人们谈论5G时，往往想到的是5G智能手机和5G高速宽带。但实际上，这只是5G的众多用例之一。
除提高性能外，5G还提供诸多其他功能，例如低延迟、低功耗、强大的安全性和网络切片。这意味着对于广泛的应用来说，5G都是一项有吸引力的技术。这些应用包括物联网(IoT)、可穿戴设备、虚拟现实(VR)/增强现实(AR)耳机和虚拟世界、监控、医疗保健、工业、汽车等，实际上还有很多。
预计到2026年，工业领域的机器对机器(M2M)应用将占5G非手机用量的70%，尤其是在中国。根据爱立信移动报告预测，到2027年，蜂窝物联网连接数将从2021年的19亿增加到55亿。
图1:5G应用集。
对于这些其他应用，大多数都需要嵌入式无线产品，这些产品能够在高性能、低延迟(URLLC-参见图1)和低功耗之间保持平衡。这些应用通常不需要5G的高速增强移动宽带功能，也许只是从传感器或边缘设备发送小数据包。任何特定的应用都有自己的一系列需求，这就意味着需要针对各种情况灵活地优化解决方案。
过去，宽带蜂窝无法为许多用例提供理想的解决方案，因为可用的产品功耗太大且不够紧凑。相反，首选技术通常是Wi-Fi或蓝牙——作为蜂窝以外的替代品，虽然目前两者都还有其相应的位置，然而，它们都提供不了5G的所有功能和性能、也不具备连接公网的能力。
不过，随着低容量5G标准(RedCap)的开发，这种情况将发生改变。新的5GRedCap标准，也称为NR-Lite，对于非手机应用将非常重要。该标准提供与LTECat4相当的性能，速率大约为85Mbps(单天线/层模式)，延迟得到改进，同时可提供5G的一些其他功能，如定位(个人跟踪器中消费潜力巨大)、mmWave和免许可频段以及网络切片。RedCap可以采用比“标准”5G更简单的解决方案，同时降低了功耗，从而可实现低成本的5G部署。RedCap承诺将基带集成到系统级芯片(SoC)中，集成具有成本效益的射频IC，并支持真正的半双工模式。
表1：RedCap与传统蜂窝技术的比较。
RedCap预计将广泛用于工业传感器、监控摄像头(用于智慧城市和家庭安全)和可穿戴设备等用例中。其技术规范将在5GRelease17中最终确定，预计将于2022年完成。首批RedCap模块可能会在2023年末或2024年上市，RedCap将在本年代的后半期开始获得可观的市场份额。
研发需求
一旦半导体公司和OEM厂商确定开发5G技术，就需要采购或开发合适的组件。具体来说，5G调制解调器是整个系统的重要组成部分，它极大地影响着所设计5G设备的性能、成本和功耗。
现有供应商(如高通)可提供5G调制解调器现成部件。然而，这些调制解调器芯片可能相对昂贵，并且没有很好地集成到SoC中来降低成本。
相反，OEM厂商可能希望开发定制应用的5G调制解调器。除了保持低成本(许多对价格敏感的应用之必需)外，还希望能够根据定制要求对5G调制解调器进行优化。通过创建自己的5G调制解调器，公司可以在性能、功耗和延迟之间选择准确的折衷。另外还可以将5G基带集成到SoC中，如图2所示。
图2：5G RedCap作为可穿戴设备连接选项的一部分。
随着外形尺寸越来越小，特别是物联网设备，实现紧凑的解决方案非常重要。一个具有吸引力的解决方案是单芯片方案，即把来自一个或多个供应商的IP集成在一片SoC中，而标准现货5G芯片采用的则是多芯片解决方案。
但是，开发5G调制解调器是一项艰巨而复杂的任务。过去，公司可以从数字信号处理器(DSP)内核开始，然后主要在软件中实现调制解调器。如今这种方法已显不足，原因是功耗太高，故在大多数用例中都无法采用。为了提供足够高的效率，设计师还需要进行许多优化，并在专用硬件加速器中对许多基带处理进行加速，这对于大多数产品设计团队来说，可能是一项艰巨的任务。
灵活的平台解决方案
上面已经讨论了5G调制解调器设计的两个选项。选项一是购买专用调制解调器芯片，缺点是成本高昂且无法优化，还可能意味着需要依赖外部供应商的路线图——从而使自己的长期规划变得困难，并增加了对设计产生负面影响的变更风险。选项二是将大量资源用于内部开发，即便是可以雇用足够多的合适人选，但所有事情都要自己做，这将对上市时间产生重大影响并增加风险。
新的技术已经开始支持第三种方式，即：利用可以集成到自己的SoC中的灵活硬件和软件平台。这种方法为全IP平台，例如CEVA的PentaG2，它将DSP与加速器结合在一起来进行基带处理，其主要优势之一就是灵活性。还有一点就是能以具有成本效益的方式设计高性能、低功耗调制解调器，这一点也很重要，因为所涉及的某些技术(例如RedCap)尚未完全标准化。这意味着任何解决方案都可能需要重新设计，以满足3GPP规范的未来变化，因此无论是硬件/软件分区，还是使用可配置和灵活的硬件加速器都至关重要。
借助基于IP的灵活平台，还可以在SoC上引入自己的专有算法和IP，例如信道估计、前向纠错或高级均衡。这可以作为平台提供的主IP块的补充，或者可以取代平台上的一个或多个标准加速器。
所需的修改量取决于应用程序。例如，AR/VR耳机需要提供极低的延迟和卓越音质，才能保持良好的用户体验——而5G是唯一能够满足这些要求的技术。作为便携式消费设备，大多数AR/VR产品的成本和功耗也可能受到严格限制。为了满足所有这些相互冲突的需求，设计团队可能不得不在其产品中广泛定制5G调制解调器。
结论
总而言之，对于开发5G调制解调器的半导体公司和OEM厂商来说，无论是面向物联网等新市场，还是仅仅针对5G手机领域，灵活的硬件/软件平台都将显着降低入围门槛。通过这种平台方法，设计人员可以将5G调制解调器集成到自己的SoC中，并且利用合适的平台，可以实现可扩展性和灵活性，从而可以针对定制需求来对5G设计进行优化。
(参考原文：Developing 5G Modems in Non-Handset Applications）
本文为《电子工程专辑》2022年8月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订
