隨著無線產業加速為下一代行動寬頻裝置進行標準化,即實現所謂的「5G」, 本文將探討這對於最終將實現的技術、挑戰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即時處理器實現multi-Gigabit(Gb)新系列產品的同時,仍然以低功耗作為設計核心。

快節奏的行動寬頻革命

隨著行動寬頻持續變革,我們看到新的使用案例不斷湧現。5G的出現將繼續推動常時開啟、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Gb級服務一樣,5G也承諾支援低吞吐量、能量受限的裝置或所謂的「大規模機器類通訊」(mMTC)。我們看到如今LTE中出現了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。

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

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

低碳經濟可能是未來十年內實現已開發世界的最大挑戰之一。透過高效可靠的無線網際網路廣泛利用,將有助於實現低碳經濟,因為它能確保效率並促成更高度的控制和融合。從管理智慧街道照明、遠端排放監控、公共運輸與公共資訊,5G將為日常生活帶來無限可能。就連5G網路系統架構本身也要求降低功耗,這可為行動運營商降低運營成本,並極大地降低碳排放。

除了在家庭中,5G還能在開車時帶來全新體驗。5G被視為「超越行動網際網路」的技術。其高性能和低延遲的特點,使其能夠以傳統4G/Wi-Fi服務部署於以往難以企及的領域。例如,連網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,用於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務需求量激增,對於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「區段」或「載波」,可以應用於不同領域,例如TV、Wi-Fi、藍牙或手機。而諸如美國聯邦通訊委員會(FCC)和英國的通訊管理局(OFCOM)等監管機關則按區域分配頻譜以用於不同領域。

在早期手機出現之際相對簡單,頻譜被劃分為幾個區間(通常以拍賣方式進行),目的在於提供以語音為基礎的服務——在其本質上只消耗很少量的頻譜。過去十年來,隨著智慧型手機的出現,改變了這種情形,頻譜也越來越被廣泛用於行動寬頻業務。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。如果你將這一數字乘以用戶數,很快就會發現行動資料供不應求,而傳統意義上的頻譜分配並未跟上這一變化。

因此,整個產業如何在提供行動寬頻體驗方面跟上變化,而這對未來十年的手機技術挑戰又意味著什麼?

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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),可用於協助緩解壓力並提供更高效的服務。從3G系統到LTE,我們看到資料速率不斷提高,儘管這部份的成果來自於更複雜的調變和MIMO技術,但吞吐量的增加主要受益於載波聚合的進展,使其得以更有效地利用分段式的頻譜。

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授權頻段是對於頻譜使用加以特定限制的一部份頻譜;例如某個頻譜區間可能僅限於手機業務使用,並分配給某家特定的手機業者。授權頻段的優勢在於營運商可以完全控制該部份的頻譜,因而能夠管理服務品質(QoS)並提供相應的服務。授權頻段的侷限在於它是一種更加寶貴的資源,因而無法滿足行動數據不斷成長以及用戶群體快速增加的要求。

為了克服這種侷限,營運商越來越關注於如何將未授權頻段和既有的授權頻段服務結合起來。我們看到越來越多未授權頻段導入載波聚合,讓裝置能夠同時使用授權頻段(通常作為控制通道)和未授權頻段,將任務卸載至諸如Wi-Fi和新興LTE等未授權技術中。3GPP中有許多LTE標準的更多優勢著重於這些未授權卸載技術的管理。

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

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5G的核心將帶來新的調變機制以及日益複雜的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範圍,遠遠超出如今在LTE中看到的頻帶,原因在於協調各頻段間的接取技術,並致力於在增加下一代服務容量的同時也實現效率最大化。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可支援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」和基地台範圍內幾十公尺內作業,這在本質上將為部署帶來挑戰。

所以,這一切對於智慧型手機的未來意味著什麼?尤其是針對數據機基頻處理?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:

  • 資料速率持續上升 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 吞吐量和網路容量最終將由日益複雜的載波聚合提供。透過聚合途徑讓手機的數據機處理器具有較高的處理複雜度,因為它必須平行提供多個無線存取承載服務。這個主題將持續成為LTE技術((LTE-Advanced Pro)和5G技術進化的關鍵。
  • 持續為行動裝置推動能效和電池續航力最大化 由於引進了新的接取技術,但不能影響或折衷用戶體驗,因此,在進行手機數據機設計時必須將功效置於設計的核心。

以下將以ARM Cortex-R8處理器為例,討論它如何協助設計者滿足上述需求,在兼顧上一代3G、LTE等技術的後向相容性之際,同時支援傳統技術持續用於當今的多模裝置中。

Cortex-R8:下一代行動寬頻核心

Cortex-R8處理器是ARM最高性能的嵌入式即時處理器,採用成熟技術並進一步提升性能至更高層次。該處理器管線採用ARM為最高性能應用處理器開發的技術,並使其於提供最高性能的同時,也滿足「硬即時」(hard real-time)的要求。

「硬即時」是指處理器即使是在已知最糟(決定性的)情況的延遲下,仍能非常快速地切換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,讓來自系統其他部份的中斷能夠被偵測到,並迅速採取行動解決。在LTE-Advanced Pro和5G數據機的第一層(Layer 1) 控制任務將處理多載波以及很高的數據速率。

因此,處理器必須以很高的時脈頻率執行,並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等未授權載波提供的資料和資料封包速率比LTE更高,而結合並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,能以極其快速的時脈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資料時,也可以繼續進行處理,因而大幅減少管線的「停滯」,並盡可能提供最佳性能。

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Cortex-R8也增強了緊密耦合記憶體(TCM),讓更多程式碼與資料能儲存於快速記憶體中,因此在存取重要程式和資料時不至於延遲。相較於由處理器管理的快取,TCM是由開發人員管理的,因而能夠迅速取得重要的指令和資料結構。在數據機中有一些非常關鍵的即時程式,而其他並不是那麼重要程式可以在後台執行。

Cortex-R8可使多達4個處理器整合於單一的叢集中。就數據機而言,這些處理器通常是以不對稱的處理模式執行以獲得最佳效率。而且,它能在手機處於閒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商能夠透過單次的軟體投資和可擴展性能,開發出因應不同LTE類型的各種數據機。

Cortex-R8可在諸多的介面埠中靈活選擇,從而連接至其他數據機系統。用於控制外部硬體和加速器的專用埠提供最低的延遲控制,以確保在複雜系統中盡可能實現最佳性能。

然而,Cortex-R8並不僅僅用於數據機設計,其先進性能也適用於企業儲存產品,包括HDD和SSD以及其他需要可擴展的嵌入式即時平台。Cortex-R8並建置新的錯誤檢測、校正和控制機制,盡可能地確保可靠性。

提供下一代行動寬頻體驗

如同針對5G打造全新最佳化且高效率的空中介面一樣,支援5G基礎設施要求的改進型網路必須能夠簡化管理與協調層(orchestration layer),從而簡化底層硬體和軟體的複雜度。

為了成功部署新的5G基礎設施,需要不同的設備組合。根據地理條件,可能需要諸如雲端無線存取網路(C-RAN)、分散式內容分發、可擴展性控制網路和自適應天線陣列等技術。以C-RAN為例,該新技術極具顛覆力,當多個基地台單元和相關的控制網路共同整合於「雲端」時,即可提供雲端無線接取網路。

為了滿足Cloud RAN、分散式內容分發和可擴展控制網路的全新平台需求,業界已經利用一些新興技術取得了重要進展:

軟體定義網路(SDN) 這是一種提供網路可擴展性連接和簡化傳統網路的新方式。SDN是由開放網路基金會(Open Networking Foundation)初步開發的一套標準,透過隔離控制層和數據層,提供網路功能的抽象層。網路管理和操作可以集中進行,而不必分散到不同的網路層和機箱。透過簡化的抽象軟體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、敏捷性和應用創新。SDN將會改變設備連接到網路基礎設施的方式,而且接取節點與聚合節點之間的連接方式也會相應發生改變。

網路功能虛擬化(NFV) 讓傳統功能從所有權硬體防火牆轉移到標準化的伺服器、交換器和儲存元件。當這些新功能應用於軟體時,可以輕易地應用於資料中心、網路節點或用戶端的平台,以充份利用全球網路效率。因此,NFV的好處包括更少依賴專用硬體來降低資本支出(CapEx)和營運成本(OpEx)。由於更快的配置、測試和整合,使用NFV可加速市場即時服務。

為了支援對於延遲敏感的5G功能和終端使用案例,NFV的執行必須與最佳化網路卸載能力匹配,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路功能貼近接取網路的邊緣裝置,以避免網路基礎設施的過度轉變。

分佈式智慧 透過支援網路中更多的分佈式智慧,可在雲端中已佈署的可用資源分配基本的決策點。使用工作負載最佳化的硬體和軟體來確保網路中各分佈點的網路、儲存和運算功能的實現。工作負載最佳化硬體以高度整合的SoC為基礎,具有異質處理能力,使得該硬體可在網路中變得更智慧,即使是微縮至最高功率和外形因數受限的位置。通用的軟體平台可讓開發人員和IT用戶更快地部署服務。

儲存 隨著5G網路和服務進展,我們也會看到儲存功能直接融合於基礎設施網路中。儘管傳統上經常將「雲端」儲存聯想到資料中心,但我們將逐漸看到儲存遷移至網路中的所有節點。5G的核心要求在於高頻寬和低延遲服務,這些要求不僅影響空中介面無線連接,同時也推進整個網路。分佈式儲存以及提高邊緣裝置的智慧化,均有利於使傳輸延遲最小化,從而提供所需的服務和智慧以實現目標。

這些技術標準和架構是下一代基礎設施網路或「智慧、靈活雲端」的基礎之一。雲端之所以靈活是因為能輕鬆快速滿足不同的網路要求並且提高5G空中介面的具體挑戰。雲端之所以智慧是因為其利用業務、顧客和網路資料來加強既有的服務,並且作為創造高度創新和競爭性的新服務的基礎。

ARM及其合作夥伴提供基於ARM的通用處理平台,以滿足實現5G的不同需求。

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為什麼在網路基礎設施中使用ARM Cortex-A系列的處理器?

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

新的SoC平台提供了一系列異質的CPU、DSP和功能特定的加速器核心,對於滿足吞吐要求、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,包括數據通道有效負載、控制層流量、前端處理和用戶調度。

隨著發展整合與更高性能SoC的趨勢,將會出現一些處理元件透處理器核心和智慧訊號處理元件,以支援突發性高速流量有效負載和對於延遲敏感的流量。

網路基礎設施應用混合了功能不同的3種層面:控制層處理、封包或回程網路處理,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度。

5G基地台設備具有與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,每個封包涉及數以萬計的指令,通常是以「從執行到完成」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、內容發佈網路和其他要求高單執行緒功能的需求。在控制層執行的應用包括NFV、用於雲端和邊緣網路的CDN和要求更多性能的潛在新興遠端接取技術(如5G)。

數據層 網路的邊緣能夠達到幾百Mbps或Gbps範圍的資料速率;存取/雲端部份則可體驗1-10Gbps的資料速率;核心則可處理20至幾百Gbps的數據。和控制面板不同的是,此處的挑戰在於處理回程網路流量的爆發、處理標頭並將資料置於緩衝器內而不至於遺失任何封包。DSP在此為數據層提供專用且最佳化的指令集,並卸載CPU的高功耗和運算密集功能。

除了用於控制處理的每個數據封包數以萬計的指令,數據封包處理可能僅僅使用幾百個指令/數據封包。存取高速緩衝記憶體(指令、數據、L2和L3)和外部記憶體對數據封包處理來說也是不同的。

數據和控制處理之間存在一個重要的區別。ARM使用「無狀態」(stateless)和「有狀態」(statful)的術語來區別這兩個概念。無狀態處理使用巨量的小核心來處理進入SoC數據封包的數據串流。每個核心以「從執行到完成的模式」執行,從而為數據標頭分類,並將數據封包納入記憶體。每個數據封包單獨的處理;核心只知悉之前的任何數據封包。核心的數量和互連的尺寸僅僅根據介面速度變化。相反地,有狀態處理適用於更高層級的決策,數據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。

調度 5G系統的另一個挑戰在於與前兩個密切相關。對於用戶接取調度,如果需要按照可獲得的空中介面頻寬調度用戶,延遲是關鍵。以LTE為例,空中介面可能有幾百個用戶將被調度到自己的時隙中。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:可能小於0.5ms。這涉及很多優先計算、接收和傳輸任務的調度以及從DSP、處理器和記憶體接收和發送訊號。因此,在異質架構下使用多個核心並在多核心間切換的能力至關重要。

技術要求 隨著智慧連網裝置上的資料消耗量急速增加、新的空中介面技術(如5G)的推動,系統設計人員的挑戰是必須在相同功率和尺寸下提供更高性能的設計。ARM持續開發IP以支持更高性能且多核心的處理器。一致的互連、性能最佳化的實體與邏輯IP,均支援靈活的異質架構,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。此外,在研發預算受到挑戰的當下,具備良好支援力度的軟體和工具生態系統的產業標準指令集架構(ISA)使得SoC設計管理人員能夠更快地將產品投入市場、節約研發資金,以及開發具有附加價值和差異化專用的特點。

總結

過去20年來,ARM持續作為行動變革的核心。從早期的2G手機、3G再到LTE,已經有超過200億支手機採用ARM技術作為蜂巢式數據機的核心。以ARM為基礎的數據機讓日常生活中不可缺少的智慧型手機變成現實。

隨著LTE日益成熟,我們已經讓連接數位生活的各方面成為現實。除了電子郵件、新聞和社群媒體等資訊服務,我們看到更複雜的使用案例擴展至日常生活各方面,如健康、福利、醫療等等。就算是這些裝置的外形已經開始發生變化並且突破傳統智慧型手機的限制;新的應用,如可穿戴式裝置,也已經與日常生活無縫銜接。

展望手機發展的未來十年,我們可以有哪些期待呢?對於服務的更多需求也為服務我們的網路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,這將使產業研究進展至5G無線通訊系統。提高行動網路的容量,不僅能服務更多的用戶,隨著世界在物聯網這把大傘下相互連接,也為更多的物件或裝置提供服務。透過更有效率地使用和監控資源實現低碳經濟、透過遠端醫療實現醫療保健或車聯網等,都還只是得益於持續行動變革的幾個應用領域。

正如我們為了實現各種優勢而建立了這些接取技術一樣,對於下一代行動裝置,我們也必須提供先進的處理能力。透過像ARM Cortex-R8兼具高效節能、即時處理的處理器,將有助於實現這一願景,讓裝置供應商和OEM拓展5G的更多潛力。