5G RedCap 将帮助开发者将 5G 带入非手机应用

当我们谈论 5G 无线时，我们往往会想到智能手机和 5G 可以提供的高速宽带。但智能手机只是 5G 的众多用例之一。

除了提高性能外，5G 还提供其他功能，例如低延迟、低功耗、强大的安全性和网络切片。这意味着它对于广泛的应用来说是一项有吸引力的技术，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、汽车和还有很多。

事实上，预计到 2026 年，工业机器对机器 (M2M) 应用将占 5G 非手机数量的 70%，尤其是在中国。爱立信移动报告预测，2027年将有 55 亿蜂窝物联网连接，高于 2021 年的 19 亿。

图 1：5G 应用。

对于这些其他应用，它们中的大多数都需要能够在足够的性能、低延迟（URLLC - 参见图 1）和低功耗之间提供平衡的嵌入式无线产品。它们通常不需要5G增强的移动宽带能力的高速；也许只是从传感器或边缘设备发送小数据包。任何特定的应用程序都有自己的一组要求，这意味着需要灵活地在每种情况下提供优化的解决方案。

过去，蜂窝宽带无法为其中许多用例提供正确的解决方案，因为可用的产品耗电过多且不够紧凑。相反，首选技术通常是 Wi-Fi 或蓝牙——它们仍然可以作为蜂窝网络的替代品，但不能提供 5G 的所有功能和性能，或连接到公共网络的能力。

这将随着 5G 缩减能力 (RedCap) 的发展而改变。也称为 NR-Lite，新的 5G RedCap 标准对于非手机应用将非常重要。它提供与 LTE Cat 相当的性能。4，大约 85 Mbps（对于单天线/层模式），同时提供改进的延迟和其他 5G 功能，例如定位（个人跟踪器中的巨大消费者潜力）、mmWave 和免许可频谱以及网络切片。RedCap 可以使用比“标准”5G 更简单的解决方案，同时降低功耗，从而实现低成本的 5G 部署。RedCap 承诺将基带集成到片上系统 (SoC) 中，具有成本效益的射频集成电路集成，并支持真正的半双工操作模式。

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（用于智能城市和家庭安全）和可穿戴设备等用例中。其规格将在 5G Release 17 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 将在本十年后半期开始获得可观的市场份额。

开发要求

一旦半导体公司和 OEM 确定 5G 是适合他们的技术，他们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的5G设备的性能、成本和功耗。

5G 调制解调器可作为现有供应商（如高通）的现成部件提供。然而，这些调制解调器芯片可能相对昂贵，并且没有很好的集成到 SoC 中的路径来降低成本。

相反，OEM 可能希望在内部开发特定于应用的 5G 调制解调器。除了保持低成本（许多对价格敏感的应用程序所必需的）外，这将使他们能够针对自己的特定要求优化 5G 调制解调器。通过创建自己的 5G 调制解调器，公司可以准确地选择他们想要在性能、功耗和延迟之间妥协的地方。OEM 还可以将 5G 基带集成到连接 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，特别是对于物联网，实现紧凑的解决方案也很重要。一个有吸引力的答案是使用来自一个或多个供应商的具有知识产权 (IP) 的 SoC 集成到一个单芯片解决方案中——与标准现成 5G 芯片所需的多芯片解决方案相比。

这一切都很好，但开发 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，这还不够好——这种方法的功耗太高，无法用于大多数用例。为了提供足够高的效率，您需要进行许多优化，并在专用硬件加速器中加速许多基带操作，这对于大多数产品设计团队来说可能是一项艰巨的任务。

灵活的平台方法

到目前为止，我们已经研究了 5G 调制解调器的两个选项。首先，购买专用调制解调器芯片不仅成本高昂且不灵活，还可能意味着您依赖外部供应商的路线图——从而使长期规划变得困难，并增加了对您的设计产生负面影响的变更风险。或者，您可以将大量资源用于内部开发，但这将对上市时间产生重大影响并增加风险。

第三种方式：使用灵活的硬件和软件平台，可以集成到您自己的 SoC 中。这种方法的主要优势之一——例如 CEVA 的 PentaG2，一个结合了 DSP 和加速器用于基带处理的完整 IP 平台——是灵活性。除了能够以经济高效的方式设计高性能且低功耗的调制解调器外，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，因此硬件/软件分区以及使用可配置和灵活的硬件加速器至关重要。

借助基于 IP 的灵活平台，公司还可以引入自己的专有算法和 IP 在 SoC 上运行，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要 IP 块的补充，或者替换一个或多个平台的标准加速器。

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的服务质量，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。

总而言之，要开发 5G 调制解调器，迄今为止的两个主要选择是从调制解调器供应商处购买现成的芯片，或在内部进行开发。两者都有缺点：5G 调制解调器芯片可能很昂贵，而且您无法优化它们的设计。或者，假设您甚至可以雇用足够多的合适人选，自己做所有事情可能会很慢、昂贵且有风险。

然而，灵活的硬件/软件平台可以显着降低半导体公司和 OEM 寻求自己处理 5G 调制解调器设计的进入壁垒，无论是针对物联网等新市场开放，还是仅仅针对 5G 手机。通过这种平台方法，设计人员可以将他们的 5G 调制解调器集成到 SoC 中，并且通过正确的平台，这可以实现可扩展性和灵活性，从而针对特定要求优化 5G 设计。

审核编辑 黄昊宇