Соединители на перспективу: продукция Molex для технологии 5G

8 июня

телекоммуникациилабораторные приборыинтернет вещейMolexстатьяпассивные ЭК и электромеханикаEthernetInternet-of-ThingswirelessIoT5GantennaRF-connectorNRZPAM-4Optical solutionsFiber opticsMassive MIMOFronthaulBackhaul2.2-5 RF connectorSFPQSFPQSFP-DDNearStackMirror MezzBittware

Софья Букреева (г. Протвино)

Компания Molex предлагает антенны и радиочастотные кабели и соединители для подключения антенн 5G, а также оптические разъемы, приемопередатчики и оптические кабельные сборки для высокоскоростной передачи данных в рамках технологии 5G.

Потребительская электроника, автомобилестроение, промышленность, медицина и другие отрасли стимулируют спрос на беспроводную технологию 5G, которая предлагает скорости передачи данных в десятки раз выше, чем 4G. Меньшее время задержки, высокая пропускная способность, меньший расход энергии батарей обеспечат поддержку более широкого спектра устройств и приложений. В ближайшие несколько лет 5G кардинально преобразит нашу жизнь, сделав взаимодействие в обществе более продвинутым и интеллектуальным. Умные города и ветряные электростанции, сельское хозяйство и больницы, IoT и сопутствующие инфраструктуры будут генерировать зетабайты данных примерно с 50 миллиардов устройств. 5G откроет потребности, о которых мы не знали, точно так же, как наша потребность в смартфонах не была столь очевидной еще в 90-е годы.

С началом испытаний и развертыванием инфраструктуры 5G отрасль беспроводной связи столкнулась с многочисленными проблемами использования сетей с частотами сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Сигналы частотой выше 10 ГГц блокируются такими препятствиями как деревья, стены и люди, поэтому системы 5G необходимо разворачивать ближе к устройствам. Здания и офисы нужно оснащать микростанциями 5G, расширяя доступность высокочастотных сигналов в тех местах, где их распространение иначе было бы невозможно. Помимо этого, устройства 5G необходимо устанавливать в местах, находящихся в неблагоприятных условиях: в уличных фонарях, светофорах, на крышах, стадионах, парковках, где на устройства будут воздействовать вибрация, перепады температуры и значительные ветровые нагрузки. Эти факторы окружающей среды, ввиду высоких скоростей и требуемой точности передачи данных, создают дополнительные трудности для синхронизации времени и частоты.

Для борьбы с возникающими проблемами существуют различные стратегии эффективного распространения высокочастотных сигналов 5G, включая использование большого числа микростанций, репитеров и технологий управления антенным сигналом.

Каждое устройство требует перепроектирования и оптимизации антенн для новых частот и новых методов передачи данных. Одной из ключевых технологий для реализации сетей 5G является использование многоэлементных цифровых антенных решеток Massive MIMO, что требует гораздо большего количества антенн в сравнении с 4G, а технология формирования направленного луча Beamforming будет являться для 5G основой передачи. Суть Beamforming заключается в том, чтобы формировать направленный луч от приемника в сторону принимающего устройства и обратно. Такой процесс оптимизирует использование полосы пропускания и повышает эффективность сети.

Поскольку сети и даже здания подвергаются модернизации для поддержки 5G, производители устройств изучают форм-факторы и технологии, которые позволят им воспользоваться преимуществами новой инфраструктуры. Все, от антенн и разъемов до электроники, связанной с сигналами 5G, подлежит полной переработке. Требуются новые материалы, новые концепции дизайна и технологии производства, включая усовершенствование систем для тестирования высокочастотных устройств. Производители компонентов для инфраструктуры 5G столкнутся с проблемами, которые не были столь острыми в 4G.

Что касается антенн и передачи сигналов, разработчиков ожидают следующие проблемы:

  • внедрение антенных решеток в устройства;
  • поиск подходов к коммутации и межблочным соединениям для сигналов радиочастотных диапазонов, принятых в 5G;
  • использование материалов и корпусов для оптимальной работы СВЧ- и КВЧ-устройств и антенн;
  • определение наилучших вариантов размещения антенн 5G.

Компания Molex имеет многолетний опыт производства продукции для высокочастотных систем. Интегрирование 5G в устройства не только подразумевает выбор наиболее подходящих компонентов, но и требует умения правильно подключать чувствительные высокочастотные антенны и разъемы.

Инфраструктура 5G и решения Molex

Сетевая архитектура 5G схематично изображена на рисунке 1. Она включает в себя несколько основных участков. Сегмент сети Fronthaul связывает удаленные радиомодули RRU (Remote Radio Unit) и базовые станции BBU (Baseband Unit), как правило, оптической волоконной сетью. Сегмент Backhaul объединяет трафик базовых станций и транспортирует его к ядру сети (Core) и центру мобильной коммутации (Mobile Switching Center, MSC).

Рис. 1. Упрощенная схема архитектуры 5G

Рис. 1. Упрощенная схема архитектуры 5G

Разъемы и кабельные сборки для антенных систем сетей 5G должны обладать необходимыми тепловыми характеристиками, обеспечивать целостность высокоскоростного сигнала, быть защищенными от электромагнитных помех и при этом иметь низкую стоимость и быть простыми в  сборке. Компания Molex предлагает более 90 типов стандартных РЧ-разъемов для частот до 65 ГГц, а также возможность разработки и производства соединителей на заказ с уникальными характеристиками и требованиями к размерам. Инженерная лаборатория компании оснащена тестовым оборудованием для проверки работы на частоте до 65 ГГц при различных условиях окружающей среды. Продукция проверяется с использованием передовых методов компьютерного моделирования на соответствие всем отраслевым стандартам, таким как MIL-STD-348, DIN, IEC и CECC. Для компактных мобильных устройств Molex предлагает радиочастотные соединители 2.2-5 RF connector, рассчитанные на частоту до 6 ГГц (рисунок 2а).

Рис. 2. РЧ-соединители 2.2-5 RF connector (а) и РЧ-кабельные сборки (б)

Рис. 2. РЧ-соединители 2.2-5 RF connector (а) и РЧ-кабельные сборки (б)

Для создания инфраструктуры Fronthaul также подойдут РЧ-кабельные сборки Molex (рисунок 2б) и гибридные кабели FTTA (Fiber-to-Antenna)/PTTA (Power-to-Antenna), которые сочетают кабели питания и оптоволоконные линии (рисунок 3), что позволяет сократить время и уменьшить пространство для установки кабельных сборок между станциями сотовой связи. Такие кабельные сборки могут производиться в соответствии с требованиями заказчика, обладают высокой степенью защиты IP, защищены от воздействия УФ-лучей.

Рис. 3. Гибридные кабели FTTA/PTTA

Рис. 3. Гибридные кабели FTTA/PTTA

Кроме этого, в сегментах Fronthaul и Backhaul можно использовать кабели SFP28 и QSFP28 DAC (Direct to Attach). Линейка Molex Direct Attach Cable (рисунок 4) включает в себя кабели, предназначенные для скоростей 10, 25, 40, 50, 100, 200 и даже 400 Гбит/с. Количество каналов – 2, 4 или 8, есть возможность полнодуплексного подключения трансивера. Продукция соответствует спецификациям MSA, IEEE, SFF. Кабели пригодны для использования в температурном диапазоне -20…85°C.

Рис. 4. Кабели SFP28 и QSFP28 DAC

Рис. 4. Кабели SFP28 и QSFP28 DAC

Компания Molex может предложить ряд продуктов, обеспечивающих скорости передачи данных 100 Мбит/с…400 Гбит/с, которые соответствуют стандартам Ethernet, SONET/SDH, Fibre Channel и CPRI. Molex предлагает широкий выбор трансиверов (рисунок 5) для различных оптических интерфейсов, в том числе BiDi, а также – поддерживающих DWDM в расширенном температурном диапазоне для наружного применения.

Рис. 5. Оптические трансиверы SFP28 и QSFP28 (а), BiDi (б)

Рис. 5. Оптические трансиверы SFP28 и QSFP28 (а), BiDi (б)

Серии оптических трансиверов, которые можно задействовать в сегментах Fronthaul и Backhaul:

  • I-temp 25GSFP28 (0,5/2/10/20 км);
  • I-temp 25GBiDiSFP28 (2/10/20/30 км);
  • I-temp 100GLRQSFP28 (2/10/20 км);
  • I-temp 10GDWDMSFP+;
  • I-temp 25/50/100GDWDMQSFP28;
  • 10GER/ZRSFP+;
  • 50G/100GLRQSFP28;
  • 10GDWDMSFP+;
  • 25/50/100GPAM4 DWDMQSFP28.

Molex предлагает также ряд других оптических решений, таких как оптические перемычки с IP-защитой, оптические усилители, транспортные боксы, ROADM.

На станциях BBU компания рекомендует использовать соединители QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable). Эти соединители (рисунок 6) имеют четыре линии со скоростью передачи данных до 10 Гбит/с, а QSFP-DD (Double Density) используют восьмиполосный интерфейс, который передает до 28 Гбит/с при NRZ или 56 Гбит/с при PAM-4, то есть в совокупности до 200 и 400 Гбит/с, соответственно.

Рис. 6. Соединители QSFP28 (а) и QSFP-DD (б)

Рис. 6. Соединители QSFP28 (а) и QSFP-DD (б)

Помимо этого, для станций RRU, BBU и активных антенных систем (Active Antenna Unit, AAU) 5G-сетей компания выпускает РЧ-фильтры, изоляторы и циркуляторы, круглые разъемы питания. Стоит обратить внимание также на решения Molex для межплатных соединений NearStack и SEARAY и на высокоскоростные системы и разъемы Impulse и Mirror Mezz (рисунок 7):

  • системы соединений Impulse поддерживают скорости передачи данных 56 Гбит/с (NRZ) или 112 Гбит/с (PAM-4);
  • высокоскоростная мезонинная система Mirror Mezz обеспечивает скорость передачи данных до 56 Гбит/с по дифференциальной паре. Возможность наращивания соединений помогает снизить затраты и упрощает проектирование;
  • NearStack обеспечивают превосходную производительность с преимуществами кабеля twinax благодаря оптимизированной системе прямого подключения разъема на кабель;
  • низкопрофильные мезонинные разъемы SEARAY работают на скорости до 12,5 Гбит/с и занимают мало места на плате. Поскольку эти разъемы надежно крепятся методом solder-charge, они обеспечивают более низкую стоимость применения по сравнению с разъемами BGA.

Рис. 7. Разъемы: а) Impulse; б) Mirror Mezz; в) NearStack; г) SEARAY

Рис. 7. Разъемы: а) Impulse; б) Mirror Mezz; в) NearStack; г) SEARAY

Для развертывания датацентров C-RAN (Centralized Radioaccess Network) и центров мобильной коммутации (MSC) компания Molex предлагает оптические кабельные сборки Luma Link Optical Trace с разъемами высокой плотности MPO в малом форм-факторе (рисунок 8). Эти кабельные сборки отличаются полной подсветкой по всей длине кабеля, что обеспечивает стопроцентную визуальную идентификацию начала и конца кабеля и места его прокладки. Это помогает техническим специалистам легче находить, подключать и маршрутизировать кабели к MPO-разъемам.

Рис. 8. Оптические кабельные сборки Luma Link Optical Trace (а) и разъемы MPO (б)

Рис. 8. Оптические кабельные сборки Luma Link Optical Trace (а) и разъемы MPO (б)

В системах C-RAN и MSC можно использовать указанные выше оптические трансиверы Molex, а также оптические перемычки, патч-корды, системы WDM, высокоскоростные решения BiPass I/O, разъемы для подключения карт памяти. Разъемы Magnetic Jack производства Molex, основанные на стандартных RJ45, имеют встроенные фильтрующие элементы для обеспечения целостности и изоляции сигнала и доступны в многопортовом варианте (рисунок 9).

Рис. 9. Разъемы Magneticjack

Рис. 9. Разъемы Magnetic jack

Инфраструктура 5G включает в себя также малые базовые станции – «малые соты» (Small cells). Small cells развертываются в таких местах как торговые центры, ж/д-станции, улицы, стадионы, а также офисные здания – там, где высокая концентрация пользователей или частоты миллиметрового диапазона сталкиваются с труднопроходимы местами, например, со стенами и прочим. Некоторые из перечисленных выше продуктов компании Molex можно использовать при подключении малых станций: фильтры, изоляторы, разъемы Magnetic Jack, оптические перемычки и кабели, РЧ-кабельные сборки.

Продукция компании Molex может обеспечить всю инфраструктуру сетей 5G, в том числе подведение сети к жилым домам (Fibet to the Home, FTTH) и мониторинг сети. Для мониторинга сети предлагаются модули с FPGA для высокопроизводительных вычислений (High Performance Computing, HPC), разрабатываемые компанией Bittware, входящей в состав Molex (рисунок 10).

Рис. 10. Модули на основе FPGA для высокопроизводительных вычислений

Рис. 10. Модули на основе FPGA для высокопроизводительных вычислений

Возможности Molex, кастомизация решений

Команда Molex активно инвестирует в исследования и разработки 5G. Имея современное производственное оборудование и технологии, компания предлагает поддержку производителям 5G-устройств, включая моделирование, механические, электрические, экологические и электромагнитные испытания.

В настоящее время непростой инженерной задачей является моделирование работы и тестирование активных антенн для сетей 5G: они подвижны и должны взаимодействовать с тысячами перемещающихся устройств в зашумленной радиочастотами среде. Большинство разработчиков антенн еще не нашло наиболее эффективный метод испытаний, который бы гарантировал высокую производительность устройств с технологией Massive MIMO. Компания Molex предоставляет технические возможности для проведения таких испытаний (рисунок 11).

Рис. 11. Тестовая камера для 5G-антенн

Рис. 11. Тестовая камера для 5G-антенн

Помимо этого, компания Molex предлагает изготовление кабельных сборок под индивидуальный заказ и их настройку для соответствия требованиям заказчика. Для РЧ-кабельных сборок на сайте доступен простой инструмент для создания собственной конфигурации [https://www.molex.com/molex/family/RF_Configurator.jsp].

Заключение

Компания Molex является признанным лидером в области технологий для центров обработки данных и высокоскоростных сетей. Сотрудничая с OpenCompute, Open19, OpenCAPI и другими группами, Molex предоставляет самые современные решения.

Международные команды компании Molex по разработке РЧ-систем продолжают совершенствовать процессы проектирования и производства компонентов 5G, накапливая опыт создания инновационных решений.

•••

Наши информационные каналы