过去20年来，手机已实现了爆炸式的成长，成为我们日常生活中重要的一部份。然而，我们尚未能完全掌握手机的复杂性——智能型手机通常采用超过10个ARM-based处理器，用于处理触控屏幕、传感器处理、定位、照相、绘图、应用程序等功能，以及不断增加的大量连接功能，如Wi-Fi、蓝牙和LTE。

　　随着无线产业加速为下一代行动宽带装置进行标准化，即实现所谓的「5G」， 本文将探讨这对于最终将实现的技术、挑战和使用案例有何意义。此外，也将以ARM Cortex-R8为例探讨如何在透过实时处理器实现mulTI-Gigabit（Gb）新系列产品的同时，仍然以低功耗作为设计核心。

　　快节奏的行动宽带革命

　　随着行动宽带持续变革，我们看到新的使用案例不断涌现。5G的出现将继续推动常时开启、永不断线的互连世界，同时还改变了人类与世界互动的方式。如同数Gb级服务一样，5G也承诺支持低吞吐量、能量受限的装置或所谓的「大规模机器类通讯」（mMTC）。我们看到如今LTE中出现了mMTC，其标准包括LTE Cat-0和NB-IoT，这两项标准都确保可为5G奠定基础。

　　谈及5G，人们脑海中首先想到的就是行动装置。如今智能型手机的体验已经够复杂了，随着5G的来临，手机又有什么不一样的地方呢？如今讨论5G标准的一些提议大多围绕着网络效率，主要关注如何处理行动资料巨大的量和需求。数Gb级的服务让消费者在近乎瞬间内完成数字内容下载，而超低延迟连接则使诸如虚拟现实（VR）和扩增实境（AR）服务、新型的汽车应用成为可能。

　　在传统手机之外，我们将5G视为一个重要技术，能够促成更多的服务。5G将让远程医疗成为现实，医师和医疗保健工作人员可透过连接5G装置远程管理病人，这是普及医疗保健和身心健康的真正机会。

　　低碳经济可能是未来十年内实现已开发世界的最大挑战之一。透过高效可靠的无线因特网广泛利用，将有助于实现低碳经济，因为它能确保效率并促成更高度的控制和融合。从管理智慧街道照明、远程排放监控、公共运输与公共信息，5G将为日常生活带来无限可能。就连5G网络系统架构本身也要求降低功耗，这可为行动运营商降低运营成本，并极大地降低碳排放。

　　除了在家庭中，5G还能在开车时带来全新体验。5G被视为「超越行动因特网」的技术。其高性能和低延迟的特点，使其能够以传统4G/Wi-Fi服务部署于以往难以企及的领域。例如，连网汽车或自动驾驶车被视为必须具备高可靠、低延迟无线连接的重要领域，用于安全与防碰撞等应用。

　　使下一代装置成为可能

　　频谱是一项宝贵的资源，而过去十年间随着行动业务需求量激增，对于无线电频谱的需求也随之成长。以往认为无线电频谱被分为「区段」或「载波」，可以应用于不同领域，例如TV、Wi-Fi、蓝牙或手机。而诸如美国联邦通讯委员会（FCC）和英国的通讯管理局（OFCOM）等监管机关则按区域分配频谱以用于不同领域。

　　在早期手机出现之际相对简单，频谱被划分为几个区间（通常以拍卖方式进行），目的在于提供以语音为基础的服务——在其本质上只消耗很少量的频谱。过去十年来，随着智能型手机的出现，改变了这种情形，频谱也越来越被广泛用于行动宽带业务。一般而言，提供给用户的吞吐量越高，为此服务而使用的频谱也越多。如果你将这一数字乘以用户数，很快就会发现行动数据供不应求，而传统意义上的频谱分配并未跟上这一变化。

　　因此，整个产业如何在提供行动宽带体验方面跟上变化，而这对未来十年的手机技术挑战又意味着什么？

　　载波聚合（CA）加上先进的天线技术称为「多重输入多重输出」（MIMO），可用于协助缓解压力并提供更高效的服务。从3G系统到LTE，我们看到数据速率不断提高，尽管这部份的成果来自于更复杂的调变和MIMO技术，但吞吐量的增加主要受益于载波聚合的进展，使其得以更有效地利用分段式的频谱。

　　授权频段是对于频谱使用加以特定限制的一部份频谱；例如某个频谱区间可能仅限于手机业务使用，并分配给某家特定的手机业者。授权频段的优势在于营运商可以完全控制该部份的频谱，因而能够管理服务质量（QoS）并提供相应的服务。授权频段的局限在于它是一种更加宝贵的资源，因而无法满足行动数据不断成长以及用户群体快速增加的要求。

　　为了克服这种局限，营运商越来越关注于如何将未授权频段和既有的授权频段服务结合起来。我们看到越来越多未授权频段导入载波聚合，让装置能够同时用户许可证频段（通常作为控制通道）和未授权频段，将任务卸除至诸如Wi-Fi和新兴LTE等未授权技术中。3GPP中有许多LTE标准的更多优势着重于这些未授权卸除技术的管理。

　　5G拥有良好的前景，但相关标准尚未确立。如果顺利发展，那么5G将开启未来20年的数字化服务，为我们的日常生活带来崭新且强大的应用。

　　5G的核心将带来新的调变机制以及日益复杂的MIMO技术，从而最大化宝贵频谱资源利用效率，以及提供较早期LTE性能更高50倍的吞吐量。5G概念还涵盖宽广的频带范围，远远超出如今在LTE中看到的频带，原因在于协调各频段间的接取技术，并致力于在增加下一代服务容量的同时也实现效率最大化。从提供广域服务的sub GHz频段到如今Wi-Fi广泛使用的区域性GHz频段，我们将看到5G应用的广泛部署。

　　进一步来看，5G可支持30Hz以上未充份利用的毫米波（mmWave）频段。这些波段能够提供与5G服务有关的mulTI-Gbps吞吐量。毫米波频段的缺点之一包括：我们只能期待装置在「视线」和基地台范围内几十公尺内作业，这在本质上将为部署带来挑战。

　　所以，这一切对于智能型手机的未来意味着什么？尤其是针对调制解调器基频处理？回顾这些趋势，我们注意到SoC设计者在因应新的要求时也面临着三大挑战：

　　· 数据速率持续上升　在不久的将来，我们可望看到以LTE为基础的Gb级服务，以及在5G中可能高达10-20Gbps的吞吐量

　　· 载波聚合大量增加　吞吐量和网络容量最终将由日益复杂的载波聚合提供。透过聚合途径让手机的调制解调器处理器具有较高的处理复杂度，因为它必须平行提供多个无线存取承载服务。这个主题将持续成为LTE技术（（LTE-Advanced Pro）和5G技术进化的关键。

　　· 持续为行动装置推动能效和电池续航力最大化　由于引进了新的接取技术，但不能影响或折衷用户体验，因此，在进行手机调制解调器设计时必须将功效置于设计的核心。

　　以下将以ARM Cortex-R8处理器为例，讨论它如何协助设计者满足上述需求，在兼顾上一代3G、LTE等技术的后向兼容性之际，同时支持传统技术持续用于当今的多模装置中。

 

 

　　Cortex-R8：下一代行动宽带核心

　　Cortex-R8处理器是ARM最高性能的嵌入式实时处理器，采用成熟技术并进一步提升性能至更高层次。该处理器管线采用ARM为最高性能应用处理器开发的技术，并使其于提供最高性能的同时，也满足「硬实时」（hard real-TIme）的要求。

　　「硬实时」是指处理器即使是在已知最糟（决定性的）情况的延迟下，仍能非常快速地切换以因应新的重要事件。这种最糟情况的延迟通常也只有几奈秒，让来自系统其他部份的中断能够被侦测到，并迅速采取行动解决。在LTE-Advanced Pro和5G调制解调器的第一层（Layer 1） 控制任务将处理多载波以及很高的数据速率。

　　因此，处理器必须以很高的频率频率执行，并且能够在很多任务之间快速地切换以及处理外来事件。诸如Wi-Fi等未授权载波提供的数据和数据封包速率比LTE更高，而结合并控制这些不同的载波需要一款专用处理器。Cortex-R8拥有11级管线，能以极其快速的时钟速率提供所需的性能。这种管线是「乱序」的，意味着即使有些指令在等待来自较慢的外部储存系统数据时，也可以继续进行处理，因而大幅减少管线的「停滞」，并尽可能提供最佳性能。

　　Cortex-R8也增强了紧密耦合内存（TCM），让更多程序代码与数据能储存于快速内存中，因此在存取重要程序和数据时不至于延迟。相较于由处理器管理的快取，TCM是由开发人员管理的，因而能够迅速取得重要的指令和数据结构。在调制解调器中有一些非常关键的实时程序，而其他并不是那么重要程序可以在后台执行。

　　Cortex-R8可使多达4个处理器整合于单一的丛集中。就调制解调器而言，这些处理器通常是以不对称的处理模式执行以获得最佳效率。而且，它能在手机处于闲置模式时关闭处理器电源，只在吞吐量提高时才导通更多处理器的电源，因而大幅延长电池寿命。这种可配置性也使得开发商能够透过单次的软件投资和可扩展性能，开发出因应不同LTE类型的各种调制解调器。

　　Cortex-R8可在诸多的接口端口中灵活选择，从而连接至其他调制解调器系统。用于控制外部硬件和加速器的专用端口提供最低的延迟控制，以确保在复杂系统中尽可能实现最佳性能。

　　然而，Cortex-R8并不仅仅用于调制解调器设计，其先进性能也适用于企业储存产品，包括HDD和SSD以及其他需要可扩展的嵌入式实时平台。Cortex-R8并建置新的错误检测、校正和控制机制，尽可能地确保可靠性。

　　提供下一代行动宽带体验

　　如同针对5G打造全新优化且高效率的空中接口一样，支持5G基础设施要求的改进型网络必须能够简化管理与协调层（orchestraTIon layer），从而简化底层硬件和软件的复杂度。

　　为了成功部署新的5G基础设施，需要不同的设备组合。根据地理条件，可能需要诸如云端无线存取网络（C-RAN）、分布式内容分发、可扩展性控制网络和自适应天线数组等技术。以C-RAN为例，该新技术极具颠覆力，当多个基地台单元和相关的控制网络共同整合于「云端」时，即可提供云端无线接取网络。

　　为了满足Cloud RAN、分布式内容分发和可扩展控制网络的全新平台需求，业界已经利用一些新兴技术取得了重要进展：

　　软件定义网络（SDN） 这是一种提供网络可扩展性连接和简化传统网络的新方式。SDN是由开放网络基金会（Open Networking Foundation）初步开发的一套标准，透过隔离控制层和数据层，提供网络功能的抽象层。网络管理和操作可以集中进行，而不必分散到不同的网络层和机箱。透过简化的抽象软件层进行集中控制带来了诸多益处，如降低营运成本、提高自动化、控制、灵活性、敏捷性和应用创新。SDN将会改变设备连接到网络基础设施的方式，而且接取节点与聚合节点之间的连接方式也会相应发生改变。

　　网络功能虚拟化（NFV） 让传统功能从所有权硬件防火墙转移到标准化的服务器、交换器和储存组件。当这些新功能应用于软件时，可以轻易地应用于数据中心、网络节点或客户端的平台，以充份利用全球网络效率。因此，NFV的好处包括更少依赖专用硬件来降低资本支出（CapEx）和营运成本（OpEx）。由于更快的配置、测试和整合，使用NFV可加速市场实时服务。

　　为了支持对于延迟敏感的5G功能和终端使用案例，NFV的执行必须与优化网络卸除能力匹配，也必须与行动边缘运算（Mobile Edge Compute）技术搭配，这些技术尽可能地将虚拟化网络功能贴近接取网络的边缘装置，以避免网络基础设施的过度转变。

　　分布式智能 透过支持网络中更多的分布式智慧，可在云端中已布署的可用资源分配基本的决策点。使用工作负载优化的硬件和软件来确保网络中各分布点的网络、储存和运算功能的实现。工作负载优化硬件以高度整合的SoC为基础，具有异质处理能力，使得该硬件可在网络中变得更智能，即使是微缩至最高功率和外形因子受限的位置。通用的软件平台可让开发人员和IT用户更快地部署服务。

　　储存 随着5G网络和服务进展，我们也会看到储存功能直接融合于基础设施网络中。尽管传统上经常将「云端」储存联想到数据中心，但我们将逐渐看到储存迁移至网络中的所有节点。5G的核心要求在于高带宽和低延迟服务，这些要求不仅影响空中接口无线连接，同时也推进整个网络。分布式储存以及提高边缘装置的智能化，均有利于使传输延迟最小化，从而提供所需的服务和智能以实现目标。

　　这些技术标准和架构是下一代基础设施网络或「智能、灵活云端」的基础之一。云端之所以灵活是因为能轻松快速满足不同的网络要求并且提高5G空中接口的具体挑战。云端之所以智慧是因为其利用业务、顾客和网络数据来加强既有的服务，并且作为创造高度创新和竞争性的新服务的基础。

　　ARM及其合作伙伴提供基于ARM的通用处理平台，以满足实现5G的不同需求。

 

 

　　为什么在网络基础设施中使用ARM Cortex-A系列的处理器？

　　ARM提供了处理器和互连的IP来满足网络基础设施的需求，而未来的需求也直接推动ARM的发展蓝图进展。要提供这样的服务，关键在于各式各样的Cortex A处理器核心和高速快取的一致性互连，例如Cortex-A72、Cortex-A53和互连产品的CCN家族。

　　新的SoC平台提供了一系列异质的CPU、DSP和功能特定的加速器核心，对于满足吞吐要求、5G部署延迟和灵活性要求至关重要。越来越多的功能将被融合到单一SoC中，这通常将处理多种流量类型，包括数据信道有效负载、控制层流量、前端处理和用户调度。

　　随着发展整合与更高性能SoC的趋势，将会出现一些处理组件透处理器核心和智能讯号处理组件，以支持突发性高速流量有效负载和对于延迟敏感的流量。

　　网络基础设施应用混合了功能不同的3种层面：控制层处理、封包或回程网络处理，以及在任一特定SoC装置上可用核心丛集之间事件或流量的调度。

　　5G基地台设备具有与5G核心设备完全不同的功能。设计者必须确定处理器功能的最佳组合以因应所需的处理，从可取得的技术中做出选择，尽快提供自己的设计以抓住市场机遇。

　　控制层 控制层的功能要求每个封包处理量最大化，每个封包涉及数以万计的指令，通常是以「从执行到完成」的模式分配。乱序和多级管线可以非常有效的利用。

　　具备虚拟化功能的高性能核心能够满足控制层、内容发布网络和其他要求高单线程功能的需求。在控制层执行的应用包括NFV、用于云端和边缘网络的CDN和要求更多性能的潜在新兴远程接取技术（如5G）。

　　数据层 网络的边缘能够达到几百Mbps或Gbps范围的数据速率；存取/云端部份则可体验1-10Gbps的数据速率；核心则可处理20至几百Gbps的数据。和控制面板不同的是，此处的挑战在于处理回程网络流量的爆发、处理标头并将资料置于缓冲器内而不至于遗失任何封包。DSP在此为数据层提供专用且优化的指令集，并卸除CPU的高功耗和运算密集功能。

　　除了用于控制处理的每个数据封包数以万计的指令，数据封包处理可能仅仅使用几百个指令/数据封包。存取高速缓冲存储器（指令、数据、L2和L3）和外部内存对数据封包处理来说也是不同的。

　　数据和控制处理之间存在一个重要的区别。ARM使用「无状态」（stateless）和「有状态」（statful）的术语来区别这两个概念。无状态处理使用巨量的小核心来处理进入SoC数据封包的数据串流。每个核心以「从执行到完成的模式」执行，从而为数据标头分类，并将数据封包纳入内存。每个数据封包单独的处理；核心只知悉之前的任何数据封包。核心的数量和互连的尺寸仅仅根据接口速度变化。相反地，有状态处理适用于更高层级的决策，数据封包的历史在这样的情形下很重要。流量和会议可以得到管理，尤其是控制层。

　　调度 5G系统的另一个挑战在于与前两个密切相关。对于用户接取调度，如果需要按照可获得的空中接口带宽调度用户，延迟是关键。以LTE为例，空中界面可能有几百个用户将被调度到自己的时隙中。所有这一切都需要按照5G标准的时间限制透过几个核心进行运算：可能小于0.5ms。这涉及很多优先计算、接收和传输任务的调度以及从DSP、处理器和内存接收和发送讯号。因此，在异质架构下使用多个核心并在多核心间切换的能力至关重要。

　　技术要求 随着智能连网装置上的数据消耗量急速增加、新的空中接口技术（如5G）的推动，系统设计人员的挑战是必须在相同功率和尺寸下提供更高性能的设计。ARM持续开发IP以支持更高性能且多核心的处理器。一致的互连、性能优化的实体与逻辑IP，均支持灵活的异质架构，确保满足5G性能的要求。

　　新的ARM核心，如Cortex-A72和Cortex-A53，使其性能/功耗和性能可扩展性目标能够在下一代SoC设计上实现。此外，在研发预算受到挑战的当下，具备良好支持力度的软件和工具生态系统的产业标准指令集架构（ISA）使得SoC设计管理人员能够更快地将产品投入市场、节约研发资金，以及开发具有附加价值和差异化专用的特点。

　　总结

　　过去20年来，ARM持续作为行动变革的核心。从早期的2G手机、3G再到LTE，已经有超过200亿支手机采用ARM技术作为蜂巢式调制解调器的核心。以ARM为基础的调制解调器让日常生活中不可缺少的智能型手机变成现实。

　　随着LTE日益成熟，我们已经让连接数字生活的各方面成为现实。除了电子邮件、新闻和社群媒体等信息服务，我们看到更复杂的使用案例扩展至日常生活各方面，如健康、福利、医疗等等。就算是这些装置的外形已经开始发生变化并且突破传统智能型手机的限制；新的应用，如可穿戴式装置，也已经与日常生活无缝衔接。

　　展望手机发展的未来十年，我们可以有哪些期待呢？对于服务的更多需求也为服务我们的网络提出了更大容量的要求。更有效地利用无线频谱是至关重要的，这将使产业研究进展至5G无线通信系统。提高行动网络的容量，不仅能服务更多的用户，随着世界在物联网这把大伞下相互连接，也为更多的对象或装置提供服务。透过更有效率地使用和监控资源实现低碳经济、透过远程医疗实现医疗保健或车联网等，都还只是得益于持续行动变革的几个应用领域。

　　正如我们为了实现各种优势而建立了这些接取技术一样，对于下一代行动装置，我们也必须提供先进的处理能力。透过像ARM Cortex-R8兼具高效节能、实时处理的处理器，将有助于实现这一愿景，让装置供货商和OEM拓展5G的更多潜力。