大的應用。

　　5G的核心將帶來新的調(diào)變機制以及日益復雜的MIMO技術，從而最大化寶貴頻譜資源利用效率，以及提供較早期LTE性能更高50倍的吞吐量。5G概念還涵蓋寬廣的頻帶范圍，遠遠超出如今在LTE中看到的頻帶，原因在于協(xié)調(diào)各頻段間的接取技術，并致力于在增加下一代服務容量的同時也實現(xiàn)效率最大化。從提供廣域服務的sub GHz頻段到如今Wi-Fi廣泛使用的區(qū)域性GHz頻段，我們將看到5G應用的廣泛部署。

　　進一步來看，5G可支持30Hz以上未充份利用的毫米波（mmWave）頻段。這些波段能夠提供與5G服務有關的multi-Gbps吞吐量。毫米波頻段的缺點之一包括：我們只能期待裝置在「視線」和基地臺范圍內(nèi)幾十公尺內(nèi)作業(yè)，這在本質(zhì)上將為部署帶來挑戰(zhàn)。

　　所以，這一切對于智能型手機的未來意味著什么？尤其是針對調(diào)制解調(diào)器基頻處理？回顧這些趨勢，我們注意到SoC設計者在因應新的要求時也面臨著三大挑戰(zhàn)：

　　· 數(shù)據(jù)速率持續(xù)上升　在不久的將來，我們可望看到以LTE為基礎的Gb級服務，以及在5G中可能高達10-20Gbps的吞吐量

　　· 載波聚合大量增加　吞吐量和網(wǎng)絡容量最終將由日益復雜的載波聚合提供。透過聚合途徑讓手機的調(diào)制解調(diào)器處理器具有較高的處理復雜度，因為它必須平行提供多個無線存取承載服務。這個主題將持續(xù)成為LTE技術（（LTE-Advanced Pro）和5G技術進化的關鍵。

　　· 持續(xù)為行動裝置推動能效和電池續(xù)航力最大化　由于引進了新的接取技術，但不能影響或折衷用戶體驗，因此，在進行手機調(diào)制解調(diào)器設計時必須將功效置于設計的核心。

　　以下將以ARM Cortex-R8處理器為例，討論它如何協(xié)助設計者滿足上述需求，在兼顧上一代3G、LTE等技術的后向兼容性之際，同時支持傳統(tǒng)技術持續(xù)用于當今的多模裝置中。

　　Cortex-R8：下一代行動寬帶核心

　　Cortex-R8處理器是ARM最高性能的嵌入式實時處理器，采用成熟技術并進一步提升性能至更高層次。該處理器管線采用ARM為最高性能應用處理器開發(fā)的技術，并使其于提供最高性能的同時，也滿足「硬實時」（hard real-time）的要求。

　　「硬實時」是指處理器即使是在已知最糟（決定性的）情況的延遲下，仍能非?？焖俚厍袚Q以因應新的重要事件。這種最糟情況的延遲通常也只有幾奈秒，讓來自系統(tǒng)其他部份的中斷能夠被偵測到，并迅速采取行動解決。在LTE-Advanced Pro和5G調(diào)制解調(diào)器的第一層（Layer 1） 控制任務將處理多載波以及很高的數(shù)據(jù)速率。

　　因此，處理器必須以很高的頻率頻率執(zhí)行，并且能夠在很多任務之間快速地切換以及處理外來事件。諸如Wi-Fi等未授權(quán)載波提供的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)封包速率比LTE更高，而結(jié)合并控制這些不同的載波需要一款專用處理器。Cortex-R8擁有11級管線，能以極其快速的時鐘速率提供所需的性能。這種管線是「亂序」的，意味著即使有些指令在等待來自較慢的外部儲存系統(tǒng)數(shù)據(jù)時，也可以繼續(xù)進行處理，因而大幅減少管線的「停滯」，并盡可能提供最佳性能。

　　Cortex-R8也增強了緊密耦合內(nèi)存（TCM），讓更多程序代碼與數(shù)據(jù)能儲存于快速內(nèi)存中，因此在存取重要程序和數(shù)據(jù)時不至于延遲。相較于由處理器管理的快取，TCM是由開發(fā)人員管理的，因而能夠迅速取得重要的指令和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在調(diào)制解調(diào)器中有一些非常關鍵的實時程序，而其他并不是那么重要程序可以在后臺執(zhí)行。

　　Cortex-R8可使多達4個處理器整合于單一的叢集中。就調(diào)制解調(diào)器而言，這些處理器通常是以不對稱的處理模式執(zhí)行以獲得最佳效率。而且，它能在手機處于閑置模式時關閉處理器電源，只在吞吐量提高時才導通更多處理器的電源，因而大幅延長電池壽命。這種可配置性也使得開發(fā)商能夠透過單次的軟件投資和可擴展性能，開發(fā)出因應不同LTE類型的各種調(diào)制解調(diào)器。

　　Cortex-R8可在諸多的接口端口中靈活選擇，從而連接至其他調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)。用于控制外部硬件和加速器的專用端口提供最低的延遲控制，以確保在復雜系統(tǒng)中盡可能實現(xiàn)最佳性能。

　　然而，Cortex-R8并不僅僅用于調(diào)制解調(diào)器設計，其先進性能也適用于企業(yè)儲存產(chǎn)品，包括HDD和SSD以及其他需要可擴展的嵌入式實時平臺。Cortex-R8并建置新的錯誤檢測、校正和控制機制，盡可能地確?？煽啃浴?/p>

　　提供下一代行動寬帶體驗

　　如同針對5G打造全新優(yōu)化且高效率的空中接口一樣，支持5G基礎設施要求的改進型網(wǎng)絡必須能夠簡化管理與協(xié)調(diào)層（orchestration layer），從而簡化底層硬件和軟件的復雜度。

　　為了成功部署新的5G基礎設施，需要不同的設備組合。根據(jù)地理條件，可能需要諸如云端無線存取網(wǎng)絡（C-RAN）、分布式內(nèi)容分發(fā)、可擴展性控制網(wǎng)絡和自適應天線數(shù)組等技術。以C-RAN為例，該新技術極具顛覆力，當多個基地臺單元和相關的控制網(wǎng)絡共同整合于「云端」時，即可提供云端無線接取網(wǎng)絡。

　　為了滿足Cloud RAN、分布式內(nèi)容分發(fā)和可擴展控制網(wǎng)絡的全新平臺需求，業(yè)界已經(jīng)利用一些新興技術取得了重要進展：

　　軟件定義網(wǎng)絡（SDN） 這是一種提供網(wǎng)絡可擴展性連接和簡化傳統(tǒng)網(wǎng)絡的新方式。SDN是由開放網(wǎng)絡基金會（Open Networking Foundation）初步開發(fā)的一套標準，透過隔離控制層和數(shù)據(jù)層，提供網(wǎng)絡功能的抽象層。網(wǎng)絡管理和操作可以集中進行，而不必分散到不同的網(wǎng)絡層和機箱。透過簡化的抽象軟件層進行集中控制帶來了諸多益處，如降低營運成本、提高自動化、控制、靈活性、敏捷性和應用創(chuàng)新。SDN將會改變設備連接到網(wǎng)絡基礎設施的方式，而且接取節(jié)點與聚合節(jié)點之間的連接方式也會相應發(fā)生改變。

　　網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV） 讓傳統(tǒng)功能從所有權(quán)硬件防火墻轉(zhuǎn)移到標準化的服務器、交換器和儲存組件。當這些新功能應用于軟件時，可以輕易地應用于數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡節(jié)點或客戶端的平臺，以充份利用全球網(wǎng)絡效率。因此，NFV的好處包括更少依賴專用硬件來降低資本支出（CapEx）和營運成本（OpEx）。由于更快的配置、測試和整合，使用NFV可加速市場實時服務。

　　為了支持對于延遲敏感的5G功能和終端使用案例，NFV的執(zhí)行必須與優(yōu)化網(wǎng)絡卸除能力匹配，也必須與行動邊緣運算（Mobile Edge Compute）技術搭配，這些技術盡可能地將虛擬化網(wǎng)絡功能貼近接取網(wǎng)絡的邊緣裝置，以避免網(wǎng)絡基礎設施的過度轉(zhuǎn)變。

　　分布式智能 透過支持網(wǎng)絡中更多的分布式智慧，可在云端中已布署的可用資源分配基本的決策點。使用工作負載優(yōu)化的硬件和軟件來確保網(wǎng)絡中各分布點的網(wǎng)絡、儲存和運算功能的實現(xiàn)。工作負載優(yōu)化硬件以高度整合的SoC為基礎，具有異質(zhì)處理能力，使得該硬件可在網(wǎng)絡中變得更智能，即使是微縮至最高功率和外形因子受限的位置。通用的軟件平臺可讓開發(fā)人員和IT用戶更快地部署服務。

　　儲存 隨著5G網(wǎng)絡和服務進展，我們也會看到儲存功能直接融合于基礎設施網(wǎng)絡中。盡管傳統(tǒng)上經(jīng)常將「云端」儲存聯(lián)想到數(shù)據(jù)中心，但我們將逐漸看到儲存遷移至網(wǎng)絡中的所有節(jié)點。5G的核心要求在于高帶寬和低延遲服務，這些要求不僅影響空中接口無線連接，同時也推進整個網(wǎng)絡。分布式儲存以及提高邊緣裝置的智能化，均有利于使傳輸延遲最小化，從而提供所需的服務和智能以實現(xiàn)目標。

　　這些技術標準和架構(gòu)是下一代基礎設施網(wǎng)絡或「智能、靈活云端」的基礎之一。云端之所以靈活是因為能輕松快速滿足不同的網(wǎng)絡要求并且提高5G空中接口的具體挑戰(zhàn)。云端之所以智慧是因為其利用業(yè)務、顧客和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)來加強既有的服務，并且作為創(chuàng)造高度創(chuàng)新和競爭性的新服務的基礎。

　　ARM及其合作伙伴提供基于ARM的通用處理平臺，以滿足實現(xiàn)5G的不同需求。

　　為什么在網(wǎng)絡基礎設施中使用ARM Cortex-A系列的處理器？

　　ARM提供了處理器和互連的IP來滿足網(wǎng)絡基礎設施的需求，而未來的需求也直接推動ARM的發(fā)展藍圖進展。要提供這樣的服務，關鍵在于各式各樣的Cortex A處理器核心和高速快取的一致性互連，例如Cortex-A72、Cortex-A53和互連產(chǎn)品的CCN家族。

　　新的SoC平臺提供了一系列異質(zhì)的CPU、DSP和功能特定的加速器核心，對于滿足吞吐要求、5G部署延遲和靈活性要求至關重要。越來越多的功能將被融合到單一SoC中，這通常將處理多種流量類型，包括數(shù)據(jù)信道有效負載、控制層流量、前端處理和用戶調(diào)度。

　　隨著發(fā)展整合與更高性能SoC的趨勢，將會出現(xiàn)一些處理組件透處理器核心和智能訊號處理組件，以支持突發(fā)性高速流量有效負載和對于延遲敏感的流量。

　　網(wǎng)絡基礎設施應用混合了功能不同的3種層面：控制層處理、封包或回程網(wǎng)絡處理，以及在任一特定SoC裝置上可用核心叢集之間事件或流量的調(diào)度。

　　5G基地臺設備具有與5G核心設備完全不同的功能。設計者必須確定處理器功能的最佳組合以因應所需的處理，從可取得的技術中做出選擇，盡快提供自己的設計以抓住市場機遇。

　　控制層 控制層的功能要求每個封包處理量最大化，每個封包涉及數(shù)以萬計的指令，通常是以「從執(zhí)行到完成」的模式分配。亂序和多級管線可以非常有效的利用。

　　具備虛擬化功能的高性能核心能夠滿足控制層、內(nèi)容發(fā)布網(wǎng)絡和其他要求高單線程功能的需求。在控制層執(zhí)行的應用包括NFV、用于云端和邊緣網(wǎng)絡的CDN和要求更多性能的潛在新興遠程接取技術（如5G）。

　　數(shù)據(jù)層 網(wǎng)絡的邊緣能夠達到幾百Mbps或Gbps范圍的數(shù)據(jù)速率；存取/云端部份則可體驗1-10Gbps的數(shù)據(jù)速率；核心則可處理20至幾百Gbps的數(shù)據(jù)。和控制面板不同的是，此處的挑戰(zhàn)在于處理回程網(wǎng)絡流量的爆發(fā)、處理標頭并將資料置于緩沖器內(nèi)而不至于遺失任何封包。DSP在此為數(shù)據(jù)層提供專用且優(yōu)化的指令集，并卸除CPU的高功耗和運算密集功能。

　　除了用于控制處理的每個數(shù)據(jù)封包數(shù)以萬計的指令，數(shù)據(jù)封包處理可能僅僅使用幾百個指令/數(shù)據(jù)封包。存取高速緩沖存儲器（指令、數(shù)據(jù)、L2和L3）和外部內(nèi)存對數(shù)據(jù)封包處理來說也是不同的。

　　數(shù)據(jù)和控制處理之間存在一個重要的區(qū)別。ARM使用「無狀態(tài)」（stateless）和「有狀態(tài)」（statful）的術語來區(qū)別這兩個概念。無狀態(tài)處理使用巨量的小核心來處理進入SoC數(shù)據(jù)封包的數(shù)據(jù)串流。每個核心以「從執(zhí)行到完成的模式」執(zhí)行，從而為數(shù)據(jù)標頭分類，并將數(shù)據(jù)封包納入內(nèi)存。每個數(shù)據(jù)封包單獨的處理；核心只知悉之前的任何數(shù)據(jù)封包。核心的數(shù)量和互連的尺寸僅僅根據(jù)接口速度變化。相反地，有狀態(tài)處理適用于更高層級的決策，數(shù)據(jù)封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，尤其是控制層。

　　調(diào)度 5G系統(tǒng)的另一個挑戰(zhàn)在于與前兩個密切相關。對于用戶接取調(diào)度，如果需要按照可獲得的空中接口帶寬調(diào)度用戶，延遲是關鍵。以LTE為例，空中界面可能有幾百個用戶將被調(diào)度到自己的時隙中。所有這一切都需要按照5G標準的時間限制透過幾個核心進行運算：可能小于0.5ms。這涉及很多優(yōu)先計算、接收和傳輸任務的調(diào)度以及從DSP、處理器和內(nèi)存接收和發(fā)送訊號。因此，在異質(zhì)架構(gòu)下使用多個核心并在多核心間切換的能力至關重要。

　　技術要求 隨著智能連網(wǎng)裝置上的數(shù)據(jù)消耗量急速增加、新的空中接口技術（如5G）的推動，系統(tǒng)設計人員的挑戰(zhàn)是必須在相同功率和尺寸下提供更高性能的設計。ARM持續(xù)開發(fā)IP以支持更高性能且多核心的處理器。一致的互連、性能優(yōu)化的實體與邏輯IP，均支持靈活的異質(zhì)架構(gòu)，確保滿足5G性能的要求。

　　新的ARM核心，如Cortex-A72和Cortex-A53，使其性能/功耗和性能可擴展性目標能夠在下一代SoC設計上實現(xiàn)。此外，在研發(fā)預算受到挑戰(zhàn)的當下，具備良好支持力度的軟件和工具生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)標準指令集架構(gòu)（ISA）使得SoC設計管理人員能夠更快地將產(chǎn)品投入市場、節(jié)約研發(fā)資金，以及開發(fā)具有附加價值和差異化專用的特點。

　　總結(jié)

　　過去20年來，ARM持續(xù)作為行動變革的核心。從早期的2G手機、3G再到LTE，已經(jīng)有超過200億支手機采用ARM技術作為蜂巢式調(diào)制解調(diào)器的核心。以ARM為基礎的調(diào)制解調(diào)器讓日常生活中不可缺少的智能型手機變成現(xiàn)實。

　　隨著LTE日益成熟，我們已經(jīng)讓連接數(shù)字生活的各方面成為現(xiàn)實。除了電子郵件、新聞和社群媒體等信息服務，我們看到更復雜的使用案例擴展至日常生活各方面，如健康、福利、醫(yī)療等等。就算是這些裝置的外形已經(jīng)開始發(fā)生變化并且突破傳統(tǒng)智能型手機的限制；新的應用，如可穿戴式裝置，也已經(jīng)與日常生活無縫銜接。

　　展望手機發(fā)展的未來十年，我們可以有哪些期待呢？對于服務的更多需求也為服務我們的網(wǎng)絡提出了更大容量的要求。更有效地利用無線頻譜是至關重要的，這將使產(chǎn)業(yè)研究進展至5G無線通信系統(tǒng)。提高行動網(wǎng)絡的容量，不僅能服務更多的用戶，隨著世界在物聯(lián)網(wǎng)這把大傘下相互連接，也為更多的對象或裝置提供服務。透過更有效率地使用和監(jiān)控資源實現(xiàn)低碳經(jīng)濟、透過遠程醫(yī)療實現(xiàn)醫(yī)療保健或車聯(lián)網(wǎng)等，都還只是得益于持續(xù)行動變革的幾個應用領域。

　　正如我們?yōu)榱藢崿F(xiàn)各種優(yōu)勢而建立了這些接取技術一樣，對于下一代行動裝置，我們也必須提供先進的處理能力。透過像ARM Cortex-R8兼具高效節(jié)能、實時處理的處理器，將有助于實現(xiàn)這一愿景，讓裝置供貨商和OEM拓展5G的更多潛力。