MIPI 5G 5G NR 高速傳輸介面 大頻寬

迎合頻寬/效能/低延遲需求 MIPI形塑5G高品質體驗

2019-10-01
5G時代已到來,眾多業者為實現現今和未來幾年的宏大願景、期望所需已準備就緒迎接挑戰。而本文將說明MIPI聯盟(MIPI Alliance)介面技術演進,以及其如何滿足下世代的應用需求。多年來,這些行動規範經過協調、跨產業和跨公司的合作,得以發展、調整,並強化達到成熟的境界。如果當今世界任何地方的行動裝置都擁有3G或4G無線電,無論是智慧型手機、平板電腦、聯網汽車、擴增或虛擬實境(AR/VR)耳機、物聯網(IoT)系統等,這些裝置幾乎已依賴於MIPI聯盟的一個或多個規範。經過多年的3G和4G的創新,這種大規模採用和真實世界的記錄清楚地將MIPI規範定位為現今5G實際的行動標準並向前發展。
Siemens

為5G智慧型手機提供動力

市場上首波5G智慧型手機已高度依賴MIPI規範,目前版本的規格已經過設計,以滿足2021年以降的5G智慧型手機和其他裝置的頻寬、效能、延遲等要求。此外,MIPI及其300多家成員公司也正展開一系列進行中的計畫,以確保這些行動規範能夠預測並滿足以降5G的市場需求。

消費者和企業意欲讓5G智慧型手機提供前所未見的使用者體驗,包括快速檢索儲存資料、銳利的相機影像、豐富的沉浸式媒體互動等等。5G也被視為聯網汽車應用的基礎,例如自動駕駛和輔助駕駛(ADAS)車輛所需的高畫質地圖,新一代AR/VR體驗和類別廣泛的物聯網(IoT)應用,如智慧城市和公用電網、先進製造和遠端醫療。根據CCS Insight預測,2020年全球約有6,000萬個5G裝置連接,2021年約為2.8億,2025年約為27億。

然而,5G不再只是遙遠的市場預測和超連接未來的抽象願景。在2018年中期,已有許多智慧型手機大廠利用MIPI規範來實現首波5G產品。智慧型手機將是5G轉型初期階段最有感的領域。這個龐大市場中的消費者已經養成了約每兩年更換一次裝置的習慣,使得智慧型手機市場成為當今5G活動的明確焦點。

用於智慧型手機的增強型行動寬頻(eMBB)服務在3GPP Release 15中提供5Gbps的速度,在Release 16提供高達20Gbps的服務。此外,隨著新的5G NR RF子系統和其他子系統技術的發展,高階4G智慧型手機也正進化中,以提供用戶在5G所期望的巨幅提升用戶體驗以及更豐富的多媒體體驗。例如,新的首波5G智慧型手機可能配備先進的麥克風陣列與多聲道音訊和立體聲揚聲器,以及三個或四個高解析度後置相機,能夠拍攝高幀率/慢動作影片。

數種MIPI規範已經普遍的被這些最早的5G設計使用來支援其新功能。5G智慧型手機的數據機和應用處理器利用成熟、廣泛布建的介面,如MIPI RFFE用於控制射頻(RF)前端裝置,MIPI CSI-2用於相機,MIPI DSI-2用於顯示器,此外,還有低功耗、高頻寬和接腳高效的MIPI D-PHY或MIPI C-PHY用於實體層。同樣的,其他MIPI規範MIPI UniPro包含用於UFS高效能閃存的M-PHY、用於連接感測器的MIPI I3C和用於音訊的MIPI SoundWire,都因為即將推出的5G智慧型手機而將提高普及率。隨著5G智慧型手機的普及,5G網路的布建密度也將增加,將刺激其他5G應用領域的活動,如物聯網、聯網汽車、AR/VR等。表1顯示了MIPI介面如何實現5G願景。

表1 實現5G裝置的MIPI規範概述

完整規格組合

接下來將探討看看這些MIPI規範如何為行動裝置使用者形塑5G體驗。MIPI SLIMbus/MIPI SoundWire簡化了智慧型手機、個人電腦、聯網汽車、穿戴式裝置和物聯網裝置中音訊元件的整合。SLIMbus是一個成熟的介面,主要用於大型音訊元件(如5G數據機和應用處理器)之間傳輸音訊,與藍牙、FM和音訊子系統/編解碼器等周邊元件相連。更新的補充規範MIPI SoundWire提供了一種通用的可擴展架構,可將小型音訊周邊整合納入多種類型的裝置中。它針對低複雜度,低閘數設計進行了優化,支援在手機中使用成本較低的音訊元件,如數位麥克風、數位揚聲器和先進放大器。此外,它還可以優化揚聲器保護、麥克風功率和效能、消除雜訊和支援「始終聆聽」音訊輸入。

另外,對於從智慧型手機到無人機與聯網汽車的應用,MIPI CSI-2作為4G/LTE的首選相機和影像介面占據主導地位,並且已經在首波5G實施中得到廣泛布建。諸如最先進的頻寬和解析度功能等領域的改進,旨在支援大幅增強的5G行動使用者體驗。例如,5G智慧型手機將能夠從兩個後置相機演變為多相機設計,提供專用的深度/飛時測距(ToF)和臉部偵測。諸如更長距離、更低延遲、眼球追蹤和即時視覺處理等功能將支援新興的5G使用情境更高品質的視訊功能,例如人工智慧(AI)/機器視覺,AR/VR和聯網汽車。

而MIPI DSI-2已經成為對解析度和每英吋畫素(PPI)要求不斷提高的顯示器最依賴的規格,針對新興的5G市場需求不斷強化。例如,在2018年5月,DSI-2 v1.1採用了最新的VESA VDC-M標準,可提供高達5:1、6bpp的視覺無損壓縮。諸如此類的舉措有助於確保MIPI DSI-2非常適合在未來5G創新浪潮即將推出的智慧型手機、AR/VR頭戴式顯示器(HMD),以及在解析度、色深和幀率等領域要求更高的其他裝置。

值得一提的是,4G裝置中的高效能、成本優化的實體層規範MIPI D-PHY、MIPI C-PHY和MIPI M-PHY也在首波5G智慧型手機中廣泛建置。透過有效地考慮頻寬、延遲和功耗方面的市場需求,這些規範是顯示器和相機等應用的關鍵推動因素,並且正在針對汽車、物聯網和其他新興的5G使用情境進行增強,例如,使用比典型的行動裝置外觀形體更長的通道擴展覆蓋範圍,為物聯網應用提供更好的支援。

MIPI RFFE則是射頻前端裝置如放大器、濾波器和開關等的明確業界標準和主導控制主幹。在傳統的6GHz以下頻段運作的裝置是MIPI RFFE工作小組特別熱衷的開發領域,因為這些裝置對於早期5G布建尤為關鍵。流通量和延遲功能也不斷改進,因此利用RFFE的裝置可為消費者和企業最需要的功能提供高效RF表現。例如,為即將到來的MIPI RFFE v3.0計畫的「定時觸發」功能允許低雜訊放大器(LNA)或其他裝置在頻段之間快速切換或被觸發到這些頻段,並具有精細的時間協調,這將讓數據能夠幾乎同時從數個頻段被接收。透過這種方式,定時觸發器能夠實現在不同頻段上的同步傳輸和接收的能力,速度較慢的非同步命令則無法實現這個功能。

而MIPI I3C透過提供10倍的效能提升補強I2C不足之處,並且可以用作過去以SPI、UART或I2C連接的匯流排、實用程式介面和感測器連接。雙線介面是智慧型手機和其他5G裝置的理想規格,可整合先進、高度精確的感測器、集線器和應用處理器。此規範旨在與運動、生物識別、環境和其他感測器連接,並正在為下一代系統進行創新。MIPI I3C包括一系列關鍵特性,使MIPI I3C成為傳統低速介面之間融合零散碎片的選擇,其中包括電路簡化、12.5MHz時脈的最大有效傳輸速率超過33Mbps、頻段內中斷功能、動態地址分配、熱連接支援、通用命令代碼和時序控制。下一代功能包括分組尋址、全面的流量控制、先進錯誤處理和多通道速度。

在行動3G和4G時代的真實市場採用案例中,MIPI規範已經在四個關鍵領域證明了它們的價值,確保MIPI在進入5G時代對智慧型手機廠商的吸引力。

歷經3G/4G淬鍊   為5G做好準備

首先,MIPI介面可以在高速和低延遲運作下於諸如應用處理器和相機等元件之間進行傳輸,因此,系統設計人員不必擔心介面會產生瓶頸並妨礙使用者的體驗。鑑於使用者要求5G裝置比3G和4G機種更加快速、反應能力更高,因此MIPI規範的這一特性尤為重要。

其次,MIPI規範的高效能也展現了5G智慧型手機低接腳數的關鍵優勢。例如,MIPI PHY的高效能加上低速MIPI I3C的協定效率使應用處理器和周邊的接腳數最小化。這意味著裝置更小,晶片、印刷電路板(PCB)走線和連接器上的互連更少。以這種方式降低複雜性有助於控制裝置成本,這對智慧型手機和其他消費裝置都具有極大的競爭價值,特別是物聯網領域預計未來幾年會對價格非常敏感。

MIPI規範的第三個關鍵優勢是低功耗。由於使用者要求裝置具備更長的電池續航力,因此行動介面的能源效率是關鍵。MIPI介面以多種技術減少電磁干擾(EMI),例如實體層上的高速低壓擺動(MIPI C-PHY、MIPI D-PHY或MIPI M-PHY);在所有低速CMOS介面(如MIPI RFFE和MIPI I3C)中提供1.2V電平,並支持壓擺率控制。結合旨在增加電池續航力的5G標準,MIPI規範的低功耗設計也符合物聯網應用的市場要求,其中遠程感測器可能需要十年或更長的電池續航力。

第四,MIPI介面是專門針對低EMI設計的,這對於5G而言比3G和4G更為重要。由於5G比3G和4G使用更多的頻譜和Tx/Rx頻段,因此在這一代行動技術中增加了干擾的機會。但是,MIPI規範旨在滿足嚴格的EMI要求,並確保干擾不會損害行動裝置的效能和可靠性。

最後,應該注意的是,由於智慧型手機系統設計人員在3G和4G推出期間使用了上述和其他MIPI規範,因此建置5G解決方案的介面不需要陡峭的學習曲線,這是5G裝置如此迅速上市且符合經濟效益的重要原因。

技術演進迎合當今/未來應用需求

在新一代無線網路標準制定工作開始七年後,5G已經到來。要實現5G願景─創造更快、更可靠的智慧型手機體驗,以及快速開發和布建創新應用領域(如聯網汽車、AR/VR和物聯網)將需要專門為此任務設計的行動介面。幸運的是,MIPI聯盟多年來一直在研究這些相互關聯的介面,因此有望幫助實現營運商、裝置供應商、應用程式開發商共享的5G願景。

MIPI聯盟於2003年成立,就像3G網路和裝置進入歐洲和其他地區的市場一樣,首批MIPI規範實現了應用處理器、相機和顯示器之間的連接,這些技術突破催生了全球市場上首款具備拍照功能的手機。而多年來,MIPI聯盟不斷開發和改進規範,以提高行動元件之間鏈路的速度、延遲和功率,繼續推動3G和4G行動體驗的提升。因應5G的到來,MIPI工作小組已經開始研究支援當前以及未來應用市場所需的顯示器、相機、RF前端、實體層和其他補充介面的推進。

(本文作者為三星行銷總監暨MIPI行銷指導小組主席)

本站使用cookie及相關技術分析來改善使用者體驗。瞭解更多

我知道了!