圖1、蜂窩技術的發展歷程

這種新的無線技術究竟會如何普及，還有哪些問題需要解決？

5G即將到來，但不是到處都是，并非全部都是，并且不是馬上就要使用這種技術的最快版本。事實上，可能的情況是，5G將首先在人口密集的城市地區推出，從2020年或者2021年開始，在此后的十年內將越來越廣泛地被采用。

但5G不太可能完全取代4G LTE，就像今天的智能手機因為需要的接收量下降所以會從4G LTE轉向3G和2G。向后兼容性是所有這些技術標準的重要組成部分。 因為5G的信號頻率非常高。從理論上講該技術可以擴展到300 GHz，而今天的4GLTE的最高頻段則是2.6 GHz。雖然更高的頻段具有更多的頻率資源這允許信號攜帶更多的數據 - 香農定理告訴我們基本上是通過縮放帶寬以增加數據密度和速率的，但是較高的頻率也會使信號更容易受到樹木，建筑物和人體等物體的干擾。即使你自己的身體也可以阻擋一部分毫米波信號的。

“5G挑戰包括回程，基站的選址和頻譜資源，”摩根士丹利執行董事James Faucette在最近的一次演講中表示。 “使用毫米波5G，你需要幾百倍的基站數量。 5G的運行頻率比以前的無線標準高得多，而當你達到毫米波時，它們幾乎不能覆蓋房間。信號的不可預測性以及它們能傳輸多遠都是很大的問題。“

圖2、頻譜與覆蓋范圍。

雖然這些技術難點都沒有阻止5G的發展，但它肯定影響了5G技術的推廣計劃。5G的第一種實現方式可能是固定無線，這基本上是需要視距線路（line-of-site）傳輸的。毫米波信號不會穿過窗戶，所以他們需要一個安裝在窗戶上的天線。 Faucette說，必須有這么多的中繼器和小基站單元導致站點租賃成為運營商的財務負擔問題。 “運營商公司將不得不向更多的業主支付租金。”

圖3、適用于5G的技術采用曲線

為5G做好準備

今年在韓國平昌舉辦的冬季奧運給了這項技術前景帶來了某種暗示。帶寬的增加把從虛擬現實到8K視頻的所有內容都顯示在顯示屏上，而不需要特殊的3D眼鏡。三星甚至為滑板運動員提供了SmartSuits這種支持5G的設備，這種設備使用傳感器繪制身體位置并將振動信號發送到可穿戴設備上。

圖4、預計自動駕駛汽車才會真正推動5G技術的應用需求

但是預計自動駕駛汽車才會真正推動5G技術的應用需求。

“5G代表了自動駕駛體驗所需的基礎技術，”聯電公司（UMC）市場部副總裁Steven Liu表示。 “車輛到車輛（V2V，vehicle-to-vehicle）和車輛到基礎設施（V2I（vehicle-to-infrastructure），V2X）的采用日益增加意味著汽車雷達系統的數量需求不斷增加。這些系統所需的技術包括汽車的防碰撞雷達和全球定位系統，以及與停車信號燈和車輛調度員進行交互所需的傳感器。這些系統將與現有系統例如乘客舒適度和信息娛樂控制以及調節溫度，輪胎壓力和氣體的發動機監控子系統等配合使用。用于長途運輸的卡車將需要負荷平衡，負荷轉移，轉彎曲線和風切變系統，所有這些系統之間的協同工作以確保貨物在運輸過程中不會被損壞，并且卡車集裝箱在整個行程中要保持穩定。所有這些5G通信的應用對于系統執行其各自操作的能力來說都是至關重要的。“

事實上，5G對于輔助和自動駕駛汽車應用來說非常關鍵，因為它可以改變這些汽車上所用電子設備的設計。但是，這可能至少部分取決于哪一方首先做好準備。

“隨著電動汽車的問世和ADAS的問世，汽車的連接可能會成為4G / 5G的故事，”應用材料公司200mm設備產品部戰略和技術營銷總監Mike Rosa說。 “這主要基于每個時間表。隨著5G網絡投入使用，硅芯片容量和能力的需求可能會減少，因為云中有更多的內存。當然這不會被用于所有的情況，但是大量的處理可以通過5G管道來進行服務。“

兩種5G技術的故事

5G有兩種技術形式。其中一個使用低于6 GHz頻率的頻段，該頻段在4G LTE上略有改進。另一個利用24 GHz以上頻率的頻譜，并最終走向毫米波技術。通常，隨著頻率的提高，速度能夠更快以及能夠傳輸更多數據的能力也會提高。但是另一方面，隨著頻率的增加，信號可以傳播的距離將會減小。結果是需要更多的中繼器和基站。也許這對于半導體行業來說是個好消息，但這也意味著5G推出的時間可能會比以前幾代無線技術推出的時間更長，因為實現全部工作所需的基礎設施數量將會顯著增加。

圖5、5G的頻譜分為兩段：Sub-6GHz和高頻毫米波

“5G的頻率非常高，噪音更低，并且可以實現新的應用，”GlobalFoundries 22FDX項目總監Jamie Schaeffer說。 “對于基站，它需要一個帶數據轉換器（ADC/DAC）的數字前端。而對于5G手機來說，這些將是需要低功耗的手機，您需要集成的前端模塊。但對于面部識別等方面的應用來說，工作在24至40 GHz的5G將是最佳的解決方案。“

圖6、5G設備將支持Beamforming功能

5G設備也可以使用稱為波束成形（beamforming ）和波束追蹤（beam tracking）以及Massive MIMO（多輸入多輸出）的技術來將部分信號拼湊在一起以提升信號強度。

圖7、由布里斯托大學和隆德大學開發的128天線Massive MIMO測試平臺。

但是所有的這些都需要權衡。因為隨著頻率的提高，用于射頻(RF)前端濾波的薄膜厚度將會減小，這就產生了另一個問題。

圖8、RF SOI涉及的關鍵技術

應用材料公司的Rosa說：“在2到2.5 GHz的頻率下，射頻(RF)前端濾波薄膜（通常是基于氮化鋁（aluminum nitride）的薄膜）的厚度通常約為1微米。 “隨著工作頻率越來越高，這個薄膜會越來越薄。而目前該工藝難以控制8英寸和12英寸芯片晶圓上的應力的均勻性。所以你增加了鈧摻雜（Scandium doping），但那只是迄今為止的解決方案。最終你會發現你需要看看你如何開發那些今天被應用的薄膜。從短期來看，這并不是什么大不了的事情，但隨著時間的推移，我們將需要尋找替代方式來沉積這些薄膜。“

即使這些薄膜中所使用的材料可能會改變。例如，鈮酸鋰（lithium niobate）被認為是氮化鋁（aluminum nitride）的可能替代品，因為它可以使機電耦合的效率加倍。盡管今天的大部分開關都是使用硅鍺（silicon germanium）完成的，但是在基站中可能會被氮化鎵（gallium nitride）所取代，但是這將不得不平衡增加功率以驅動更多信號到更多中繼器的需求，以及功率上升所帶來的功耗本身的成本問題。

其他技術問題

這也不僅限于基站。 5G手機可能會很快超出覆蓋范圍，讓它們搜索信號；這將比在具有強大接收信號的區域中更快地耗盡手機電池。

圖9、終端中的Beamforming

“使用手機終端設備時，需要在天線上完成很多的研發工作，要讓手機天線布局最佳，這樣當你用不同的方式拿著終端設備時，它還可以工作，”National Instruments（國家半導體）軟件定義無線電高級產品營銷經理Sarah Yost說。 “目前還在努力為所有這些天線創建高效的波束模式（beam patterns ）。如果在手機上有8個到甚至多達64個輸入，波束模式將非常大。你可能需要有12個發送模式和12個接收模式，并且所有這些模式都可能是不同的信號幅度。“

圖10、5G終端中的天線布局

這使得使用當今已有的設備和方法來測試5G芯片變得非常耗時。 “今天，測試時間是毫秒級，”約斯特說。 “如果您添加所有這些波束模式以及更多的容量和功能，您可以看到高達2500倍的測試時間的增加。當然你仍然需要測試這些芯片，但現在你需要一種不同的測試方法。我們正在看的一個測試方式是在空口中測試（over-the-air testing）。“

圖11、人們使用手機的幾種主要方式

這種方法的優點是它可以為優化信號的器件提供持續的測試，但這是測試中的一個新概念。 “優點是您可以將其升級為模塊化的測試平臺，以便跟上標準的變化，”Yost說。 “它允許平臺作為真實網絡的一部分，讓您在設計過程中盡早地實現撥打電話的功能。”

圖12、復雜的5G測試系統

這還可能與某些版本的外部系統級測試相結合，以加速該過程，以及內置自測試功能。

規劃變更

事情在設計方面也并沒有變得更清晰。未知因素使優化芯片設計變得更加困難。因此，靈活性需要增加，無論是在架構層面還是在具有可編程性的邏輯層面都需要靈活的結構和布局。

圖13、5G將采用異構計算方式

“人們想知道他們是否需要更大的控制系統，”NetSpeed Systems首席執行官Sundari Mitra說。 “這需要架構上的根本性改變。需要更多的動態計算，這意味著這些設計的復雜程度會有所提高。你不能采用傳統的結構并將其塑造成5G，因為它需要異構計算，因此這不僅僅是需要訪問內存的單個處理器。“

圖14、Gartner定義的近年的關鍵技術趨勢

從任何角度來看，5G本身就是一種顛覆性技術。但是當它與其他顛覆性技術，尤其是與自動駕駛技術配合來一起應用時，未知因素將顯著增加。

ArterisIP首席技術官Ty Garibay表示：“一輛汽車將始終需要具有5G連接性。 “這些汽車將每小時產生數TB的數據。其中一些將由邊緣芯片進行處理。但5G將是將這些數據進行后處理的關鍵。挑戰在于將需要匯集不同類型的處理和I / O接口。任何人都很難將它們很好地連接在一起。“

與前幾代技術不同的是，5G的采用可能將是一種長期演變的混合技術。因此，雖然推出相對較快，但城市之外的5G手機和基站覆蓋可能需要數十年時間。事實上，這項技術是否具有普遍性目前尚不清楚。

圖15、典型的異構系統架構

“如果你看看很多展會那里展示的所有5G系統，它們都是原型，”Achronix戰略規劃和業務發展高級總監Mike Fitton說。 “這就是為什么它們全部都使用可編程邏輯。標準正在發生變化，并且出現了不同的應用。所以你需要在ASIC中建立起一些可編程能力。看看3G和4G，這些技術的早期市場幾乎完全基于FPGA的，而大規模應用時FPGA常常由ASI來C取而代之，以降低成本和功耗。我們在5G中看到了相同的情況。但5G需要更長的時間。這個市場的第一部分將是UHF（即Sub-6GHz），然后再是毫米波（Millimeter wave）。所以你將首先擁有4G的海洋，然后5G將開始在島上出現，并且它將從那里逐漸擴散開去。“

圖16、4G、5G混合組網

但是，何時會發生這種情況并不明確。 Flex Logix公司首席執行官Geoff Tate表示，由于這種不確定性，對業界eFPGAs的興趣大增。他表示：“與之前的無線技術相比，5G對嵌入式FPGA（即embedded FPGAs，eFPGAs）的興趣不斷增加。” “在基站內，存在功率約束。如果你可以去掉SerDes接口，那么可以節省大量的電力需求。這一點很重要，因為性能要求越來越高。同時，將會有更多的基站。現在每半英里大概有一個，但是5G的密度需要更大。你會看到一個“母”基站（mother station），然后再是很多“女兒”基站（daughter stations，即中繼器），這將對功率產生更大的限制。“

圖17、嵌入式FPGA架構

這對嵌入式可編程器件來說是一個好兆頭，因為它們比ASIC更具靈活性，并且比分立式FPGA更小，功耗更低。

圖18、嵌入式FPGA的主要優點

Achronix的Fitton指出，5G規格的下一協議版本，即版本16（ release 16），也會增加一些額外的功能。 “屆時你會開始看到這種適用于物聯網（IoT）類型的應用，在那時你也會有超可靠的低延遲應用，新的用戶模型也將開始出現。”

技術轉型

從視角來看，5G生態系統中有很多移動部件，從最初的5G部署開始并延續到未來的技術迭代。實際上，這就像管理一個隨著時間的推移的3D（三維）矩陣，矩陣中的各個部分都還處于研究，開發甚至定義的不同階段之中。

圖19、5G生態系統

“利用5G，您可以將模擬，數字和射頻（RF）融合在一起，”ClioSoft市場營銷副總裁Ranjit Adhikary說。 “一旦你開始使用這項技術，過了一段時間你會看到一些技術遷移轉化成為IP的一部分，而有的則成為bugs，沒有人會說出為什么要做某件事。人們轉向不同的公司，而許多知識將會消失。“

圖20、5G和4G射頻前端系統的差異

Adhikary說這對知識產權（ IP）的發展，優化和表征產生了影響，這與技術一起發展。 “對于5G，我們現在還沒有太多的第三方IP。但是，我們需要確保這一點，從系統級角度來看，它們都很好地被捕獲，包括腳本和流程。這種趨勢始于有線調制解調器，協議和規格發生了如此之快的變化，即使在幾個月的過程中，也很難跟蹤這些變化。而現在，您在全球擁有更多的公司，因此您必須跟蹤您正在使用哪個部分，開發哪個版本的規格以及使用哪個版本的第三方IP。如果有一個新版本的協議規范，你如何鏈接使用該IP的所有點的人？“

總結

多個市場和技術之間的不確定性正在相互交織，提出了更多關于未來將如何使用5G技術的問題，何時可以在市場上買到，以及最終將花費多少資金和其他資源才能得到。

圖21、5G將是一個持續多年的投資過程

“所有這些都有額外的要求，包括持久性和成本，這些在未來嘗試實現自動電氣控制時仍然會帶來重大的系統設計和制造方面的挑戰，”聯電公司（UMC）市場部副總裁Steven Liu說。

圖22、5G時代小基站將會越來越多

5G是這些技術轉變過程中的一個重要難題，但是這個難題究竟有多大以及何時能夠克服還有待繼續觀察。

圖23、2018年手機的出貨量還會增長