拜尼姆: 請問5G架構的變遷會給連接器帶來了哪些挑戰

尼姆对雷恩 www.rutwu.com.cn

“通常情況下,開車時速在每小時60公里時,剎車傳輸時延60毫秒,那么剎車制動距離就是1米。但5G提供了很低的延遲,自動駕駛把時延控制到1毫秒,制動距離就能縮短到大約17毫米——這才能滿足應用環境需求?!弊ㄒ等聳吭贛WC會前的溝通會上這樣說。

上述高可靠低時延通信,是5G的重要用例之一,5G能夠將時延從以往的20-50ms縮短至1ms。MWC 2019上海展會上出現的包括遠程醫療、智能制造、無人機等在內的各種5G使用場景都在此范圍內。除此之外,5G應用的重要特性還包括了eMBB(增強的移動帶寬),也就是高頻速度快,比4G快100倍;以及mMTC(海量機器類通信),或者說大規模物聯網,把終端密度提高到每平方千米100萬的程度,也是當前水平的100倍。

對5G基建的各層級供應商來說,要做到如此程度的提升都面臨不小的挑戰。從TE Connectivity作為連接器制造商的角度來看,也能管中規豹地了解,這其中的難度究竟體現在哪些方面,以及從中更多地理解,5G基建相較4G的一些顯著變化。

5G架構相比4G哪里不同?

從表征來看,5G就是低時延、高帶寬及大量設備通信。在基建架構層面,5G網絡的核心網和無線接入部分都發生了變化。核心網部分,主要是各類大數據量的應用,對核心網的處理能力提出更高的要求。這部分最大的變化就是4G的S-GW/P-GW網元在5G時代剝離出了控制面(CP)和用戶面(UP),而用戶面功能實際還下放到了接入側(下圖中的MEC)處理。

無線接入側的變化就相對很大了。上圖有兩個基本概念,BBU(上圖中的DU)和RRU(上圖中的RU,有時也叫RRH)。BBU就是基帶單元(baseband unit),一般生成與處理數字基頻RF信號;RRU則為射頻拉遠單元(remote radio unit)。3G時代BBU和RRU實現了設備分離;不過如上圖所示,3G、4G時期盛行的D-RAN(分布式無線接入網),BBU和RRU還是放在同一個機柜中的。

5G對基站數量的要求驟然變多,畢竟eMMB需要使用更高的頻率。傳統的這種D-RAN架構,每個蜂窩基站(cell site)都要求專門的BBU和RRU,另外還需要配套的電力、制冷、路由功能供應。如果按照這種架構去大規模增加基站數量,那么基建費用和運營成本就會激增。所以不少無線技術和架構都涌現了,這其中包括了MIMO、CoMP、載波聚合、vRAN,還有現如今的C-RAN架構(云RAN或中心化RAN)。

C-RAN的主體就是把BBU做了集中處理,移到了中心位置形成BBU池,和RRU徹底實現分離。BBU池能夠共享物理基礎設施,包括路由器這樣的網絡設備,當然還有空間、電力、制冷系統等。這是降低成本一種很好的方案,而且提升了架構的彈性。另外C-RAN也算是可持續綠色能源的一種方案,在一個BBU池中采用可再生能源總是好過分開的大量基站設備的。

MWC展會上的長飛光纖5G前傳光???/p>

這個時候,RRU就安裝在千米、萬米以外的遠程蜂窩基站上。那么BBU到RRU之間的部分就需要有傳輸網絡了,這個傳輸網絡即是運營商常說的“前傳(fronthaul)”。而且前傳也實質上成為5G發展的一個重要焦點。我們也在MWC 2019上海展會上看到了不少前傳光纖和光??檎故?。

除了C-RAN架構將BBU做了中心化處理,遠端的RRU和外部天線也發生了變化。在5G網絡中,RRU形成了新的AAU(架構圖中的AU,有源天線單元)。這其中涉及到AAS有源天線系統,其特點就是集成了有源射頻電子元件與無源天線陣列,而不再是單獨的天線。

AAS系統的主要作用有兩個,其一是有源天線可將信號專注到一個特定的方向,這樣一來從基站抵達特定設備的信號也就更強,這就是Beamforming波束成形技術。第二,這里的天線陣列就是MIMO天線,通過多個無線信道同時服務多用戶,實現MU-MIMO。

MIMO是一種無線復用技術,可在同一無線信道同時發射和接收多個數據信號,每個數據信號通常都需要單獨的天線來發射和接收。Massive MIMO可讓無線網絡容量增加50倍左右,更多的天線也就能實現更好的數據傳輸功能、更高的可靠性和更強的抗干擾能力強。

5G對尼姆对雷恩提出何種要求?

陳家輝也在交流中提到了上述5G架構轉變的三個核心要素:C-RAN架構的普遍采用、前傳需要采用新的傳輸技術,以及AAS有源天線系統。此外,C-RAN架構變化本身還帶來了更多屬于5G的特性,比如C-RAN普及之后,移動邊緣計算(MEC)也就可行了:將數據中心的服務器和存儲器放到BBU池旁,得以實現本地內容緩存,進一步減少網絡時延。SDN(軟件定義networking)和NFV(網絡功能虛擬化)對運營商而言也是提供邊緣計算服務的彈性的重要組成部分。這些甚至可能改變運營商和云服務供應商之間的角色關系。

TE Connectivity數據與終端設備事業部工程總監陳家輝

這么多新變化,對5G基建各層級的參與者而言都是挑戰和機遇,甚至包括了供電、散熱解決方案。比如有源天線系統中難度最大的高效率功放、小體積濾波器、高精度ADC/DAC等等。對TE Connectivity這樣的電子連接器制造商而言自然提出了更高的要求。

比如蜂窩基站內的AAS部分組件的布局就離不開天線板、電子元件板和濾波器。密集住宅區域內的互補系統需要大量天線才能支持MU-MIMO,既然配有控制電子元件就需要新的連接解決方案。特別是6GHz及更高頻率的網絡需要高度集成化的系統,其中的射頻集成電路通?;嵩諦酒檣媳礱婕商煜?。AAS內部和外部都需要高速I/O接口;系統可能包含電源、光纖及混合接口;除了互連器件和傳感器,還要考慮硅晶、雙工器和振蕩器等。

陳家輝提到:“射頻單元內部的連接必須能夠處理高速、高功率信號,滿足更嚴苛的電磁干擾、信號完整性和散熱性能要求。而且連接器還必須足夠小,滿足AAS對整體尺寸的要求。另外,天線元件數量龐大,元件之間需要大量連接,如何控制整體成本,以及連接器安裝過程中的操作性也很重要?!?/p>

TE Connectivity是怎么做的?

TE去年的財報將業務分了三部分,其中一部分是通訊解決方案(communications solutions),這部分的收益和利潤雖然相比汽車和工業業務的基數少很多,只占TE凈銷售額的13%,但增長速度還是比較快的。其中networking設備、數據中心設備、無線基礎設施等占到這部分銷售額的近六成,所以在5G時期TE自然不愿放開這部分市場。

就TE通訊解決方案的布局來看,TE在5G產品中的覆蓋也比較廣,包括在5G設備終端、5G基站以及云計算數據中心、5G邊緣計算等。比如手機中的天線、傳感器、USB連接器,遠程蜂窩基站內的天線和射頻連接器、加固型連接解決方案,數據中心的高速連接等。

陳家輝反復提到,TE在5G高速高密度連接技術原本就有相應的技術積累,不只是“3G、4G建設時期獲取的經驗”,“TE在數據中心方面,從25G到56G一直有大量出貨,現在在做112G。這部分關于高速數據的應用原來主要在核心網數據中心這塊,包括交換機、存儲器或者說服務器。在5G高速部分,我們可以沿用以前的這些技術積累,再針對不管是C-RAN或者AAU的應用做結構上的調整,然后加一些散熱的技術,就能滿足不管是5G無線還是承載使用的需求。所以TE在這部分積累了比較多的經驗?!?/p>

“5G的AAU要通過光纖連接到C-RAN,這是個高速I/O口。以前5個G、10個G,現在5G就需要25Gbps了。相應的在我們現有產品的一些部件、結構性的cage、散熱性能方面做出調整,我們相對同行再這方面還是有很強的技術優勢的。本來TE在高速I/O方面就有著全球最大的份額?!閉庖壞閌導試諼頤竊縝安煞肕olex市場副總裁Brian Krause的時候也得到過印證——即連接器領域,高速I/O產品的跨行業應用。

就5G架構變化的三個趨勢來看,陳家輝介紹說,針對C-RAN架構的BBU池,還有前文提到的SDN、NFV等,對速度、數據量、密度、可靠性提出了更高的要求,TE基于數據中心和云技術領域的積累提供包括電源在內的各類解決方案;針對AAS,TE本身就提供定制天線解決方案,另外也有高速I/O、內部連接器和布線解決方案、RF同軸電纜解決方案和天線???針對前傳(以及后傳),TE的I/O產品組合包括SFP28、microQSFP、QSFP28和FullAXS連接器等,可用以支持更大量的高速光纖連接——TE宣稱在更靠近蜂窩基站位置,其高速產品組合能夠“支持更深的光纖穿透來后傳來自小基站的流量”。

“要滿足大容量的數據傳輸,就有非常多的器件集成在一起。為了實現覆蓋舉例要增加相應的功率,帶來的熱量傳輸也是很大的。所以對連接器密度的需求,對熱量傳輸、可靠性、速率的要求,都對連接器提出了比以往更大的技術挑戰。TE在這部分研發了創新技術,包括ERFV這樣的一體式方案,降低成本的同時保證性能?!背錄一員硎?。

“在散熱方面,TE去年研發的技術現在已經量產了。這種技術能夠把熱傳導提高30%以上,也是期望幫助客戶實現5G應用場景中系統的功能。在信號傳輸效率方面,通過低損的線纜組件,我們的高速數據傳輸線、內部線纜能夠在高速的情況下帶來很低的損耗,提高傳輸效率?!?/p>

拋開5G對技術、生活層面的革新不談,在5G的新架構部局中,有個變化叫“網絡切片”機制,就是將網絡按照不同業務需求,劃分成不同的虛擬子網絡,畢竟5G是面向萬物互聯的。這是5G與4G外顯的一個很大差別,也是C-RAN更佳靈活性的一個體現,針對不同的服務征收不同的費用,這可以成為重要的利潤來源,也成為資源優化分配的一種方式。

這是5G造就的商機的滄海一粟,如MEC邊緣計算就能為包括TE在內的諸多供應商數據中心業務提供新的機會,以及前文提到的各部分解決方案變遷。實際上,5G更為開放的這種架構,靈活性和彈性,得以讓所有參與者奮力于5G技術,5G的商機遠非4G可比。

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