Diseño y desarrollo de dispositivos 5G:rangos de rendimiento 5G

¿Cómo pueden los ingenieros elegir el rango de rendimiento correcto para su aplicación 5G?

Las promesas del protocolo de conectividad y comunicaciones 5G (5.a generación) se están convirtiendo en una realidad. Ahora se están implementando redes 5G que ofrecen velocidades de datos más rápidas, menores tiempos de latencia y mayor ancho de banda.

Antes de continuar, debe tenerse en cuenta que 5G se compone de varios niveles de rendimiento diferentes. Las redes 5G constan de:

• Rango de banda baja (600MHz a 3GHz)
• Rango de banda media (3GHz a 6GHz)
• Rango de onda milimétrica (> 10 Ghz) o mmWave

Las implementaciones de 5G nuevas y existentes utilizan principalmente rangos de frecuencia de banda baja y media. Estas frecuencias 5G más bajas ofrecen velocidades de carga y descarga más rápidas, conectividad más rápida y mayor capacidad de "tráfico" que las plataformas 4G LTE actualmente implementadas.

Además, estas plataformas 5G de baja frecuencia son más fáciles de implementar, permiten que las señales de transmisión viajen más lejos y son más resistentes a los obstáculos y al mal tiempo que las bandas 5G mmWave mucho más altas.

Pero, el "santo grial" del rendimiento existirá cuando estas frecuencias más altas de 5G "mmWave" se implementen ampliamente. Esta plataforma mmWave ofrecerá velocidades de transmisión de datos de 5 a 10 veces más rápidas que 4G LTE y, lo más importante, tasas de latencia de 10 a 20 veces más pequeñas que 4G LTE.

Un componente clave de cualquier conversación sobre conectividad es la latencia. La latencia (o retraso) se refiere a la rapidez con la que una red reacciona a una acción o entrada. La latencia actúa como un cambio de juego para el advenimiento de varias aplicaciones para redes 5G, incluida la verdadera conducción autónoma, procedimientos médicos remotos, juegos ultrarrápidos y una gran cantidad de aplicaciones que son imposibles en la actualidad.

Entonces, si existe la tecnología que "cambia las reglas del juego", ¿por qué no usarla ahora?

La respuesta corta es el despliegue. Existen varias limitaciones con respecto al despliegue de frecuencias de 5G mmWave. Esta señal de muy alta frecuencia viaja solo el 20% de la distancia como banda baja 5G. Estas señales no penetran las paredes, los cristales y el mal tiempo con tanta facilidad como las bandas de frecuencias más bajas. Y la infraestructura de transmisión actual requiere una revisión importante para permitir una implementación generalizada.

Desde una perspectiva de definición y desarrollo de productos, estos diversos niveles de rendimiento de 5G deben considerarse cuidadosamente. La elección del nivel de rendimiento incorrecto podría hacer que el diseño del producto sea demasiado costoso o, por el contrario, podría no ofrecer el rendimiento necesario para cumplir con la aplicación de destino.

Aplicaciones en las que dominará 5G

Un informe reciente de Molex titulado The State of 5G reveló los resultados de una encuesta presentada a las partes interesadas en I + D, ingeniería y productos. En esa encuesta se incluyó una pregunta sobre qué mercado esperaban que fuera el primero en generar nuevos ingresos comerciales significativos al aprovechar la tecnología 5G. A los encuestados se les presentó una lista de categorías de dispositivos de consumo y se les pidió que eligieran dos. Estos son los resultados:

• Dispositivos de consumo (43%) , incluidos los juegos, el hogar inteligente, los dispositivos portátiles de consumo y la seguridad del hogar
• Aplicaciones industriales y IIoT (35%) , como automatización, robótica, control de procesos, redes inteligentes, logística
• Acceso inalámbrico fijo (33%) , como el acceso domiciliario habilitado para 5G
• Aplicaciones automotrices (29%) que involucran telemática, acceso inalámbrico de pasajeros, control autónomo
• Redes privadas empresariales (25%)
• Dispositivos médicos (19%) , como dispositivos portátiles médicos e implantes conectados, así como cirugías remotas, monitoreo de pacientes y fisioterapia remota

A medida que 5G evoluciona, también lo hacen una gran cantidad de oportunidades de crecimiento.

Factores críticos para implementar 5G a nivel de dispositivo

Hay muchos casos de uso para elegir mientras uno diseña y prueba cualquier sistema habilitado para 5G. Centrémonos en tres áreas específicas:

• Banda ancha móvil mejorada (EMBB)
• Ultrafiable y de baja latencia (URLL)
• Comunicación masiva de tipo máquina (mMTC)

Además de la complejidad de la aplicación, cada uno de estos casos de uso implica muchos desafíos de prueba y diseño diferentes. Comencemos centrándonos en los requisitos de la antena de RF.

Un ejemplo de cámara de prueba para antenas 5G (izquierda) y una representación de un análisis de patrón de haz para una matriz de antenas 5G (derecha). Imagen de Molex

El diseño de la antena de RF ilustra la importancia crítica con respecto a la elección de las bandas de frecuencia 5G en las que operar. Dependiendo de estas opciones de frecuencia, 5G requiere muchas más antenas para formación de haz Massive MIMO (mMIMO) que 4G. Esto también significa que las matrices de antenas 5G deben diseñarse e implementarse correctamente. La implementación conduce a varias decisiones de empaquetado y ubicación.

La implementación efectiva de la formación de haces y la dirección del haz a nivel del dispositivo también es clave. Las redes 5G maximizan la transmisión de señales mediante la formación de haces, donde las señales dirigidas a la forma se pasan entre el transmisor y el receptor.

También es importante para seguir siendo competitivo en el mercado 5G los módulos para la conversión eficiente de analógico a digital y determinar qué conectores e interconexiones funcionan mejor con las altas frecuencias que se encuentran en 5G.

Prueba avanzada de dispositivos 5G

Las pruebas exhaustivas son fundamentales para el lanzamiento exitoso de dispositivos 5G y el cumplimiento de los estándares internacionales (que es muy probable que evolucionen con 5G). Este proceso incluye tanto simulación avanzada como pruebas físicas. Puede implicar estudios aún más exhaustivos teniendo en cuenta que solo una décima parte de un mm de cambio de tamaño puede tener un impacto significativo en el rendimiento de un dispositivo.

Un ingeniero ajusta una cámara de prueba. Imagen de Molex

Los dispositivos diseñados para aprovechar 5G requerirán pruebas relacionadas con las emisiones de radiación, las capacidades de formación de haces y las antenas de alta ganancia. Además, las instalaciones de prueba deben estar preparadas con posicionadores de ultra alta precisión para respaldar la evaluación del amplio rango de frecuencias involucradas con 5G.