Design und Entwicklung von 5G-Geräten:5G-Leistungsbereiche

Wie können Ingenieure den richtigen Leistungsbereich für ihre 5G-Anwendung auswählen?

Die Versprechen des Kommunikations- und Konnektivitätsprotokolls 5G (5. Generation) werden Realität. 5G-Netzwerke werden jetzt bereitgestellt und bieten schnellere Datenraten, geringere Latenzzeiten und mehr Bandbreite.

Bevor es weitergeht, sei darauf hingewiesen, dass 5G aus mehreren unterschiedlichen Leistungsstufen besteht. 5G-Netze bestehen aus:

• Low-Band-Bereich (600 MHz bis 3 GHz)
• Mittelbandbereich (3 GHz bis 6 GHz)
• Millimeterwellenbereich (>10 GHz) oder mmWave

Neue und bestehende 5G-Implementierungen verwenden hauptsächlich niedrige und mittlere Frequenzbereiche. Diese niedrigeren 5G-Frequenzen bieten schnellere Download- und Upload-Geschwindigkeiten, schnellere Konnektivität und eine größere "Verkehrskapazität" als die derzeit eingesetzten 4G-LTE-Plattformen.

Darüber hinaus sind diese 5G-Plattformen mit niedrigerer Frequenz einfacher zu implementieren, ermöglichen eine weitere Übertragung von Übertragungssignalen und sind widerstandsfähiger gegenüber Hindernissen und schlechtem Wetter als die viel höheren 5G-mm-Wellenbänder.

Aber der „heilige Gral“ der Leistung wird existieren, wenn diese höheren 5G „mmWave“-Frequenzen weit verbreitet sind. Diese mmWave-Plattform bietet Datenübertragungsraten 5x bis 10x schneller als 4G LTE und vor allem Latenzraten 10x bis 20x niedriger als 4G LTE.

Eine Schlüsselkomponente jeder Konversation über Konnektivität ist die Latenz. Latenz (oder Verzögerung) bezieht sich darauf, wie schnell ein Netzwerk auf eine Aktion oder eine Eingabe reagiert. Latenz ist ein entscheidender Faktor für das Aufkommen mehrerer Anwendungen für 5G-Netzwerke, darunter echtes autonomes Fahren, medizinische Fernverfahren, blitzschnelles Spielen und eine Vielzahl von Anwendungen, die heute unmöglich sind.

Also, wenn es die „bahnbrechende“ Technologie gibt, warum nicht jetzt diese nutzen?

Die kurze Antwort ist Bereitstellung. Bei der Bereitstellung von 5G mmWave-Frequenzen gibt es mehrere Einschränkungen. Dieses sehr hochfrequente Signal legt nur 20 % der Distanz als 5G-Lowband zurück. Diese Signale durchdringen Wände, Glas und schlechtes Wetter nicht so leicht wie die unteren Frequenzbänder. Und die derzeitige Übertragungsinfrastruktur erfordert eine umfassende Überholung, um eine flächendeckende Bereitstellung zu ermöglichen.

Aus Produktdefinitions- und Entwicklungsperspektive müssen diese verschiedenen 5G-Leistungsstufen sorgfältig abgewogen werden. Die Wahl des falschen Leistungsniveaus könnte das Produktdesign zu teuer machen oder umgekehrt möglicherweise nicht die erforderliche Leistung erbringen, um die Zielanwendung zu erfüllen.

Anwendungen, bei denen 5G dominieren wird

Ein kürzlich von Molex veröffentlichter Bericht mit dem Titel The State of 5G enthüllte die Ergebnisse einer Umfrage, die den Interessengruppen aus Forschung und Entwicklung, Technik und Produkten vorgelegt wurde. In dieser Umfrage war auch die Frage enthalten, welcher Markt voraussichtlich der erste ist, der durch die Nutzung der 5G-Technologie signifikante neue Geschäftseinnahmen generieren wird. Den Befragten wurde eine Liste von Verbrauchergerätekategorien vorgelegt und sie wurden gebeten, zwei auszuwählen. Hier sind die Ergebnisse:

• Consumer-Geräte (43 %) , einschließlich Gaming, Smart Home, Consumer Wearables und Home Security
• Industrielle und IIoT-Anwendungen (35 %) , wie Automatisierung, Robotik, Prozesssteuerung, Smart Grid, Logistik
• Fester WLAN-Zugang (33 %) , z. B. 5G-fähiger Heimzugriff
• Automotive-Anwendungen (29 %) mit Telematik, drahtlosem Fahrgastzugang, autonomer Steuerung
• Private Unternehmensnetzwerke (25 %)
• Medizinische Geräte (19%) , wie medizinische Wearables und verbundene Implantate sowie Fernoperationen, Patientenüberwachung und Ferntherapie

Mit der Weiterentwicklung von 5G entwickeln sich auch unzählige Wachstumschancen.

Kritische Faktoren für die Implementierung von 5G auf Geräteebene

Es gibt viele Anwendungsfälle, aus denen Sie wählen können, während ein 5G-fähiges System entwickelt und getestet wird. Konzentrieren wir uns auf drei spezifische Bereiche:

• Verbessertes mobiles Breitband (EMBB)
• Ultra-zuverlässig und mit geringer Latenz (URLL)
• Massive Machine-Type Communication (mMTC)

Zusätzlich zur Komplexität der Anwendung bringt jeder dieser Anwendungsfälle viele verschiedene Design- und Testherausforderungen mit sich. Beginnen wir damit, uns auf die Anforderungen an die HF-Antenne zu konzentrieren.

Eine beispielhafte Prüfkammer für 5G-Antennen (links) und eine Darstellung einer Strahlmusteranalyse für ein 5G-Antennen-Array (rechts). Bild von Molex

Das Design von HF-Antennen veranschaulicht die entscheidende Bedeutung bei der Wahl der 5G-Frequenzbänder, in denen der Betrieb erfolgen soll. Abhängig von dieser Frequenzauswahl erfordert 5G weit mehr Antennen für Massive MIMO (mMIMO) Beamforming als 4G. Dies bedeutet auch, dass Arrays von 5G-Antennen richtig entworfen und eingesetzt werden müssen. Die Bereitstellung führt zu mehreren Verpackungs- und Platzierungsentscheidungen.

Die effektive Implementierung von Beamforming und Beam Steering auf Geräteebene ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung. 5G-Netzwerke maximieren die Signalübertragung durch Beamforming, bei dem formgerichtete Signale zwischen Sender und Empfänger übertragen werden.

Ebenfalls wichtig, um auf dem 5G-Markt wettbewerbsfähig zu bleiben, sind Module für die effiziente Umwandlung von Analog zu Digital und zur Bestimmung, welche Verbindungs- und Verbindungsansätze am besten mit den hohen Frequenzen von 5G funktionieren.

Erweiterte 5G-Gerätetests

Gründliche Tests sind entscheidend für die erfolgreiche Einführung von 5G-Geräten und die Einhaltung internationaler Standards (die sich sehr wahrscheinlich mit 5G weiterentwickeln werden). Dieser Prozess umfasst sowohl erweiterte Simulationen als auch physikalische Tests. Es können sogar noch umfassendere Studien erforderlich sein, wenn man bedenkt, dass eine Größenänderung von nur einem Zehntel mm einen erheblichen Einfluss auf die Leistung eines Geräts haben kann.

Ein Ingenieur passt eine Testkammer an. Bild von Molex

Geräte, die 5G nutzen sollen, erfordern Tests in Bezug auf Strahlungsemissionen, Beamforming-Fähigkeiten und Antennen mit hoher Verstärkung. Darüber hinaus müssen Testeinrichtungen mit ultra-hochpräzisen Positionierern vorbereitet werden, um die Bewertung des breiten Frequenzbereichs von 5G zu unterstützen.

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Es ist klar, dass es erhebliche Designherausforderungen in Bezug auf Antennendesign, Beamforming und Bereitstellung gibt. Sobald die Designs gründlich analysiert wurden, werden physikalische Tests entscheidend, um sicherzustellen, dass internationale Standards strikt eingehalten oder übertroffen werden. Diese Tests erfordern möglicherweise erweiterte Testeinrichtungen.

Molex verfügt über die Komponenten und Lösungen, die erforderlich sind, um ein 5G-fähiges Gerät vom Konzept bis zur Marktreife zu bringen. Als früher Investor in mmWave-Testtechnologien war Molex seit langem ein Vorreiter bei 5G-Test- und -Designfunktionen. Als autorisierter Molex-Distributor bietet Sager Electronics ein umfangreiches Molex-Konnektivitätsportfolio zur Verbesserung des 5G-fähigen Designs.

Sager Electronics ist auch eine Quelle für zusätzliche elektromechanische, Energie- und Wärmeprodukte und -technologien, um die vollständige 5G-Systemfunktionalität zu ermöglichen.

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