Molex莫仕5G移动技术白皮书

计算机和无线蜂窝技术的融合，几乎改变了社会的方方面面。移动设备已经融入我们的日常工作和生活，渗透到从商业到教育，从约会到个人健身等各个方面。此外，5G巨大的营销潜力会影响许多行业，例如医疗，汽车和工业等行业。但是，当今电信基础架构所采用的无线技术（3G/4G通信标准，例如CDMA，GSM和LTE）根本无法打造未来数字世界。移动和嵌入式设备制造商现在正在展望无线蜂窝通信的未来，来真正实现以移动为中心的世界。

下一代蜂窝网络和设备技术统称为 5G（第5代无线通讯技术）已开始在全球推广。5G代表的不是无线通讯领域中的演进，而是革命。如今人们要求移动设备始终处于联网状态，这也推动了设备制造商（OEM）进步，这些设备制造商（OEM）过去可能没有将无线蜂窝通信集成到其设备中，而如今则必须考虑5G对他们系列产品的影响。国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）为5G建立了3类整体用途，移动设备制造商应为未来的产品考虑这3类用途：

1.增强型移动宽带（eMBB）通讯

2.大型机器类通信（mMTC）

3.超可靠和低延迟通信（URLLC）

移动性至上：随处工作和娱乐

对于我们许多人来说，智能手机、平板电脑和笔记本电脑等移动设备现在是我们的主要计算设备。此外，与CPU或RAM一样，互联网连接对于移动设备也是非常必要的。但是，我们设备在不同位置上网方面有些脱节。例如，当远离住宅或办公室时，我们的智能手机往往依赖于移动连接来访问互联网。目前的互联网连接不是一个无缝的连接方式。

移动设备将逐渐成为体验和控制大量互动的枢纽。5G的关键用途之一是机器对机器的通信。移动设备将作为用户界面，与智能型、可连接式、嵌入式系统（例如可穿戴设备、智能家居/建筑物/工厂、机器人和VR/AR硬件）进行互动。如今新冠疫情大流行正在改变着世界，大家希望远程办公和社交，这种愿望呈指数增长。因此人们对相关产品的需求也呈现爆炸式增长。

5G使我们有机会整合各种互联网接入方式，提供一种统一的接入方案，为所有移动设备提供无处不在的互联网接入服务。可以想象，5G可以使我们所有的设备恒定连接到无线互联网，尤其是在人口稠密的地区。但是，应该指出的是，Wi-Fi技术仍在继续发展并且不会消失，它可能会补充5G并与之竞争。

5G运营环境

第3代合作伙伴计划（3GPP）已将设备和蜂窝之间的5G空中接口定义为新无线电（NR）。根据频率分配，5G使用FR1和FR2这两个总体频段。当前的NR标准支持的频率范围是600MHz到50GHz以上这个范围。此外，研究和开发人员正在努力在此基础上研发更快的速率，频率接近100GHz或更高。从电子设计的角度来看，这是频谱的很大一部分，在5G频率范围上下限之间的信号特性非常不同。正如我们将在本白皮书中看到的那样，这一事实将促使工程师在设计过程的早期考虑他们将在其产品中支持哪些频率，因为该决定将影响到后期开发阶段的许多方面。

第一个频带称为FR1，进一步分为低频带（600至700MHz）和中频带（2.5至3.7GHz）。FR1频段已经是电磁频谱中非常拥挤的部分。3G/4G蜂窝无线电并不是在6GHz以下频谱中运行的唯一设备。这些频率也充满了Wi-Fi、全球定位系统（GPS）、蓝牙和Zigbee通信信号，其它非通信设备。

第二个频段FR2包含24至39GHz的毫米波波长（mmWave）频率。简而言之，毫米波频率的优点是频率越高，数据速率越快。低频段频率提供了类似4G的25Mbps到200Mbps下载，而FR2频段则可能提供20Gbps的下行链路。从物理学角度来看，毫米波的波长大约为1厘米至1毫米，这对应大约30GHz至300GHz的频率范围。

速度的提高确实也伴随着弊端的产生。首先，这些频率的传播趋于直线传播，因此受到很大限制。另外，较高的频率也会在一定距离内更快地衰减，为了弥补这些损失，必须部署更多的蜂窝，可以使用多种蜂窝配置来应对毫米波频率的实际情况。范围从毫微蜂窝（Femtocells）到城域蜂窝（metrocells）。

设计和工程考虑

5G带来无线通信性能的重大提高。这种性能提升的确是以增加复杂性和独特的工程设计挑战为代价的。具体而言，这些挑战包括：

1.信号传输

2.电源和热管理

3.天线模块的位置和尺寸

4.高频设备内的信令

更多天线，更少空间

尽管从技术角度来看5G代表了革命性的升级，但随着运营商以不同的频谱构建其网络，其覆盖范围、延迟和数据承载能力将有所不同，因此其推出的网络将是多种多样的。

 

此外，几乎可以肯定的是：在4G到5G过渡期间发布的移动设备除了5G外还必须包含多个天线来处理3G和4G LTE波形。此外，在可预见的将来，蓝牙LE，IEEE802.11 Wi-Fi和GPS将继续在6GHz以下频段中运行。这意味着在毫米波和6GHz以下天线设计之间进行选择不一定是非此即彼的选择。

连接器对传输路径的影响

除了应对空中接口和相关天线方面的挑战之外，极高频率的5G信号还给单片微波集成电路（MMIC）、芯片与封装之间的互连，印刷电路、电缆组件和连接器带来了更多挑战。如果在设计过程中处理不当，传输线可能会出现难以纠正的错误。如果印刷电路长度大于信号波长的四分之一，则在设计时必须考虑传输线的影响。

要实现有效和高效的基于毫米波的系统，连接器方面也可能遇到难题。元器件设计人员必须满足在连接器几何形状、尺寸和材料选择方面的限制要求，同时还必须匹配整个传输线的特征阻抗。阻抗匹配对于减少信号反射和实现最大功率的传输至关重要。反过来，这可使天线辐射的能量最大化，从而为接收器生成最强的无线信号。5G连接器必须能够处理比上一代产品更大的功率（在某些情况下可能会出现15安培以上的瞬时电流）。

对5G元器件的要求

5G移动设备中使用的元器件，在电气和机械性能方面必须符合相关严格要求。5G元器件必须整合到包括传统3G/4G和Wi-Fi硬件的设备中，这些设备至少将在初始阶段包含这些硬件。毫米波频率在消费类移动设备中的使用是史无前例的。选择5G元器件的其它考虑因素包括：

1.低延迟、低噪声

2.高密度

3.经济高效

4.可制造性

5.坚固性

 

作为Molex的授权分销商，Heilind可为市场提供相关产品服务与支持，此外Heilind也供应多家世界顶级制造商的产品，涵盖25种不同元器件类别，并重视所有的细分市场和所有的顾客，不断寻求广泛的产品供应来覆盖所有市场。