Ontwerp en ontwikkeling van 5G-apparaten:5G-prestatiebereiken

Hoe kunnen technici het juiste prestatiebereik kiezen voor hun 5G-toepassing?

De beloften van 5G (5e generatie) communicatie en connectiviteitsprotocol worden werkelijkheid. Er worden nu 5G-netwerken ingezet die snellere datasnelheden, lagere latentietijden en grotere bandbreedte bieden.

Voordat we verder gaan, moet worden opgemerkt dat 5G bestaat uit verschillende prestatieniveaus. 5G-netwerken bestaan ​​uit een:

• Lage bandbereik (600 MHz tot 3 GHz)
• Mid-band bereik (3GHz tot 6GHz)
• Millimetergolfbereik (>10Ghz) of mmWave

Nieuwe en bestaande 5G-implementaties maken voornamelijk gebruik van lage en middenbandfrequentiebereiken. Deze lagere 5G-frequenties bieden hogere download- en uploadsnelheden, snellere connectiviteit en grotere "verkeers"-capaciteit dan de momenteel gebruikte 4G LTE-platforms.

Bovendien zijn deze 5G-platforms met een lagere frequentie gemakkelijker in te zetten, kunnen transmissiesignalen verder reizen en zijn ze beter bestand tegen obstakels en slecht weer dan de veel hogere 5G mmWave-banden.

Maar de "heilige graal" van prestaties zal bestaan ​​​​wanneer deze hogere 5G "mmWave" -frequenties op grote schaal worden ingezet. Dit mmWave-platform biedt datatransmissiesnelheden die 5x tot 10x sneller zijn dan 4G LTE, en, belangrijker nog, latentiesnelheden die 10x tot 20x kleiner zijn dan 4G LTE.

Een belangrijk onderdeel van elk gesprek over connectiviteit is latentie. Latency (of vertraging) verwijst naar hoe snel een netwerk reageert op een actie of invoer. Latency fungeert als een game-changer voor de komst van verschillende toepassingen voor 5G-netwerken, waaronder echt autonoom rijden, medische procedures op afstand, razendsnelle gaming en een groot aantal toepassingen die tegenwoordig onmogelijk zijn.

Dus, als de "game-veranderende" technologie bestaat, waarom zou u deze dan niet nu gebruiken?

Het korte antwoord is implementatie. Er zijn verschillende beperkingen met betrekking tot de inzet van 5G mmWave-frequenties. Dit zeer hoogfrequente signaal legt slechts 20% van de afstand af als 5G lage band. Deze signalen dringen niet zo gemakkelijk door muren, glas en slecht weer als de lagere frequentiebanden. En de huidige transmissie-infrastructuur vereist een ingrijpende herziening om wijdverbreide inzet mogelijk te maken.

Vanuit een productdefinitie en ontwikkelingsperspectief moeten deze verschillende 5G-prestatieniveaus zorgvuldig worden overwogen. Als u het verkeerde prestatieniveau kiest, kan het productontwerp te duur worden of juist niet de prestaties leveren die nodig zijn om aan de beoogde toepassing te voldoen.

Toepassingen waar 5G zal domineren

Een recent rapport van Molex getiteld The State of 5G onthulde de resultaten van een enquête die werd voorgelegd aan belanghebbenden op het gebied van R&D, engineering en producten. In dat onderzoek was een vraag opgenomen over welke markt zij verwachtten de eerste te zijn die aanzienlijke nieuwe bedrijfsinkomsten zou genereren door gebruik te maken van 5G-technologie. De respondenten kregen een lijst met categorieën consumentenapparaten te zien en moesten er twee kiezen. Dit zijn de resultaten:

• Consumentenapparaten (43%) , inclusief gaming, smart home, consumentenwearables en huisbeveiliging
• Industriële en IIoT-toepassingen (35%) , zoals automatisering, robotica, procesbesturing, smart grid, logistiek
• Vaste draadloze toegang (33%) , zoals 5G-enabled thuistoegang
• Autotoepassingen (29%) met telematica, draadloze toegang voor passagiers, autonome besturing
• Private bedrijfsnetwerken (25%)
• Medische hulpmiddelen (19%) , zoals medische wearables en aangesloten implantaten, evenals operaties op afstand, patiëntbewaking en fysiotherapie op afstand

Naarmate 5G evolueert, groeien ook talloze groeimogelijkheden.

Kritische factoren voor het implementeren van 5G op apparaatniveau

Er zijn veel gebruiksscenario's om uit te kiezen, aangezien men elk systeem met 5G-ondersteuning ontwerpt en test. Laten we ons concentreren op drie specifieke gebieden:

• Verbeterde mobiele breedband (EMBB)
• Ultra-betrouwbaar en lage latentie (URLL)
• Massieve communicatie van het machinetype (mMTC)

Naast de complexiteit van de applicatie, brengt elk van deze use-cases veel verschillende ontwerp- en testuitdagingen met zich mee. Laten we beginnen met ons te concentreren op de vereisten voor de RF-antenne.

Een voorbeeld van een testkamer voor 5G-antennes (links) en een weergave van een bundelpatroonanalyse voor een 5G-antennearray (rechts). Afbeelding van Molex

Het ontwerp van de RF-antenne illustreert het cruciale belang bij de keuze van de 5G-frequentiebanden om in te werken. Afhankelijk van deze frequentiekeuzes heeft 5G veel meer antennes nodig voor Massive MIMO (mMIMO) beamforming dan 4G. Dit betekent ook dat arrays van 5G-antennes correct moeten worden ontworpen en ingezet. Implementatie leidt tot verschillende verpakkings- en plaatsingsbeslissingen.

Effectieve implementatie van beamforming en beam steering op apparaatniveau is ook essentieel. 5G-netwerken maximaliseren de signaaloverdracht met behulp van beamforming, waarbij vormgerichte signalen tussen de zender en ontvanger worden doorgegeven.

Ook belangrijk om concurrerend te blijven in de 5G-markt zijn modules voor de efficiënte conversie van analoog naar digitaal en het bepalen welke connector- en interconnect-benaderingen het beste werken met de hoge frequenties die in 5G worden aangetroffen.

Geavanceerde 5G-apparaattesten

Grondige tests zijn van cruciaal belang voor succesvolle lanceringen van 5G-apparaten en naleving van internationale normen (die zeer waarschijnlijk zullen evolueren met 5G). Dit proces omvat zowel geavanceerde simulatie als fysieke tests. Het kan zelfs meer uitputtende studies inhouden, aangezien slechts een tiende van een mm in grootteverandering een aanzienlijke invloed kan hebben op de prestaties van een apparaat.

Een ingenieur past een testkamer aan. Afbeelding van Molex

Apparaten die zijn ontworpen om te profiteren van 5G, moeten worden getest met betrekking tot stralingsemissies, beamforming-mogelijkheden en high-gain antennes. Bovendien moeten testfaciliteiten worden voorbereid met ultrahoge precisie-positioners om de beoordeling van het brede scala aan frequenties die bij 5G betrokken zijn, te ondersteunen.