PCB-Neuigkeiten - Trends in der Halbleitertechnologie für Sub-6GHz 5G Netze

Der Ausbruch der neuen Kronenentzündung stellt die globale Lieferkette vor Herausforderungen. Aber davor, die RF und Mikrowellenhelfleiterindustrie haben bereits enormen Widerstand erlebt. Der Mobilfunkmarkt, insbesondere Handheld-Geräte, macht mehr als 50% des Umsatzes aus Verbundhalbleitern aus. Seit mehr als zehn Jahren, Diese Anwendung war eine starke treibende Kraft in der Industrie, aber jetzt sind einige Folgemaßnahmen schwach. Der Umsatz mit Hochfrequenz-GaAs-Geräten ging im 2019 zurück, vor allem aufgrund des Rückgangs der Smartphone-Sendungen. Trotzdem, Die Zukunft der Halbleiterindustrie ist noch hell. Diese optimistische Schätzung beruht hauptsächlich auf 5G-Netze und Ausrüstung. Dieser neue Standard soll zum Wachstumsmotor der gesamten Halbleiterindustrie werden.
5G-Markt
Seit 2019, Mobilfunkbetreiber haben eingesetzt 5G-Netze und Ausrüstung, So sollten die Menschen mit den drei Kernen der 5G Vision vertraut sein. Abbildung 1 zeigt einfach seine Hauptkomponenten und die Funktionen, die diese drei Projekte erreichen können. Die Herausforderung für Betreiber und Gerätehersteller besteht darin, die Aktualität und den Umfang dieser Szenarien zu erreichen..
5G ist eigentlich ein ungenauer Begriff, der weit verbreitet ist. Es kann sich auf zwei Formen der unabhängigen und nicht-unabhängigen. Letzteres nutzt die bestehende LTE-Kern- und Signalnetzwerkvernetzung. Darüber hinaus, it is also divided into millimeter wave frequency band (also known as "FR2" or "high frequency band") and sub-6GHz frequency band (also known as "FR1", consisting of "low frequency band" and "mid frequency band"). Die 3GPP-Branchenstandardorganisation intensiviert 5G-Standardisierungsarbeiten und überarbeitet Rel-15; zur gleichen Zeit, der Rel-16/17-Standard wird sich auf andere Aspekte von 5G konzentrieren und voraussichtlich noch vor Ende 2022 genehmigt werden.
Neben der ständigen Verbesserung der technischen Standards, Alle sind generell besorgt über das 5G Geschäftsmodell. Wie unterscheiden Betreiber zwischen 5G- und LTE-Netzen? Wird das 5G-Netzwerk die Vision ganz oder nur einen kleinen Teil davon erreichen?
5G network Sub-6GHz frequency band
Deploying a new generation of wireless networks is an expensive project, Daher arbeiten Betreiber hart daran, 5G-Anwendungen zu entwickeln und zu monetarisieren. Obwohl jeder viel Forschung und Entwicklung in die drei Hauptszenarien der 5G-Vision investiert hat, Frühstadium der 5G-Markting mainly focused on enhancing mobile broadband (eMBB). Betreiber konkurrieren untereinander hinsichtlich Netzabdeckung und Geschwindigkeit, was sich auch indirekt auf die Sub-6GHz Netzwerkarchitektur und -technologie auswirkt.
Disadvantage
If you want to compare speed or capacity, dann wird das 5G-Netzwerk Sub-6GHz Frequenzband nicht auf einmal dominant sein. Dies ist eine zufällige Folge von Shannon-Hartleys Gesetz. This law describes the theoretical value of the maximum data rate that can be transmitted in a specific channel bandwidth:
C = B*log2 (1+SNR)
Among them, C is the limit of channel capacity (bit/s), B is the channel bandwidth (Hz), und SNR ist das Signal-Rausch-Verhältnis.
Obwohl neue Sub-6GHz Frequenzbänder jeden Tag auf der ganzen Welt zugewiesen werden, Die Bandbreite dieser Frequenzbänder kann nur in Dutzenden oder Hunderten von MHz gemessen werden. Im Millimeterwellenband, die Bandbreite ist normalerweise GHz-Niveau. Verglichen mit Millimeterwelle, Dies ist der grundlegende Nachteil von Sub-6GHz Netzwerk. Abbildung 2 zeigt, wie Ericsson glaubt, dass sich das bestehende LTE-Netz auf 5G mit der besten Abdeckung entwickeln sollte, Kapazität und Leistung. Das Hybridnetz kombiniert bestehende 2G/3G/4G-Standards und Frequenzbänder, sowie 5G Sub-6GHz- und Millimeterwellenbänder. The entire evolution process begins with carrier aggregation (CA) in different LTE frequency bands. The evolved network has dual connectivity (DC), In dem der Downlink auf dem 5G Sub-6GHz Frequenzband arbeitet, das mehr Kanalbandbreite abdeckt, während das Uplink-Signal im LTE-Netz verbleibt. Am Ende, Das Netzwerk wird zu einem Modell aufgerüstet, das mehrere Kombinationen von CA und DC auf den Sub-6GHz- und Millimeterwellenfrequenzbändern umfasst.

Advantage
The ideal situation for operators to upgrade their LTE network to a fully functional 5G network. Dieser Entwicklungsprozess umfasst mehrere Frequenzbänder und Standards, sowie CA und DC, Komplexe und teure Umsetzung. Obwohl der Sub-6GHz Teil des Netzwerks das Problem der unzureichenden Kanalbandbreite hat und die Komplexität des Hybridnetzes erhöht, Es bringt auch viele Vorteile für das 5G-Netzwerk.
Ein großer Vorteil des Niederfrequenzbandes ist die Signalausbreitungseigenschaft. The Pfadverlust of the transmitted signal increases with the increase of frequency in a multiple relationship of 20log10(f). Bei gleicher Entfernung, Der Signalverlust von 28GHz ist 32dB mehr als der von 700MHz. Angesichts der konstanten maximalen Sendeleistung der Basisstation, Der erhöhte Wegverlust unter diesem Hochfrequenzband schränkt die Abdeckung von 28GHz-Geräten stark ein. Auch, Das Sub-6GHz-Signal hat einen geringeren Gebäudedurchdringungsverlust als das Millimeterwellensignal. Dies ist für den Einsatz von 5G-Netze in Ballungsräumen.

Sub-6GHz-Netzwerke haben auch offensichtliche Vorteile bei der Anwendung von Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)-Technologie und massiven MIMO-Antennen. MIMO setzt auf mehrere Sender und Empfänger in Basisstationen und Benutzerterminals. Da die Heizkörper getrennt sind, gelangt das gesendete Signal auf verschiedenen Wegen zum Empfänger. Die Verwendung von Weltraumdiversität und Multiplexing-Technologie, gekoppelt mit einkanaligen Mehrfachdatenströmen und Mehrkanalausbreitung, kann die Signalstabilität (Signal-Rausch-Verhältnis) und die Datenrate verbessern.

Diese MIMO-Antennenarchitektur wird die Hauptstütze der meisten 5G-Netzwerke werden, denn wenn die Kanalkapazität in Gleichung 1 um eine erste Ordnung approximiert wird, kann die MIMO-Antenne sie um das n-fache erhöhen (n ist gleich der Anzahl der Antennenstrahlerpaare). In der Standardversion, die zuvor von 3GPP veröffentlicht wurde, beschränkt sich die Antennenstruktur auf die 8T/8R Konfiguration, d.h. 8 Sender und 8 Empfänger. Der Begriff "massive MIMO" (mMIMO) ist ebenfalls sehr allgemein, aber jetzt bedeutet er im Grunde, dass die Anzahl der Sender weit über 8 liegt. Im aktuellen 5G-Einsatz können wir sehen, dass jede Antenne der mMIMO Basisstation und Access Point bis zu 1024 Radiatoren hat.

Die Implementierung von mMIMO auf Sub-6GHz und Millimeterwellen PCB ist anders, was zu subtilen Unterschieden in Architektur und Design-Kriterien führt. Sub-6GHz-Signale haben längere Wellenlängen als Millimeterwellensignale, so dass mehr Transmissionsreflexionen auftreten. Dies kann eine reichhaltigere Multipath-Ausbreitungsumgebung schaffen und die Vorteile von MIMO nutzen. Darüber hinaus, Aufbau und Aufrechterhaltung einer optimalen drahtlosen Verbindung erfordert Verständnis der Kanalzustandsinformationen, einschließlich Verarbeitung und Aktualisierung von Parameterinformationen wie Streuung, Verblassen, path loss, und blockieren. Die obigen Operationen sind im Sub-6GHz Frequenzband wiederholbarer, dadurch eine günstigere Umgebung für die Signalausbreitung.