Projeto e Desenvolvimento de Dispositivos 5G:Faixas de Desempenho 5G

Como os engenheiros podem escolher a faixa de desempenho correta para sua aplicação 5G?

As promessas do protocolo de comunicação e conectividade 5G (5ª Geração) estão se tornando realidade. As redes 5G agora estão sendo implantadas, oferecendo taxas de dados mais rápidas, tempos de latência mais baixos e maior largura de banda.

Antes de prosseguir, deve-se observar que o 5G é composto por vários níveis de desempenho diferentes. As redes 5G consistem em:

• Faixa de banda baixa (600 MHz a 3GHz)
• Faixa de banda média (3GHz a 6GHz)
• Faixa de onda milimétrica (> 10 Ghz) ou mmWave

As implantações 5G novas e existentes usam principalmente faixas de frequência de banda baixa e média. Essas frequências 5G mais baixas oferecem velocidades de download e upload mais rápidas, conectividade mais rápida e maior capacidade de “tráfego” do que as plataformas 4G LTE implantadas atualmente.

Além disso, essas plataformas 5G de frequência mais baixa são mais fáceis de implantar, permitem que os sinais de transmissão viajem mais longe e são mais resistentes a obstáculos e intempéries do que as bandas de onda 5G mm muito mais altas.

Mas, o “Santo Graal” do desempenho existirá quando essas frequências mais altas de 5G “mmWave” se tornarem amplamente implantadas. Esta plataforma mmWave oferecerá taxas de transmissão de dados 5x a 10x mais rápidas do que 4G LTE e, mais importante, taxas de latência 10x a 20x menores que 4G LTE.

Um componente chave de qualquer conversa sobre conectividade é a latência. Latência (ou atraso) refere-se à rapidez com que uma rede reage a uma ação ou entrada. Latency atua como uma virada de jogo para o advento de vários aplicativos para redes 5G, incluindo direção verdadeiramente autônoma, procedimentos médicos remotos, jogos super-rápidos e uma série de aplicativos que são impossíveis hoje.

Então, se a tecnologia “revolucionária” existe, por que não usá-la agora?

A resposta curta é implantação. Existem várias restrições em relação à implantação de frequências 5G mmWave. Este sinal de frequência muito alta viaja apenas 20% da distância como banda baixa 5G. Esses sinais não penetram nas paredes, no vidro e nas intempéries tão facilmente quanto as bandas de frequência mais baixas. E a infraestrutura de transmissão atual requer uma grande revisão para permitir uma implantação generalizada.

De uma perspectiva de definição e desenvolvimento de produto, esses vários níveis de desempenho 5G devem ser considerados cuidadosamente. A escolha do nível de desempenho incorreto pode tornar o design do produto muito caro ou, ao contrário, pode não apresentar o desempenho necessário para atender ao aplicativo de destino.

Aplicativos em que o 5G dominará

Um relatório recente da Molex intitulado The State of 5G revelou os resultados de uma pesquisa apresentada a P&D, engenharia e partes interessadas no produto. Incluída nessa pesquisa estava uma pergunta sobre qual mercado eles esperavam ser o primeiro a gerar novas receitas de negócios significativas ao alavancar a tecnologia 5G. Os entrevistados receberam uma lista de categorias de dispositivos de consumo e foram solicitados a escolher duas. Aqui estão os resultados:

• Dispositivos do consumidor (43%) , incluindo jogos, casa inteligente, wearables de consumidor e segurança doméstica
• Aplicações industriais e IIoT (35%) , como automação, robótica, controle de processos, rede inteligente, logística
• Acesso sem fio fixo (33%) , como acesso doméstico habilitado para 5G
• Aplicativos automotivos (29%) envolvendo telemática, acesso sem fio de passageiros, controle autônomo
• Redes privadas corporativas (25%)
• Dispositivos médicos (19%) , como wearables médicos e implantes conectados, bem como cirurgias remotas, monitoramento de pacientes e fisioterapia remota

Conforme o 5G evolui, uma miríade de oportunidades de crescimento também evolui.

Fatores críticos para implementar 5G no nível do dispositivo

Existem muitos casos de uso para escolher como um projeta e testa qualquer sistema habilitado para 5G. Vamos nos concentrar em três áreas específicas:

• Banda larga móvel aprimorada (EMBB)
• Ultra-confiável e baixa latência (URLL)
• Comunicação massiva do tipo máquina (mMTC)

Aumentando a complexidade do aplicativo, cada um desses casos de uso envolve muitos desafios de design e teste diferentes. Vamos começar focando nos requisitos de antena de RF.

Um exemplo de câmara de teste para antenas 5G (à esquerda) e uma representação de uma análise de padrão de feixe para um conjunto de antenas 5G (à direita). Imagem da Molex

O design da antena de RF ilustra a importância crítica em relação à escolha de quais bandas de frequência 5G operar. Dependendo dessas opções de frequência, 5G requer muito mais antenas para formação de feixe MIMO maciço (mMIMO) do que 4G. Isso também significa que as matrizes de antenas 5G devem ser projetadas e implantadas corretamente. A implantação leva a várias decisões de embalagem e posicionamento.

A implementação efetiva da formação de feixes e direcionamento do feixe no nível do dispositivo também é fundamental. As redes 5G maximizam a transmissão do sinal usando beamforming, onde os sinais direcionados à forma são passados ​​entre o transmissor e o receptor.

Também importantes para se manter competitivo no mercado 5G são os módulos para a conversão eficiente de analógico em digital e determinar quais conexões de conector e interconexão funcionam melhor com as altas frequências encontradas em 5G.

Teste avançado de dispositivo 5G

O teste completo é essencial para o lançamento bem-sucedido de dispositivos 5G e a conformidade com os padrões internacionais (que têm grande probabilidade de evoluir com o 5G). Este processo inclui simulação avançada e testes físicos. Pode envolver estudos ainda mais exaustivos, considerando que apenas um décimo de um mm na mudança de tamanho pode ter um impacto significativo no desempenho de um dispositivo.

Um engenheiro ajusta uma câmara de teste. Imagem da Molex

Dispositivos projetados para aproveitar as vantagens do 5G exigirão testes relacionados às emissões de radiação, capacidades de formação de feixes e antenas de alto ganho. Além disso, as instalações de teste devem ser preparadas com posicionadores de ultra-alta precisão para apoiar a avaliação da ampla faixa de frequências envolvida com 5G.

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É claro que existem desafios de design significativos relacionados ao design da antena, formação de feixe e implantação. Uma vez que os projetos foram completamente analisados, os testes físicos tornam-se essenciais, garantindo que os padrões internacionais sejam estritamente respeitados ou excedidos. Este teste pode exigir recursos de teste avançados.

A Molex tem os componentes e soluções necessários para levar um dispositivo habilitado para 5G do conceito ao mercado. Como um dos primeiros investidores em tecnologias de teste mmWave, a Molex tem sido uma pioneira de longa data em testes 5G e recursos de design. Como distribuidor autorizado da Molex, a Sager Electronics oferece um amplo portfólio de conectividade Molex para aprimorar o design habilitado para 5G.

A Sager Electronics também é uma fonte de produtos e tecnologias eletromecânicos, elétricos e térmicos adicionais para permitir a funcionalidade completa do sistema 5G.

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