談起5G無線，我們大多會想到智慧型手機，並著重於5G所能提供的高速寬頻，但智慧型手機只是5G眾多使用案例的其中之一。
除了提升效能之外，5G還提供其他功能，例如低延遲、低耗電量、良好的安全性和網路切片。這表示5G對於物聯網、穿戴式裝置、VR/AR頭戴式裝置，以及元宇宙、監控、醫療保健、工業、汽車等多種應用而言，都是吸睛的技術。
事實上，預計到2026年時，工業機器對機器(M2M)應用會佔5G非手持裝置70%的流量，尤其以中國最為明顯，而《愛立信行動趨勢報告》(Ericsson Mobility Report)則預測，行動數據物聯網連線數量將由2021年的19億上升到2027年的55億。
圖1：5G應用裝置。
大部分非手持裝置的5G應用皆需要嵌入式無線產品，以便在超可靠低延遲(URLLC，圖1)與低耗電量之間取得平衡。這類應用裝置通常不需要5G增強型行動寬頻(eMBB)功能的高速連線，因為它們可能只是從感應器或邊緣裝置傳送小型資料封包。任何特定的應用裝置都會有其需求組合，這表示要有視情況調整的彈性，才能針對各個案例提供最佳化的解決方案。
在過去，因為行動數據寬頻產品的用電量太多，而且體積不夠小巧，所以無法為許多使用案例提供適當的解決方案。這導致當時偏好的技術通常是Wi-Fi或藍牙，雖然兩者現在仍可作為行動網路的替代方案，但無法提供5G的所有功能與效能，或是無法連線至公用網路。
隨著5G降低能力(RedCap)的開發，這樣的現況即將迎來改變。新的5G RedCap標準又稱為NR-Lite，對於非手持應用裝置來說將會非常重要。其效能相當於LTE Cat.4，約85Mbps (在單一天線/層模式的情況下)，延遲也有所改善，並具備其他5G功能，例如定位(在個人追蹤器領域具有龐大的消費性商品潛力)、毫米波與免授權頻段、網路切片等。RedCap讓解決方案的使用更簡單，相較於「標準」的5G，耗電量更低，進而實現低成本的5G部署。RedCap提供全新的SoC基頻整合選項，並具備符合成本效益的RFIC整合，可支援複雜性較低的真實半雙工操作模式。
表1：RedCap與傳統行動數據技術的比較。
RedCap預期會廣泛用在多種情況下，例如工業感應器、監視攝影機(智慧城市和家庭安全皆可用到)，以及穿戴式裝置。其規格將於5G Release 17定案，預計將於2022年完成。第一批RedCap模組很可能在2023年底或2024年推出，RedCap將於2025~2029年開始搶下大量市佔率。
開發需求
一旦決定5G是最適合的技術，半導體公司和OEM便需要取得或開發適當的元件。具體來說，5G數據機是整體系統的重要一環，會大幅影響藉以設計出的5G裝置的效能、成本及耗電量。
5G數據機可當成現成零件由Qualcomm等現有廠商購買。然而，這些數據機晶片相對昂貴，而且沒有合適的SoC整合路徑能藉以降低成本。
反之，OEM可能會想要自行開發特定應用的5G數據機。許多價格敏感的應用必須壓低成本，而自行開發除了能降低成本，也讓這些OEM得以針對自己的特定需求最佳化5G數據機。透過開發自己的5G數據機，企業可以確切選擇要在效能、耗電量還是延遲上做出讓步。OEM亦可將5G基頻整合至連線SoC，如圖2所示。
圖2：5G RedCap為穿戴式裝置連線選項組合的一部分。
由於外型規格越來越小(對物聯網而言裝置更是如此)，實現小型解決方案也非常重要。理想的解決方案是採用SoC，並將一或多個供應商的智慧財產(IP)整合至單一晶片解決方案。相較之下，標準的現成5G晶片會需要多晶片解決方案。
雖然聽起來很美好，但開發5G數據機卻是一項困難又複雜的工作。在過去，公司可以從DSP核心開始，然後將數據機主要運用在軟體上。但以現在來說，這還不夠好，因為這種方法的耗電量過高，無法用於大部分的使用案例。為了提供夠高的效率，必須進行許多最佳化作業，並加速專用硬體加速器中的許多基頻操作，這對大多數產品設計團隊來說可能是一項艱鉅的任務。
彈性的平台方法
以上已經探討了兩個5G數據機選項。首先，購買專用的數據機晶片，不但可能成本昂貴、沒有彈性，也代表必須仰賴外部供應商的發展藍圖，導致長期規劃困難，而且產品變更對設計造成負面影響的風險也會增加。第二個選項是將許多資源投入內部開發，但這會對上市時間造成重大影響，進而增加風險。
但其實還有第三種方法：使用可整合至自家SoC的彈性硬體和軟體平台。這種方法的主要優點之一是具有彈性(例如CEVA的PentaG2就結合了DSP與基頻處理加速器，是個完整的IP平台)。除了能以符合成本效益的方式設計高效能又省電的數據機之外，具有彈性也很重要，因為其中涉及的部分技術(例如RedCap)尚未完全標準化。這表示任何解決方案都可能必須重新設計，才能符合3GPP規格未來的變動，因此硬體/軟體分割，以及使用可設定且有彈性的硬體加速器，都是非常重要的。
有了以IP為基礎的彈性平台，公司也能引進自己的專屬演算法和IP並在SoC上執行，例如通道估計、向前糾錯(FEC)或是進階等化。這些演算法/IP可以不包含在平台所提供的主要IP區塊之內，也可以取代平台的一或多個標準加速器。
所需的修改量視應用而定。舉例來說，AR/VR頭戴式裝置必須提供極低的延遲以及優異的服務品質(QoS)，才能維持良好的使用者體驗，而5G是唯一能滿足這些需求的技術。作為可攜式消費性裝置，大多數的AR/VR產品在成本與耗電量方面也可能受到嚴格限制。為了滿足這些相互衝突的需求，設計團隊可能必須大幅自訂產品中的5G數據機。
結論
為了開發5G數據機，到目前為止，兩個主要選擇是向數據機供應商購買現成的晶片，或是自行處理開發工作。兩者皆有缺點：5G數據機晶片可能很昂貴，而且無法將其設計最佳化。至於後者，自行開發所有東西可能曠日廢時、所費不貲又有風險，更別提還要先聘用足夠的合適人才。
相對之下，運用富有彈性的硬體/軟體平台，對於打算自行處理5G數據機設計的半導體公司與OEM而言，無論是針對物聯網這類逐漸發展的新市場，或僅是針對5G手持裝置，都能大幅降低入門門檻。透過這種平台方法，設計師可將5G數據機整合至SoC，並充分利用其擴充性與彈性，針對自身需求最佳化5G設計。
(參考原文：Developing 5G Modems in Non-Handset Applications，by Nir Shapira)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年8月號
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