5G on historian nopeimmin kasvava mobiiliverkkojen tekniikka. On olemassa lukuisia syitä, joiden takia 5G kasvattaa suosiotaan. Molexin markkinointipäällikkö Darryl Wilson listaa niistä kymmenen tärkeintä.

5G: n mahdollisuudesta viedä langaton viestintä uudelle tasolle on puhuttu paljon. Ainakin näin pitäisi tapahtua kapasiteetin ja kaistanleveyden osalta. 5G-verkkoja rakennetaan nyt nopeasti, mutta loppukäyttäjät todennäköisesti epäilevät sen etuja, kunnes monet suunnitelluista käyttötavoista ovat laajalti saatavilla.

Molexin Dimensional Researchilla teettämästä tutkimuksesta kävi ilmi, että huolimatta autonomisten ajoneuvojen, virtuaalitodellisuuden, verkkopelaamisen ja muiden alojen kehityksestä 5G:n käyttöönotto on ollut hidasta. Tästä huolimatta yli 90 prosenttia mobiilioperaattoreista sanoo saavuttavansa 5G-tavoitteensa vuoteen 2026 mennessä.

Mitkä ovat siihen asti ne 10 avaintekijää, jotka mahdollistavat 5G:n kypsymisen valtavirraksi?

1. Kapasiteetin lisääminen runkoverkkotekniikalla

Kaistanleveyden kysynnän kasvaessa hyvin rakennettu runkoverkko on välttämätön. Matkapuhelinverkon paluukanavan suunnittelussa on tapahtunut jännittävä kehitys, kun tukiasemia yhdistetään core-verkkoihin sekä valokuitupohjaisilla että langattomilla point-to-point -järjestelmillä, joilla molemmilla on omat etunsa ja haittansa. Vaikka optiseen kuituun perustuvien 5G-runkoverkkojen arkkitehtuurit voivat olla kalliita kuidun rakentamisen kannalta, ne ovat erittäin joustavia ja kestäviä, ja eliminoivat signaalipolkujen heijastumisten aiheuttamat häiriöt. Langattomilla yhteyksillä ei ole samoja asennusongelmia, mutta ne eivät myöskään tarjoa samaa kantamaa ja kaistanleveyttä kuin kuitupohjainen X-Haul -tekniikka.

2. Datan käsittely radiossa

Yhtä tärkeä 5G:n runkoverkkoyhteyksien kanssa on yhteys tukiasemasta antenniin. Radioverkko (RAN) on aina ollut olennainen osa verkkoinfrastruktuuria matkaviestinoperaattoreille, ja jatkossa tukiasemayhteyksien merkitys 5G-verkoissa vain kasvaa. Hallitseva protokolla 2-tason toiminnallisuuden toteutusten jakamiseen (O-RANissa puhutaan 7.2x-jaosta) on paranneltu CPRI eli eCPRI (Common Public Radio Interface). ECPRI:n käyttö vähentää kaistanleveysvaatimuksia radioyksikön (RU) ja hajautetun yksikön (DU) välillä, jotka sijaitsevat tukiasemassa ja verkon etureunassa.

3. Lisää kaistaa keilanmuodostuksella

Jotta 5G pystyy hallitsemaan dataliikennettä huomattavasti nopeammin kuin nykyiset verkon tukiasemat, tarvitaan 2-option toiminnallinen jako ja keilanmuodostus. Vaikka suurtaajuiset millimetriaallot (mmWaves) tukevat huomattavasti suurempia kaistanleveyksiä, ne ovat alttiita esineiden tai ilmakehän häiriöiden aiheuttamille häiriöille eivätkä säteile pitkien matkojen yli. Millimetriaallot ovat hyvin kapeita, joten ne lähettävät kapeita säteitä, jotka keskittävät signaaleja. Nämä on suunnattu tietyn käyttäjän laitteisiin, kuten puhelimeen. Tätä prosessia kutsutaan keilanmuodostukseksi. Keilanmuodostusta täydennetään keilanohjauksella ja -seurannalla, jotka mahdollistavat signaalien ohjaamisen antennin ja käyttäjien laitteiden välillä näiden liikkuessa.

4. Tehokkaiden GaN-fettien käyttö

Vaikka keilanmuodostus voi parantaa MU-MIMO-matriisien tehokkuutta, joillakin näiden järjestelmien elektronisilla komponenteilla voi silti olla suorituskykyongelmia. Ongelmat syntyvät, koska 5G mahdollistaa antennien koon (ja niiden välisen etäisyyden) minimoinnin. Tämän ansiosta antenniryhmä voi sisältää paljon enemmän antennielementtejä kuin aiemmin oli mahdollista.

Tällaisen suuren määrän korkeilla taajuuksilla toimivien 5G-komponenttien myötä kustannukset kasvavat väistämättä. Kalliita komponentteja tarvitaan myös millimetrialueen radiotaajuisen tehon ja syntyvän lämmön käsittelemiseen. Tämän vuoksi insinöörit ovat tulleet siihen tulokseen, että galliumnitridiin perustuvat neljännen sukupolven FETit eli kenttävaikutustransistorit ovat parempi tapa tuoda suuria MIMO-järjestelmiä tarjolle suurissa volyymeissä, koska ne mahdollistavat suuren tehon ja korkean hyötysuhteen yhdistämisen pieneen kokoon tavalla, joka ei ollut aiemmin mahdollista.

5. Saumaton siirtymä 4:sta 5G:een

Riippumatta siitä, kuinka laaja 5G-peistosta saadaan ja missä aikataulussa, merkittävä kehityksen vauhdittaja on se, kuinka mobiililaitteiden suunnittelu helpottaa saumatonta siirtymistä uuteen verkkotekniikkaan. Puhelimissa, jotka on suunniteltu tätä siirtymistä ajatellen, on oltava sisäiset antennit, jotka pystyvät käsittelemään sekä 5G- että 4G LTE-aaltomuotoja.

6. Antennien paikannus optimoi suorituskyvyn

Käyttäjät odottavat mobiililaitteiden olevan mahdollisimman ohuita mutta silti täynnä ominaisuuksia, tehoa ja toiminnallisuutta. Vaikka näin on ollut jo jonkin aikaa, 5G lisää haastetta entisestään. Tarvitaan uutta näkökulmaa siihen, mitä materiaaleja käytetään ja miten sisäiset komponentit on parhaiten konfiguroitu vastaamaan uuden tyyppisiä antenneja.

Esimerkiksi signaalien vastaanoton ja lähetyksen suorituskyky voi heikentyä, jos antenni sijaitsee laitteessa lähellä käyttäjän kättä. Näiden huolenaiheiden minimoimiseksi suunnitteluinsinöörit tutkivat mahdollisuutta yhdistää antennien tuotekohtaista sijoittelua yksilölliseen antennisuunnitteluun, jotta säteilykuviot olisivat mahdollisimman tehokkaita.

7. Antennien RF-viritys

Parhaan radiotaajuussuorituskyvyn saamiseksi mobiililaitteissa - mukaan lukien energiatehokkuus ja akun kesto - valmistajat luottavat parhaisiin radiotekniikan suunnittelijoihin. Tämä on avain 5G-laitteiden kehittämisessä, koska viritetty antenni voi tuottaa saman lähetystehon kuin virittämätön paljon pienemmällä virralla. Käytetään sitten impedanssiviritystä tai kytkinviritystä, on tuloksena erinomainen akun kesto ja parempi kaistanleveys - juuri se, mitä asiakas vaatii.

8. Signaalihäiriöiden ja -heikkenemisen eliminoiminen

Pienikokoisia 5G-laitteita suunnittelevien on otettava huomioon joukko muita tekijöitä: kuinka minimoida ulkoisten signaalien aiheuttamat sähkömagneettiset häiriöt (EMI) ja miten vähentää signaalin vääristymiä ja heikkenemistä. Ratkaisuna on optimoida liittimien muotoilu estämään impedanssin vaihtelut sähkömagneettisia aaltoja kuljettavan linjan varrella (samalla kun pinotaan liittimiä tilan maksimaaliseksi hyödyntämiseksi). Liittimen suunnittelussa on otettava huomioon myös jännitteen VSWR-suhde (voltage standing wave ratio), laitteen liittämisen aiheuttama signaalitehon menetys ja säteilyn sirontaparametrit.

9. Dedikoitu testaaminen nopeuttaa tuotejulkistuksia

Testaus on ratkaisevan tärkeää sen varmistamiseksi, että 5G-laitteet tulevat markkinoille mahdollisimman nopeasti, ja että suorituskykyongelmia on mahdollisimman vähän. Jotta laitteet täyttävät korkeimmat vaatimukset, on tätä varten kehitetty erityisiä testauslaitteet ja -menetelmät. Näitä ovat esimerkiksi suojatut kaiuttomat 5G-kammiot.

10. Miniatyrisointia modernilla valmistuksella

Kun 5G-tekniikka puristetaan pienikokoiseen, kevyeen laitteeseen, on aito huoli noussut siitä, onko tällä miniatyrisoinnilla haitallinen vaikutus suorituskykyyn. 3D-valmistustekniikoilla voidaan valmistaa pieniä laitteissa tällaisiin tiheisiin ympäristöihin. Esimerkiksi lasersuorasuihkutuksella voidaan laserin tarkkuudella siirtää antennimallit 3D-pinnalle valettuna MID-liitäntälaitteena (molded interconnect device). Perinteinen 2D-valmistus ei kykenisi tekemään tätä.

5G:n lupausta toteuttamassa

On selvää, että jotta 5G voittaa täyttää lupauksensa, valtaviin investointeihin on täytynyt yhdistää paljon innovaatioita ja uudenlaisia suunnitteluratkaisuja. Uusi tekniikka ja tekniikat valmistuksessa ja testauksessa on luotu suhteellisen lyhyessä ajassa 5G:n toteuttamiseksi.

Loppukäyttäjät odottavat 5G:n laitetoimittajien tekevän tiivistä yhteistyötä Molexin kaltaisten yritysten kanssa, jotka ovat aktiivisesti tutkineet ja kehittäneet innovatiivisia ratkaisuja. Merkittävien investointien avulla edistyneisiin valmistus- ja testausprosesseihin sekä tutkimus- ja kehitystiloihin Molex antaa 5G-mobiililaitteiden suunnittelijoille ja kehittäjille mahdollisuuden tuoda tehokkaita, tehokkaita ja luotettavia ratkaisuja markkinoille mahdollisimman nopeasti.