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5G帶來全新機會 實現高速傳輸大飛躍
 

【作者: Anja Schaal】   2022年01月21日 星期五

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大眾談論5G已久,第一批5G網路也已經完成並進行了初期測試。但5G將會提供哪些實際好處呢?蜂巢基礎設施將如何改變?LTE將會如何?現在所有的設計都需要直接移植到5G嗎?


為了確定企業是否應該採用5G、以及何時採用是適當時機,我們有必要確認一下5G的三個關鍵部分。它們針對不同的應用,進行了相應的改善:首先是增強型行動寬頻(eMBB),它具有高達20Gbit/s的資料傳輸速率,專為數位生活方式應用以及高解析度視訊、虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)等高頻寬應用量身訂作,高資料速率允許超快載入網站和實現不間斷的視訊內容串流。


其次是大規模機器類型通訊(mMTC),由於MTC設備的連接密度非常高,所以可在城市環境中的任何地方提供穩定的網路覆蓋。在5G發展的最後階段,每平方公里將支持100萬個這樣的連接,允許眾多設備同時間在同一個無線社區中發送和接收資料,而不會相互干擾,使人們在聚集歡慶節日或在體育場觀看比賽時,不會再遇到連接問題。


第三是超可靠低延遲通訊(uRLLC),它提供低於1ms的延遲,適合對可靠性要求極高的時間關鍵型應用。這對於實現自動駕駛、車到車和車到萬物的初始通訊極為重要,更不用說基於雲端的預測性維護了。


全新的5G基礎設施

首批基於3GPP Release 15標準的eMBB 5G產品已經上市,但大多數還無法提供20 Gbit/s的目標資料速率。現有的LTE/ 6GHz以下頻段(頻段範圍1,FR1)通常無法為此用途提供足夠的頻寬,因此5G應用需要新頻段,即從24到100 GHz(FR2頻段)的毫米波(mmWave)超高頻段。


這需要全新的行動通訊基礎設施,因為一座LTE無線電塔可覆蓋其周圍幾平方公里的區域,但毫米波訊號僅可支援最大一公里的範圍,而且這不像LTE訊號那樣是全方位圍繞四周,而是只在一個方向。


即便如此,許多企業已經啟動了5G eMBB項目,在5G n78頻段(3.3至3.8 GHz)允許這樣做,可以建置私人或企業特定的行動網路,稱為園區網路(campus network)。這使得企業能夠獨立於行動通訊服務提供者,並且在建立智慧工廠方面先拔頭籌。


名符其實的長期演進技術

5G NR(5G New Radio)是新無線電的空中介面標準,這項標準的導入是否會令現有的LTE設計過時?這種擔憂是有道理的,因為許多5G FR1頻段與LTE頻段互相重疊。但不必擔心,動態頻譜共享(DSS)這樣的技術允許LTE和5G等不同標準共用相同的頻段。


5G NR還支援頻段內LTE-IoT,這是帶有NB-IoT技術的LTE-M,因此「長期演進」LTE技術仍將是名符其實的長期。最新的LTE-M和NB-IoT解決方案已經上市,並符合3GPP Release 14標準要求。這兩項技術都在伴隨著每次新的3GPP Release版本出現而不斷發展,直到它們最終(截至現今的3GPP Release 16)成為5G mMTC。這意味著目前使用LTE-M和NB-IoT通訊技術的LTE-IoT設備仍可在5G NR標準下工作。這對於5G NR使用核心5G網路的獨立架構(SA)和非獨立架構(NSA)都是如此,非獨立式架構需要使用4G/EPC(演進式數據分包核心技術)網路來提供5G NR服務。


因此,現有的LTE和LTE-IoT設計不僅可以在5G下繼續接軌運行,而且實際上我們建議開始為mMTC應用開發LTE-M/NB-IoT解決方案,以確保平穩過渡。



圖一 : 從4G(LTE-M/NB-IoT)到 5G(mMTC)的技術過渡將是一個平穩過程——這些技術將隨著3GPP Release版本的每一次發佈繼續發展,直到最終成為5G。(source︰Markt&Technik)
圖一 : 從4G(LTE-M/NB-IoT)到 5G(mMTC)的技術過渡將是一個平穩過程——這些技術將隨著3GPP Release版本的每一次發佈繼續發展,直到最終成為5G。(source︰Markt&Technik)

第一步是合適的電子元件

如果企業想直接跨入5G技術領域,儒卓力已可提供合適的電子元件。對於eMBB實施專案,泰利特(Telit)開發的FN980m 5G/LTE卡是首批支援5G 3GPP Release 15的產品之一,同時支援6GHz以下頻段FDD和TDD,以及mmWave、LTE、WCDMA和GNSS。因此5G提供高達5.5Gbit/s的下行速率和高達2.7Gbit/s的上行速率,相比之下,4G仍然僅允許實現2.4Gbit/s下行速率和211Mbit/s上行速率。FN980m 5G/LTE卡具備工業規格標準M.2(NGFF)的產品尺寸,以及–40至+85°C的工作溫度範圍特性,適用於具有高速傳輸速率的無線固定網路接入點、企業路由器和閘道器、室內和室外終端設備(用戶端設備CPE)、視訊傳輸和監控。FN980卡也可作為純5G/LTE 6GHz以下解決方案提供。


泰利特已將ME310G1模組添加到其xE310系列中,專門用於mMTC應用。支援具有省電模式(PSM)和擴展不連續接收(eDRX)的3GPP Release 14 Cat M1/NB2標準,可實現具有低能耗和更長電池壽命的物聯網應用。它非常適合涉及數千或數百萬個物聯網設備的應用,這些應用不僅需要高能效,而且低成本比高速資料速率更重要,例如醫療設備、健身追蹤器、工業感測器、智慧電錶等應用。這款模組擁有最高15dB/20dB的最大耦合損耗(MCL),相比先前的蜂巢LTE標準,該模組還提供了更大的覆蓋範圍,從而更有效地穿透建築物。


圖三 : ME310G1模組可支援涉及數千或數百萬個物聯網設備的應用(source︰泰利特)
圖三 : ME310G1模組可支援涉及數千或數百萬個物聯網設備的應用(source︰泰利特)

Nordic Semiconductor公司以nRF9160系統級封裝(SiP)模組為LTE-M和 NB-IoT(3GPP Release 13)提供解決方案。這款極其精巧且具備超高整合度的SiP元件已經通過全球營運的預認證。它的封裝尺寸為10mm×16mm×1mm,提供了應用 MCU、採用ARM TrustZone和ARM CryptoCell安全技術的ARM Cortex-M33 CPU、LTE數據機、RF前端和電源管理。


對於需要精確位置檢測性能的資產追蹤應用,nRF9160 SiP可提供整合GPS性能的產品。nRF9160具有許多數位和類比介面以及週邊裝置,適合通過行動網路將設備連接到網際網路,用於物流和資產追蹤、智慧計量、智慧城市應用、智慧基礎設施、智慧農業、穿戴式裝置和醫療應用。


圖四 : nRF9160尺寸緊湊,是高度整合的器件(source︰Nordic Semiconductor)
圖四 : nRF9160尺寸緊湊,是高度整合的器件(source︰Nordic Semiconductor)

用於5G應用的天線

儒卓力產品組合中包含5G天線產品。PulseLarsen的W3554系列超寬頻偶極天線產品的頻率範圍為698至6000MHz,不僅適用於5G應用,還適用於 2G、3G 和4G以及GNSS、WiFi、藍牙、低功耗藍牙、ZigBee和868、915、2400和5000MHz ISM頻段應用。這款PCB天線尺寸僅為30mm×120mm×0.2mm。


PulseLarsen小型5G SMD天線W3415支援所有6GHz以下的頻段(4G和5G),尺寸僅為40mm×7mm×3mm。由於一塊電路板上有多個天線,多輸入多輸出(MIMO)技術可以實現5G最佳使用。一根天線可以作為主天線,而另一根天線可以作為分集天線使用。



圖五 : PulseLarsen小型SMD天線W3415可支援所有6GHz以下頻段(4G和5G)(source︰PulseLarsen)
圖五 : PulseLarsen小型SMD天線W3415可支援所有6GHz以下頻段(4G和5G)(source︰PulseLarsen)
圖六 : PulseLarsen的W3554超寬頻偶極天線可支援5G、4G、3G 或 2G、GNSS、WiFi、藍牙等所有標準。(source︰PulseLarsen)
圖六 : PulseLarsen的W3554超寬頻偶極天線可支援5G、4G、3G 或 2G、GNSS、WiFi、藍牙等所有標準。(source︰PulseLarsen)

電源和計算方面

為了開發內部園區網路,全漢企業(FSP Group)提供了專門的5G網路元件。它們適用於基地站、存取網路、資料中心或個別的網路設備。由於供應商擴大和修訂了產品組合,今後將不用再自行設計網路元件。


儒卓力還能夠使用華碩、研華和英特爾的產品為基於網路的資訊處理任務開發客製化解決方案概念。即使有眾多產品組合也無法滿足客戶的所有需求,儒卓力身為5G園區網路聯盟的成員,也能夠聯合許多合作夥伴企業提供協助。


結論

為了提供全球5G網路覆蓋,蜂巢基礎設施將發生重大的變化,尤其是通過園區網路。這種變化的驅動力將是5G應用狀況所帶來的改進。但那些在LTE基礎上發展的企業也不用擔心,因為LTE技術將在5G時代中繼續存在。


(本文作者Anja Schaal為儒卓力無線產品行銷負責人)


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