5G 设备的设计和开发：5G 性能范围

工程师如何为他们的 5G 应用选择正确的性能范围？

5G（第 5 代）通信和连接协议的承诺正在成为现实。现在正在部署 5G 网络，提供更快的数据速率、更短的延迟时间和更高的带宽。

在进一步讨论之前，需要注意的是，5G 由几个不同的性能级别组成。 5G 网络包括：

• 低频段范围（600MHz 至 3GHz）
• 中频范围（3GHz 至 6GHz）
• 毫米波范围 (>10Ghz) 或毫米波

新的和现有的 5G 部署主要使用低频段和中频段频率范围。与当前部署的 4G LTE 平台相比，这些较低的 5G 频率提供更快的下载和上传速度、更快的连接和更大的“流量”容量。

此外，与更高的 5G 毫米波频段相比，这些 5G 低频平台更易于部署，使传输信号能够传播得更远，并且对障碍物和恶劣天气的适应能力更强。

但是，当这些更高的 5G“毫米波”频率被广泛部署时，性能的“圣杯”就会存在。该毫米波平台的数据传输速率将比 4G LTE 快 5 到 10 倍，最重要的是，延迟率比 4G LTE 小 10 到 20 倍。

任何有关连接性的对话的一个关键组成部分是延迟。延迟（或延迟）是指网络对动作或输入的反应速度。随着 5G 网络应用的出现，延迟成为了游戏规则的改变者，包括真正的自动驾驶、远程医疗程序、闪电般的游戏，以及许多今天不可能实现的应用。

那么，如果“改变游戏规则”的技术存在，为什么不现在就使用它？

简短的回答是部署。 5G 毫米波频率的部署存在若干限制。这种非常高频的信号传输距离仅为 5G 低频段的 20%。这些信号不像低频段那样容易穿透墙壁、玻璃和恶劣天气。而当前的传输基础设施需要进行大修才能实现广泛部署。

从产品定义和开发的角度来看，必须仔细考虑这些不同的 5G 性能水平。选择错误的性能级别可能会使产品设计成本过高，或者反过来可能无法满足目标应用所需的性能。

5G 将占据主导地位的应用

Molex 最近发布的一份题为“5G 现状”的报告揭示了向研发、工程和产品利益相关者提交的调查结果。该调查包括一个问题，即他们预计哪个市场将首先通过利用 5G 技术产生可观的新业务收入。受访者会看到一份消费设备类别列表，并要求他们选择两个。结果如下：

• 消费类设备 (43%) ，包括游戏、智能家居、消费者可穿戴设备和家庭安全
• 工业和 IIoT 应用 (35%) ，例如自动化、机器人、过程控制、智能电网、物流
• 固定无线接入 (33%) ，例如支持 5G 的家庭访问
• 汽车应用 （29%） 涉及远程信息处理、乘客无线接入、自主控制
• 企业专用网络 (25%)
• 医疗设备 (19%) ，例如医疗可穿戴设备和互联植入物以及远程手术、患者监护和远程物理治疗

随着 5G 的发展，无数的增长机会也在不断发展。

在设备层面实施 5G 的关键因素

作为一种设计和测试任何支持 5G 的系统，有许多用例可供选择。让我们专注于三个具体领域：

• 增强型移动宽带 (EMBB)
• 超可靠和低延迟 (URLL)
• 大规模机器类型通信 (mMTC)

除了应用程序的复杂性之外，这些用例中的每一个都涉及许多不同的设计和测试挑战。让我们首先关注射频天线要求。

5G 天线的示例测试室（左）和 5G 天线阵列的波束图分析表示（右）。图片来自 Molex

射频天线设计说明了选择运行在哪些 5G 频段方面的重要性。根据这些频率选择，5G 需要比 4G 多得多的天线用于大规模 MIMO (mMIMO) 波束成形。这也意味着必须正确设计和部署 5G 天线阵列。部署会导致多个打包和放置决策。

在设备级别有效实施波束成形和波束控制也是关键。 5G 网络使用波束成形最大化信号传输，其中形状定向的信号在发射器和接收器之间传递。

在 5G 市场中保持竞争力的另一个重要因素是模块，用于有效地将模拟转换为数字并确定哪种连接器和互连方法最适合 5G 中的高频。

高级 5G 设备测试

彻底的测试对于成功推出 5G 设备和符合国际标准（这些标准很可能会随着 5G 发展）至关重要。此过程包括高级模拟和物理测试。考虑到仅十分之一毫米的尺寸变化就会对设备的性能产生重大影响，这可能涉及更详尽的研究。

一名工程师正在调整测试室。图片来自 Molex

旨在利用 5G 的设备将需要进行与辐射发射、波束成形能力和高增益天线相关的测试。此外，测试设施必须配备超高精度定位器，以支持评估 5G 涉及的广泛频率。

很明显，存在与天线设计、波束成形和部署相关的重大设计挑战。一旦对设计进行了彻底的分析，物理测试就变得至关重要，以确保严格遵守或超过国际标准。此测试可能需要先进的测试设施。

Molex 拥有将支持 5G 的设备从概念推向市场所需的组件和解决方案。作为毫米波测试技术的早期投资者，Molex 长期以来一直是 5G 测试和设计能力的领跑者。作为 Molex 的授权经销商，Sager Electronics 提供广泛的 Molex 连接产品组合，以增强支持 5G 的设计。

Sager Electronics 还是其他机电、电力和热产品和技术的来源，以实现完整的 5G 系统功能。

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