Conception et développement d'appareils 5G :gammes de performances 5G

Comment les ingénieurs peuvent-ils choisir la plage de performances appropriée pour leur application 5G ?

Les promesses des communications et du protocole de connectivité 5G (5e génération) deviennent une réalité. Les réseaux 5G sont actuellement déployés, offrant des débits de données plus rapides, des temps de latence plus faibles et une bande passante accrue.

Avant d'aller plus loin, il faut savoir que la 5G se compose de plusieurs niveaux de performances différents. Les réseaux 5G consistent en :

• Gamme de bande basse (600 MHz à 3 GHz)
• Gamme de bande moyenne (3 GHz à 6 GHz)
• Plage d'ondes millimétriques (>10 Ghz) ou mmWave

Les déploiements 5G nouveaux et existants utilisent principalement des gammes de fréquences basses et moyennes bandes. Ces fréquences 5G inférieures offrent des vitesses de téléchargement et de téléchargement plus rapides, une connectivité plus rapide et une capacité de « trafic » plus importante que les plates-formes 4G LTE actuellement déployées.

De plus, ces plates-formes 5G à basse fréquence sont plus faciles à déployer, permettent aux signaux de transmission de voyager plus loin et sont plus résistantes aux obstacles et aux intempéries que les bandes 5G mmWave beaucoup plus élevées.

Mais, le « Saint Graal » de la performance existera lorsque ces fréquences 5G plus élevées « mmWave » seront largement déployées. Cette plate-forme mmWave offrira des taux de transmission de données 5x à 10x plus rapides que la 4G LTE et, surtout, des taux de latence 10x à 20x inférieurs à la 4G LTE.

La latence est un élément clé de toute conversation sur la connectivité. La latence (ou délai) fait référence à la rapidité avec laquelle un réseau réagit à une action ou à une entrée. La latence change la donne pour l'avènement de plusieurs applications pour les réseaux 5G, y compris la vraie conduite autonome, les procédures médicales à distance, les jeux ultra-rapides et une multitude d'applications qui sont impossibles aujourd'hui.

Alors, si la technologie « qui change la donne » existe, pourquoi ne pas l'utiliser maintenant ?

La réponse courte est le déploiement. Il existe plusieurs contraintes concernant le déploiement des fréquences 5G mmWave. Ce signal à très haute fréquence ne parcourt que 20 % de la distance en bande basse 5G. Ces signaux ne pénètrent pas les murs, le verre et les intempéries aussi facilement que les bandes de fréquences inférieures. Et l'infrastructure de transmission actuelle nécessite une refonte majeure pour permettre un déploiement à grande échelle.

Du point de vue de la définition et du développement du produit, ces différents niveaux de performance 5G doivent être soigneusement considérés. Choisir le mauvais niveau de performance pourrait rendre la conception du produit trop chère ou, à l'inverse, pourrait ne pas offrir les performances nécessaires pour répondre à l'application cible.

Applications où la 5G dominera

Un récent rapport de Molex intitulé L'état de la 5G a révélé les résultats d'une enquête présentée aux parties prenantes de la R&D, de l'ingénierie et des produits. Cette enquête comprenait une question concernant le marché qu'ils s'attendaient à ce qu'il soit le premier à générer de nouveaux revenus commerciaux importants en tirant parti de la technologie 5G. Les personnes interrogées ont reçu une liste de catégories d'appareils grand public et ont été invitées à en choisir deux. Voici les résultats :

• Appareils grand public (43 %) , y compris les jeux, la maison intelligente, les appareils portables grand public et la sécurité domestique
• Applications industrielles et IIoT (35 %) , tels que l'automatisation, la robotique, le contrôle des processus, le réseau intelligent, la logistique
• Accès sans fil fixe (33 %) , comme l'accès à domicile compatible 5G
• Applications automobiles (29 %) impliquant la télématique, l'accès sans fil des passagers, le contrôle autonome
• Réseaux privés d'entreprise (25 %)
• Dispositifs médicaux (19 %) , tels que les dispositifs médicaux portables et les implants connectés ainsi que les chirurgies à distance, la surveillance des patients et la physiothérapie à distance

À mesure que la 5G évolue, il en va de même pour une myriade d'opportunités de croissance.

Facteurs critiques pour la mise en œuvre de la 5G au niveau de l'appareil

Il existe de nombreux cas d'utilisation parmi lesquels choisir pour concevoir et tester tout système compatible 5G. Concentrons-nous sur trois domaines spécifiques :

• Le haut débit mobile amélioré (EMBB)
• Ultra-fiable et faible latence (URLL)
• Communication de type machine massive (mMTC)

Ajoutant à la complexité de l'application, chacun de ces cas d'utilisation implique de nombreux défis de conception et de test différents. Commençons par nous concentrer sur les exigences de l'antenne RF.

Un exemple de chambre de test pour les antennes 5G (à gauche) et une représentation d'une analyse du diagramme de faisceau pour un réseau d'antennes 5G (à droite). Image de Molex

La conception des antennes RF illustre l'importance cruciale du choix des bandes de fréquences 5G dans lesquelles fonctionner. En fonction de ces choix de fréquences, la 5G nécessite beaucoup plus d'antennes pour la formation de faisceaux Massive MIMO (mMIMO) que la 4G. Cela signifie également que les réseaux d'antennes 5G doivent être correctement conçus et déployés. Le déploiement conduit à plusieurs décisions d'emballage et de placement.

La mise en œuvre efficace de la formation de faisceau et de l'orientation du faisceau au niveau de l'appareil est également essentielle. Les réseaux 5G maximisent la transmission du signal à l'aide de la formation de faisceau, où les signaux orientés forme sont transmis entre l'émetteur et le récepteur.

Les modules pour la conversion efficace de l'analogique au numérique et la détermination des approches de connecteur et d'interconnexion qui fonctionnent le mieux avec les hautes fréquences trouvées dans la 5G sont également importants pour rester compétitif sur le marché de la 5G.

Test avancé des appareils 5G

Des tests approfondis sont essentiels pour le lancement réussi des appareils 5G et la conformité aux normes internationales (qui sont très susceptibles d'évoluer avec la 5G). Ce processus comprend à la fois une simulation avancée et des tests physiques. Cela peut impliquer des études encore plus exhaustives considérant qu'un changement de taille d'un dixième de mm seulement peut avoir un impact significatif sur les performances d'un appareil.

Un ingénieur ajuste une chambre d'essai. Image de Molex

Les appareils conçus pour tirer parti de la 5G nécessiteront des tests liés aux émissions de rayonnement, aux capacités de formation de faisceaux et aux antennes à gain élevé. En outre, les installations de test doivent être équipées de positionneurs de très haute précision pour prendre en charge l'évaluation de la large gamme de fréquences impliquée avec la 5G.

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Il est clair qu'il existe des défis de conception importants liés à la conception des antennes, à la formation de faisceaux et au déploiement. Une fois que les conceptions ont été soigneusement analysées, les tests physiques deviennent essentiels, garantissant que les normes internationales sont strictement respectées ou dépassées. Ces tests peuvent nécessiter des installations de test avancées.

Molex dispose des composants et des solutions nécessaires pour amener un appareil compatible 5G du concept au marché. En tant que premier investisseur dans les technologies de test mmWave, Molex est un précurseur de longue date dans les capacités de test et de conception 5G. En tant que distributeur agréé Molex, Sager Electronics propose un vaste portefeuille de connectivité Molex pour améliorer la conception compatible 5G.

Sager Electronics est également une source de produits et de technologies électromécaniques, électriques et thermiques supplémentaires pour permettre la fonctionnalité complète du système 5G.

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