Molex莫仕5G移動技術(shù)白皮書

計算機和無線蜂窩技術(shù)的融合，幾乎改變了社會的方方面面。移動設(shè)備已經(jīng)融入我們的日常工作和生活，滲透到從商業(yè)到教育，從約會到個人健身等各個方面。此外，5G巨大的營銷潛力會影響許多行業(yè)，例如醫(yī)療，汽車和工業(yè)等行業(yè)。但是，當今電信基礎(chǔ)架構(gòu)所采用的無線技術(shù)（3G/4G通信標準，例如CDMA，GSM和LTE）根本無法打造未來數(shù)字世界。移動和嵌入式設(shè)備制造商現(xiàn)在正在展望無線蜂窩通信的未來，來真正實現(xiàn)以移動為中心的世界。

下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備技術(shù)統(tǒng)稱為 5G（第5代無線通訊技術(shù)）已開始在全球推廣。5G代表的不是無線通訊領(lǐng)域中的演進，而是革命。如今人們要求移動設(shè)備始終處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，這也推動了設(shè)備制造商（OEM）進步，這些設(shè)備制造商（OEM）過去可能沒有將無線蜂窩通信集成到其設(shè)備中，而如今則必須考慮5G對他們系列產(chǎn)品的影響。國際電信聯(lián)盟無線電通信部門（ITU-R）為5G建立了3類整體用途，移動設(shè)備制造商應(yīng)為未來的產(chǎn)品考慮這3類用途：

1.增強型移動寬帶（eMBB）通訊

2.大型機器類通信（mMTC）

3.超可靠和低延遲通信（URLLC）

移動性至上：隨處工作和娛樂

對于我們許多人來說，智能手機、平板電腦和筆記本電腦等移動設(shè)備現(xiàn)在是我們的主要計算設(shè)備。此外，與CPU或RAM一樣，互聯(lián)網(wǎng)連接對于移動設(shè)備也是非常必要的。但是，我們設(shè)備在不同位置上網(wǎng)方面有些脫節(jié)。例如，當遠離住宅或辦公室時，我們的智能手機往往依賴于移動連接來訪問互聯(lián)網(wǎng)。目前的互聯(lián)網(wǎng)連接不是一個無縫的連接方式。

移動設(shè)備將逐漸成為體驗和控制大量互動的樞紐。5G的關(guān)鍵用途之一是機器對機器的通信。移動設(shè)備將作為用戶界面，與智能型、可連接式、嵌入式系統(tǒng)（例如可穿戴設(shè)備、智能家居/建筑物/工廠、機器人和VR/AR硬件）進行互動。如今新冠疫情大流行正在改變著世界，大家希望遠程辦公和社交，這種愿望呈指數(shù)增長。因此人們對相關(guān)產(chǎn)品的需求也呈現(xiàn)爆炸式增長。

5G使我們有機會整合各種互聯(lián)網(wǎng)接入方式，提供一種統(tǒng)一的接入方案，為所有移動設(shè)備提供無處不在的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)?？梢韵胂?，5G可以使我們所有的設(shè)備恒定連接到無線互聯(lián)網(wǎng)，尤其是在人口稠密的地區(qū)。但是，應(yīng)該指出的是，Wi-Fi技術(shù)仍在繼續(xù)發(fā)展并且不會消失，它可能會補充5G并與之競爭。

5G運營環(huán)境

第3代合作伙伴計劃（3GPP）已將設(shè)備和蜂窩之間的5G空中接口定義為新無線電（NR）。根據(jù)頻率分配，5G使用FR1和FR2這兩個總體頻段。當前的NR標準支持的頻率范圍是600MHz到50GHz以上這個范圍。此外，研究和開發(fā)人員正在努力在此基礎(chǔ)上研發(fā)更快的速率，頻率接近100GHz或更高。從電子設(shè)計的角度來看，這是頻譜的很大一部分，在5G頻率范圍上下限之間的信號特性非常不同。正如我們將在本白皮書中看到的那樣，這一事實將促使工程師在設(shè)計過程的早期考慮他們將在其產(chǎn)品中支持哪些頻率，因為該決定將影響到后期開發(fā)階段的許多方面。

第一個頻帶稱為FR1，進一步分為低頻帶（600至700MHz）和中頻帶（2.5至3.7GHz）。FR1頻段已經(jīng)是電磁頻譜中非常擁擠的部分。3G/4G蜂窩無線電并不是在6GHz以下頻譜中運行的唯一設(shè)備。這些頻率也充滿了Wi-Fi、全球定位系統(tǒng)（GPS）、藍牙和Zigbee通信信號，其它非通信設(shè)備。

第二個頻段FR2包含24至39GHz的毫米波波長（mmWave）頻率。簡而言之，毫米波頻率的優(yōu)點是頻率越高，數(shù)據(jù)速率越快。低頻段頻率提供了類似4G的25Mbps到200Mbps下載，而FR2頻段則可能提供20Gbps的下行鏈路。從物理學角度來看，毫米波的波長大約為1厘米至1毫米，這對應(yīng)大約30GHz至300GHz的頻率范圍。

速度的提高確實也伴隨著弊端的產(chǎn)生。首先，這些頻率的傳播趨于直線傳播，因此受到很大限制。另外，較高的頻率也會在一定距離內(nèi)更快地衰減，為了彌補這些損失，必須部署更多的蜂窩，可以使用多種蜂窩配置來應(yīng)對毫米波頻率的實際情況。范圍從毫微蜂窩（Femtocells）到城域蜂窩（metrocells）。

設(shè)計和工程考慮

5G帶來無線通信性能的重大提高。這種性能提升的確是以增加復(fù)雜性和獨特的工程設(shè)計挑戰(zhàn)為代價的。具體而言，這些挑戰(zhàn)包括：

1.信號傳輸

2.電源和熱管理

3.天線模塊的位置和尺寸

4.高頻設(shè)備內(nèi)的信令

更多天線，更少空間

盡管從技術(shù)角度來看5G代表了革命性的升級，但隨著運營商以不同的頻譜構(gòu)建其網(wǎng)絡(luò)，其覆蓋范圍、延遲和數(shù)據(jù)承載能力將有所不同，因此其推出的網(wǎng)絡(luò)將是多種多樣的。

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此外，幾乎可以肯定的是：在4G到5G過渡期間發(fā)布的移動設(shè)備除了5G外還必須包含多個天線來處理3G和4G LTE波形。此外，在可預(yù)見的將來，藍牙LE，IEEE802.11 Wi-Fi和GPS將繼續(xù)在6GHz以下頻段中運行。這意味著在毫米波和6GHz以下天線設(shè)計之間進行選擇不一定是非此即彼的選擇。

連接器對傳輸路徑的影響

除了應(yīng)對空中接口和相關(guān)天線方面的挑戰(zhàn)之外，極高頻率的5G信號還給單片微波集成電路（MMIC）、芯片與封裝之間的互連，印刷電路、電纜組件和連接器帶來了更多挑戰(zhàn)。如果在設(shè)計過程中處理不當，傳輸線可能會出現(xiàn)難以糾正的錯誤。如果印刷電路長度大于信號波長的四分之一，則在設(shè)計時必須考慮傳輸線的影響。

要實現(xiàn)有效和高效的基于毫米波的系統(tǒng)，連接器方面也可能遇到難題。元器件設(shè)計人員必須滿足在連接器幾何形狀、尺寸和材料選擇方面的限制要求，同時還必須匹配整個傳輸線的特征阻抗。阻抗匹配對于減少信號反射和實現(xiàn)最大功率的傳輸至關(guān)重要。反過來，這可使天線輻射的能量最大化，從而為接收器生成最強的無線信號。5G連接器必須能夠處理比上一代產(chǎn)品更大的功率（在某些情況下可能會出現(xiàn)15安培以上的瞬時電流）。

對5G元器件的要求

5G移動設(shè)備中使用的元器件，在電氣和機械性能方面必須符合相關(guān)嚴格要求。5G元器件必須整合到包括傳統(tǒng)3G/4G和Wi-Fi硬件的設(shè)備中，這些設(shè)備至少將在初始階段包含這些硬件。毫米波頻率在消費類移動設(shè)備中的使用是史無前例的。選擇5G元器件的其它考慮因素包括：

1.低延遲、低噪聲

2.高密度

3.經(jīng)濟高效

4.可制造性

5.堅固性

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作為Molex的授權(quán)分銷商，Heilind可為市場提供相關(guān)產(chǎn)品服務(wù)與支持，此外Heilind也供應(yīng)多家世界頂級制造商的產(chǎn)品，涵蓋25種不同元器件類別，并重視所有的細分市場和所有的顧客，不斷尋求廣泛的產(chǎn)品供應(yīng)來覆蓋所有市場。