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    2027年蜂窩物聯網連接將增至 55 億

    2022-08-12 14:32 電子發燒友
    關鍵詞:5GRedCap物聯網

    導讀:談到5G無線時,我們往往會想到智能手機,并關注 5G 可以提供的高速寬帶。但智能手機只是 5G 的眾多用例之一。

    談到5G無線時,我們往往會想到智能手機,并關注 5G 可以提供的高速寬帶。但智能手機只是 5G 的眾多用例之一。

    5G 除了高性能之外,還兼具其他特性,例如低延遲、低功耗、安全性好,并采用網絡切片技術。也就是說,5G 一種極具吸引力的技術,適用于各種應用領域,包括物聯網、可穿戴設備、VR/AR 頭盔和元宇宙、監控、醫療保健、工業、汽車等。

    事實上,到 2026 年,工業機器對機器 (M2M) 應用預計將占 5G 非手機銷量的 70%,尤其是在中國;同時,《愛立信移動市場報告》預測,2027 年蜂窩物聯網連接將從 2021 年的 19 億增至 55 億。

    圖 1:5G 應用

    就此類其他應用而言,其中大多數應用都需要嵌入式無線產品,才能在足夠的性能、低延遲(URLLC – 參見圖 1)和低功耗之間實現平衡。這些應用通常無需高速的 5G eMBB(增強型移動寬帶)功能,可能只是從傳感器或邊緣設備發送小數據包。鑒于任何特定應用都有自己的一套要求,在為每種用例提供優化解決方案時就需要靈活應對。

    過去,蜂窩寬帶無法為上述眾多用例提供合適解決方案,原因是可用產品耗電過多且不夠緊湊。因此上述眾多用例的首選技術通常是Wi-Fi或藍牙。盡管這兩者現在仍然是蜂窩網絡的替代產品,但他們既無法提供 5G 的所有功能和性能,也不能連接到公共網絡。

    隨著 5G RedCap(低容量)的發展,這種狀況將會發生變化。新的 5G RedCap 標準也稱為 NR-Lite,對于非手機應用而言,具有非常重要的意義。它提供的性能與 LTE Cat4 相當,速度約為 85 Mbps(用于單天線/層模式),同時降低了延遲,并兼具其他 5G 特性,如定位(在個人追蹤器領域具有吸引消費者的巨大潛力)、毫米波和未經許可頻譜、網絡切片等。與“標準”5G 相比,RedCap 支持使用更簡單的解決方案,功耗更低,進而可實現低成本的 5G 部署。RedCap 提供將基帶集成到 SoC 中的新選項,具有經濟實用的RFIC 集成,支持真正半雙工工作模式,能夠降低復雜性。

    表 1:RedCap 對比傳統蜂窩技術

    RedCap 預計將廣泛用于工業傳感器、監控攝像頭(用于智能城市和家庭安全)和可穿戴設備等用例。其技術規范將在 5G Release17 中最終確定,并預計將在 2022 年完成。第一批 RedCap 模塊可能會在 2023 年底或 2024 年推出。根據預測,RedCap 將在未來十年的后半段開始占據可觀的市場份額。

    開發需求

    一旦確定 5G 是適合自身的技術,半導體公司和 OEM 就需要采購或開發相應的組件。具體來說,5G 調制解調器是整個系統的重要組成部分,會極大地影響正在設計的 5G 設備的性能、成本和功耗。

    高通之類的現有供應商以現成部件的形式提供 5G 調制解調器。但他們提供的調制解調器芯片的成本可能相對高昂,并且沒有很好的 SoC 集成路徑來降低成本。

    相反,OEM 可能希望在內部開發特定應用的 5G 調制解調器。除了保持低成本(這是許多價格敏感型應用所必需的)外,這種專用的 5G 調制解調器還將使他們能夠針對自己的特定需求優化 5G 調制解調器。通過打造自己的 5G 調制解調器,各公司可以選擇在性能、功耗和延遲之間折中的合適方案。另外,OEM 還可以將 5G 基帶集成到連接 性SoC 中,。

    由于外形越來越小,尤其是物聯網應用中,因此實現緊湊型解決方案也很重要。就此而言,使用片上系統 (SoC) 是其中一種具有吸引力的解決方案,具體而言就是將一個或多個供應商的知識產權 (IP) 集成到一個芯片解決方案中,相比之下,使用標準的現成 5G 芯片則需要多芯片解決方案。

    盡管這種想法是非常棒的,但開發 5G 調制解調器是一項困難且復雜的任務。過去,公司可以從DSP內核著手,然后主要在軟件中實施調制解調器。如今,這還不夠,因為這種方案的功耗太高,無法用于大多數用例。要想實現足夠高的效率,就需要進行眾多優化,就需要加入專用的硬件加速器的加速基帶處理。對于大多數產品設計團隊來說,這可能是一項艱巨的任務。

    靈活的平臺方案

    到目前為止,我們已經了解針對 5G 調制解調器的兩個選項。第一種選項是,購買專用調制解調器芯片,可能成本高昂且缺乏靈活性,也就是說您需要受制于外部供應商的發展路線圖,難以做出長期規劃,增加更換風險,可能對設計產生負面影響。第二種選項是,投入大量資源進行內部開發,但這種做法會大大影響上市時間并增加風險。

    還有第三種選項:使用可集成到您 SoC 的靈活硬件和軟件平臺。這種方案的一個主要優點是靈活,比如說CEVA的 PentaG2,這是一款結合使用 DSP 與加速器來處理基帶的完整 IP 平臺。除了以經濟實用的方式設計高性能且節能的調制解調器外,這種帶有靈活性的方案也十分重要,因為涉及的一些技術(如 RedCap)尚未完全標準化。這就意味著任何解決方案都可能需要重新設計才能滿足未來 3GPP 規格更改的需求,因此硬件/軟件分區將起到非常重要的作用,并且還需要使用可配置的靈活硬件加速器。

    借助基于 IP 的靈活平臺,還可以引入自己的專有算法和 IP(例如信道估計、前向糾錯 (FEC) 或高級均衡)在 SoC 上運行。這可以充當平臺提供的主要 IP 塊的補充,也可以替代平臺的一個或多個標準加速器。

    所需的修改量取決于應用。例如,AR/VR 頭盔需要提供非常低的延遲和出色的服務質量 (QoS) 才能維持良好的用戶體驗,而 5G 是唯一能夠滿足這些要求的技術。除此之外,大多數 AR/VR 產品作為便攜式消費類電子設備時,成本和功耗也可能受到嚴格限制。有鑒于此,為了滿足所有這些相互沖突的需求,設計團隊可能必須在其產品中廣泛定制 5G 調制解調器。

    結論

    目前為止,有兩種主要選項可用來開發 5G 調制解調器:從調制解調器供應商處購買現成芯片或進行自主開發。這兩種選項都有缺點:第一種選項的缺點是 5G 調制解調器芯片價格可能十分高昂,您也無法優化其設計。另一種選項的缺點是,即使您能夠雇傭到足夠多的合適人員,凡事親力親為,也可能速度較慢,成本高昂且風險較大。

    相反使用靈活的硬件/軟件平臺(如 PentaG2)則可以大大降低半導體公司和希望自行處理 5G 調制解調器設計的 OEM 的準入門檻,而無論是開拓物聯網之類的新市場,還是僅僅面向 5G 手機而言。借助這種平臺方案,設計師可以將其 5G 調制解調器集成到 SoC 中,利用其可擴展性和靈活性來優化 5G 設計以滿足其特定需求。


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