推动 5G 成为现实的 10 大技术因素

5G 代表了下一代的无线通信。尽管 5G 网络有望实现更高容量、更低延迟和更大带宽，但要想这些技术实现价值，就要应用于现实的使用案例中，并为最终用户带来共同利益。因此，全球的工程师们努力将 5G 的优点应用于广泛的领域，包括游戏、虚拟现实、自动驾驶汽车和无线监视等。由于公司开始充分利用增强的连接性，预计在每种情况下，5G 都将推动创新的新业务模式。

然而，要达到大规模应用 5G 的阶段，预计的时间比一些人想的要长。实际上，Molex莫仕最近委托 Dimensional Research 进行的一项调查显示，几乎一半移动运营商的部署计划落后于最初的预期。5G 使用的信号频率更高，带来了一些独特的工程设计挑战，涵盖信号传播、功耗和热管理以及天线模块布置等领域。

不过现在，5G 正在全球范围内推广，工程师们的努力已初见成效。Molex莫仕的调查显示，89% 的运营商对 5G 的前景感到兴奋，且 92% 的运营商期望在未来五年内实现他们的 5G 商业目标。此外，99% 的运营商预计，五年内，5G 将为最终用户带来实质性的好处。因此，这里 Molex莫仕及时评估了 10 个关键技术因素，这些因素非常有助于让 5G 成为现实。

5G 正受到移动网络基础设施的重要投资支持，特别是回程/传输层，这些层连接各个基站，也将基站连接到公共通信网络。数据密集的微型基站支持大量数据流通过回程流向核心网络，因此最好的选择是采取一种灵活的系统集成方法，满足诸如容量和延迟的广泛需求。光纤 X-haul 提供了高韧性，也无需担忧天气条件和多路径传播问题。然而，铺设光纤来连接微型基站并非总是可行的，因为成本可能会过高。这就引出了无线 X-haul，它使用 IAB（集成接入回程）波，在可用性和部署时间等方面有着巨大优势。通过这种灵活的双管齐下，供应商可以为正确类型的网络提供正确类型的回程技术。微波 X-haul 也在研究中，因为它的范围比 IAB 更远。

随着新的 5G 应用开始演变，对于灵活前传方案的需求不断增加，这些方案需要满足 5G 的延迟、吞吐量和可靠性要求。目前，这一需求正在由下一代无线接入网络 (RAN) 满足，提供了在无线单元 (RU)、分布单元 (DU) 和集中单元 (CU) 之间的光纤连接，CU 可以在 DU 位置的十公里以外部署，因为 CU 的功能不看作实时功能。出于这一点，这些单元间的互动对延迟不敏感。除了新的架构之外，前传还将利用增强的 CPRI (eCPRI) 协议，降低 RU 到远端 DU 的带宽要求。3GPP 5G 标准采用的方法可以在 DU 和 CU 之间分离出一些 4G LTE 的基带功能。这会带来不同水平的性能表现。性能将因使用的频谱而异，从中等改善到显著改善（相对于 4G LTE 而言），并且每比特的成本更低。

5G 在使用毫米波方面存在一些挑战，尤其是信号传播方面，因为大气、天气条件、建筑材料和植被等等都会导致更高的吸收损耗。人体也可能导致吸收损耗损失。毫米波在极窄的狭窄的波束内传播。实现传播的过程被称为波束成形。另一个过程允许将波束定向到所需的用户设备 (UE) 位置。这就叫做波束控制。此外，这些定向光束必须随着用户设备（如手机）的移动而移动。这就叫做波束跟踪。

使用毫米波可以极大提高客户吞吐量，也能带来其他巨大好处。毫米波信号往往在某些建筑材料上进行反射。这使得毫米波信号能够在最初没有预料到的方向上使用。例如，如果反射计算准确，天线阵列可以用于支持后向信号流。由于毫米波传播的限制，就需要重新启用更短的频率，包括 5G sub-6GHz 频率和 4G LTE 700MHz 频率。这个过程基本释放了毫米波频谱，使其可以用于其他领域，从而达到频谱的高效利用。

设备和微型基站之间的 5G 空中接口在很大程度上依赖于 MIMO 的相控阵天线架构，从而最大化端点之间的数据传输速率。然而，大规模 MIMO 架构需要很密集的天线配置集群，这为电子元件的性能带来了挑战。在较高的毫米波频率下，天线阵列上的天线元件之间的物理距离非常短。波长越短，需要捕捉波长的天线元件就越小。天线元件越小，就可以在一个给定的天线阵列空间里安装更多的天线元件。有假设称，更多的 5G 组件和更高的频率会给典型的无线电位置带来更高的功率要求。在这种环境下，不好解决毫米波射频功率和散热的问题，因此需要在系统设计和材料选择方面进行创新。因此，工程师们越来越倾向于采用第四代基于氮化镓的场效应晶体管，它的功率密度更高，能够实现大规模 MIMO 架构所需的更小封装。

要实现国内、国际的 5G 全覆盖，不是一夜之间的事情，而是一步一步实现，要做到这一点，运营商正在使用不同的频谱部署网络，这些频谱具有不同的覆盖范围、延迟和数据传输能力。事实上，世界上一些地区，主要是农村地区，可能永远无法享受到高频率毫米波支持的数据速率带来的好处，因为这些地区只有 sub-6 GHz 的频率支持。Molex莫仕的调查表明，26% 的运营商都认为毫米波传播的问题给 5G 的传输带来挑战。与之相反的是，53% 的人认为，农村家庭接入 5G 将成为主要应用场景，能带来显著的新业务收入。（请注意，这些结果还有争议。同城市和郊区网络相比，部署农村网络的成本更高，在很多情况下，这样的成本都过高。） 在 4G 向 5G 过渡期间，对发布新用户设备（比如手机）的移动设备设计者来说是一个挑战。解决方案是在新设备中植入多个调谐天线，这样就可以在 5G 波形外兼顾 4G LTE 波形，不需要在毫米波和 6GHz 以下天线设计之间做取舍。预计纳入 3G 波形的可能性较小。

在 5G 频率相对较低的 sub-6 GHz 频段，天线的布置只是性能方程的一部分。天线和移动设备的内部配置之间存在着紧密联系，这一联系决定了设备无线通信的整体谐振表现。由于用户偏好轻薄的移动设备，因此在调整天线设计时，天线工程师需要考虑物理设计、材料选择和内部组件配置。然而，在毫米波频率下，天线与手机机身之间的相互作用就不成大问题了。相反，带来挑战的是天线上的覆盖物，可能是金属、玻璃，甚至塑料，这些物质在电气意义上都不算薄，会给底层天线的辐射性能带来负面影响。此外，天线和设备用户手部的相对位置也会影响毫米波的传输和接收。这里，设计工程师正在研究如何结合定制的天线设计、独特的天线布置，以及槽设计或频率选择性表面设计原理，可以成功用于优化移动设备天线的辐射模式。此外，还需要在用户端上使用多束天线，从而克服非理想方向的波束传播损耗。

5G 天线置于设备的印刷电路板上或电路板附近，其射频性能质量取决于天线在产品中的有效集成。设备制造商日益倚重射频工程师的技能和经验，寻求最佳的射频设计实践，为每个设备优化天线，提高无线性能。天线调谐技术包括孔径调谐和阻抗调谐，孔径调谐指的是校准天线的电气长度，从而提高其谐振与所需频段的匹配度，而阻抗调谐指的是将天线阻抗与射频前端相关联。两种技术都能在更高带宽上提高增益、延长电池寿命。在传输相同功率的情况下，经过调谐的天线比未经调谐的天线消耗的电流更少。这是满足消费者对下一代 5G 手机性能期望的关键因素。

高频 5G 信号还需进一步考虑互连、电路板迹线、电缆组件以及连接器。要在消费级产品中，在 5G 标准规定的速度下，通过一系列组件发送数百万比特的信号，是一项重大挑战。必须精心设计和制造连接器，最小化传输线上的任何阻抗变化。外部信号也会造成威胁。因此，连接器必须充分保护系统，使其不受外部信号的电磁干扰和电容感应的影响，这在高速运行时会变得更困难。5G 连接器还必须适应现代移动设备提供的狭小空间。使用堆叠式连接器，就能实现更紧凑的柔性和刚性电路板布局。虽然存在非常严格的物理限制，但是 5G 电子设备必须满足散射参数的严格要求，例如电压驻波比和插入损耗要求。设计精良的连接器可以最小化信号的反射、衰减和失真，同时减少其物理占用空间，并且可以充分实现屏蔽，有效减少电磁干扰。

设计和制造 5G 原型只是新产品开发过程中的一步。还需要严格的新测试制度，以确保硬件符合严格的规格要求。这需要开发新的设备和设施，例如能够测试低频、中频和毫米波 5G 频段的 5G 消音室。经过充分的测试，原始设备制造商就能确信产品和相关组件完全符合要求，从而降低了产品发布到市场的后期延迟风险，也降低了在使用时性能不佳的风险。

5G 设计工程师面临的另一项挑战，是在最小空间内实现最高性能。最新的模塑互连器件/激光直接成型技术可将复杂的 3D 电气和机械结构紧密集成在一起，这是现有的 2D 技术无法实现的。这就带来了结构紧凑且轻量化的高性能设备。该功能将 MID 多功能的二次铸模成型工艺同兼具速度和精准度的激光直接成型 (LDS) 技术相结合，打造体积紧凑的高密度应用，满足 5G 的设备准则。考虑到 5G 设备制造商希望在不影响性能的前提下实现微型化，这些技术提供了解决方案。

显然，投资和创新是确保 5G 网络不负众望的关键。要创造出既适合大规模生产又能满足客户期望的 5G 新产品，这给设计工程师带来了挑战。这就意味着要选择最合适的 5G 组件，并将其正确整合到高度敏感的环境中，同时还要确保进行准确测试。

预计在二到五年后，5G 将广泛部署于所有应用领域，为最终用户带来实质性利益，并且在消费者和固定无线接入领域存在即刻需求，原始设备制造商、通信服务提供商就要与领先技术需求的合作伙伴进行合作，这样的合作至关重要。

Molex莫仕在 5G 研发领域投入大量资源，提供广泛的光学、铜缆、射频连接、天线、网络、测试和计算解决方案。通过投资最先进的制造设备和新的更高频率射频测试室，Molex莫仕能够开发具有成本效益的一流产品，帮助我们的客户更快地将 5G 创意和技术推向市场。