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自2019年6月5G商用牌照发布以来,中国5G建设已经取得举世瞩目的成就。中国工信部数字显示,截至2022年6月底,中国5G基 站已部署185.4万个,5G用户数超过4.5亿,中国已建成全球规模最大的5G网络,已开通5G基 站占全球5G基 站总数的60%以上,登录5G网络的用户占全球5G登网用户的70%以上。
目前,中国5G网络已覆盖全国所有地级市、县城城区和90%以上的乡镇地区,广覆盖已经基本完成。接下来,5G建设重点将转移到补盲点与室内深度覆盖方面,今年以来,中国移动等运营商开展了多批次小基 站集中采购,由此拉开5G小基 站建设序幕。
图1:小基 站市场规模及预测(亿美元)(图源:前瞻产业研究院)
本文我们将重点探讨5G小基 站的定义、必要性、部署价值以及未来的发展趋势,并为大家推荐贸泽电子网站上在售的、可用于5G小基 站方案设计的电子元器件。
5G小基 站时代来临
小基 站并不是5G时代的专属,早在4G时代就已有相关部署。不过,由于4G时代宏基 站可以承载70%以上的流量,小基 站的使用量不多。而在5G时代,因为技术与网络建设政策变化,小基 站成为宏基 站的必要补充,尤为需要强调的是在室内网络建设方面,小基 站更具优势。目前,中国5G网络布局正在形成“宏基 站为主、小基 站补充”的局面。
根据3GPP(国际移动通信标准组织)规范,无线基 站可以分为4类,分别是宏基 站、微基 站、皮基 站和飞基 站,业内普遍将除宏基 站以外的微基 站、皮基 站和飞基 站统称为小基 站。
图2:基 站类型分类(图源:Qorvo)
与传统宏基 站相比,小基 站在产品形态、基 站功率和覆盖范围等方面都要小很多,是一种小型化、低功率的基 站设备。小基 站的功率一般在50mW至10W,覆盖范围为10至200米。
凭借体积小、功率低的特性优势,小基 站没有宏基 站选址那么困难,部署灵活,尤其适合在人群密集场所部署,在补盲点和室内深度覆盖方面有明显优势。
在宏基 站覆盖较差的地方,小基 站通过体积小、部署灵活的特点,帮助完成盲点覆盖;在人员密集的场所,小基 站由于功率低,可以在热点区域的小范围内进行频率复用,提升系统容量,帮助宏基 站分担流量负担。这两大优势对5G网络普及和渗透有积极的推动作用,尤其是室内应用场景下。
根据华为等公司发布的《室内5G场景化白皮书》,4G移动网络中,有超过70%的业务发生在室内。伴随着5G业务种类的持续增加、行业边界的不断扩展,业界预测未来将会有超过80%的数据业务发生在室内。因此,5G时代的室内移动网络至关重要,将成为运营商的核心竞争力之一。
但与4G信号在3GHz以下不同,5G载波频率有所提高,当前中国5G频谱集中在3.3至3.6GHz、4.8至5GHz频段,频率提升将导致信号穿透和绕射能力下降。宏基 站一般位于楼顶和铁塔等高处,但常常受到建筑物、树木的影响,覆盖效果不均匀。5G信号穿透能力更弱,信号通过建筑物后衰减更多,从而造成大量弱覆盖区域和盲点。这些地方要么无信号,要么信号质量差,无法满足用户正常应用对室内覆盖深度的要求。
另一方面,传统室分系统对3GHz以上高频段频谱支持存在一定问题,难以通过改造来满足5G大容量数据传输要求;而5G时代业务对边缘处理能力提出更高要求,需要在边缘侧为用户提供大带宽、低时延和广连接的移动网络,传统网络结构不能支持在边缘侧开展5G业务。
当然,通过增加宏基 站数量也可以改善覆盖率,但宏基 站的建设运营成本与选址都是极大挑战,单纯靠宏基 站实现全覆盖是不现实的,因而用宏基 站加小基 站来实现超密集组网成为必然的选择,5G小基 站的市场前景被广泛看好。市场研究公司DellOro预测,未来5年全球5G小基 站市场规模将达到250亿美元。
小基 站在5G时代的优势
相较于4G小基 站,5G扩皮小基 站面对更多场景规划了2T2R/4T4R、5G单模/4G+5G双模等多样化产品,这使得5G小基 站的应用将更加多元,更加充分。
在5G信号“补盲”方面,5G小基 站将在小区和工厂等建筑物密集场所广泛部署,帮助实现5G信号覆盖,以及智慧工厂、智慧农业等创新应用;在5G信号“补热”方面,针对机场、医院、商场、酒店等人员密集型场所,5G小基 站将通过灵活部署,提升重点区域的天线面积和天线容量,将小基 站由4G时代的中低容量场景,扩展至高容量场景。
后续,随着5G和更多产业的深度融合,5G小基 站的用量将进一步高速增长,打通电力、制造、交通、化工、园区等场景的5G末端连接,真正实现基于5G的万物互联。
面向未来,5G小基 站发展将有三大明显的趋势。
其一
在提升用户接入数量和覆盖范围的同时,5G小基 站需要保持低功耗、低成本、小体积的产品特性。这是小基 站的立身之本,将推动5G小基 站SoC等相关器件的快速迭代,带动产业升级;
其二
随着5G小基 站产业逐渐成熟,行业标准体系也会随之健全,形成硬件设备、软件接口和加速设备的标准化;
其三
5G+边缘智能概念将逐步得到加强,5G云小站会成为热门,实现软硬件解耦,具备边缘计算性能,进一步提升5G小基 站的灵活性。
在5G小基 站产业发展逐渐进入如火如荼状态的同时,小基 站集采也引发了市场对小基 站供应链的关注,小基 站元器件厂商迎来了属于自己的高光时刻。小基 站体积虽小,但功能不少,对性能和可靠性也要求很高,这就离不开高质量的芯片和接插件等电子元器件。只有选用品质出众的元器件,才能打造出体积小、功耗低、射频性能更好、更智能的小基 站。贸泽电子是工程师常用的电子元器件采购平台,下面我们来为大家介绍贸泽电子官网在售的适合小基 站应用的元器件。
高性能小基 站主控SoC
小基 站中最核心的元器件是其控制芯片,如下图3所示。主控芯片是小基 站的“大脑”,主要负责小基 站的核心功能实现,由于小基 站体积小、功能多、通信速率高,因此对主控芯片要求特别高。
现在主要有两种主控芯片解决方案:
◆ 一种是FPGA,胜在可编程的灵活性;
◆ 一种是SoC,胜在性能极度优化的情况下还能保证成本优势。
图3:5G小基 站原理框图(图源:NXP)
在此,我们为大家推荐的器件是高性能小基 站主控SoC,来自制造商NXP Semiconductors,物料号为LX2162RE82029B,大家可以通过搜索此物料号在贸泽电子平台上找到这款器件。
LX2162RE82029B内部集成了高达16个Arm® Cortex®-A72内核,采用16nm FinFET工艺技术,运行频率高达2.0GHz,在低功耗的前提下,为5G小基 站等网络硬件平台带来出色的数据路径加速功能、安全卸载和稳健的流量管理以及服务质量。
LX2162RE82029B是NXP LX2162A处理器中的一款。事实上,面向5G数据包处理、定制子板、企业接入点、Micro CPE、Mini-ITX、智能网卡、COM Express模块、白盒交换机、工业控制和楼宇安防等丰富的应用场景,NXP提供了LX2162A、LX2082A和LX2122A处理器综合解决方案,其中LX2162A包含16个内核,LX2122A包含12个内核,LX2082A包含8个内核。
图4:NXP LX2162A处理器(图源:贸泽电子)
通过下图4能够看到,NXP LX2162A、LX2082A和LX2122A处理器拥有丰富的片上资源,具有高端、高速通信功能。这些处理器提供12个SerDes通道,工作频率高达25GHz;多达12个以太网端口,支持的以太网速度包括1、2.5、10、25、40和50Gbit/s;集成多达12个PCIe Gen3通道,支持三个宽达x8端口;此外还有50Gbit/s安全加速器和88Gbit/s数据压缩/解压缩引擎等网络加速功能。
图5:LX2162A处理器系统框图(图源:NXP)
这些处理器除了具有强大的数据包卸载和边缘计算用以太网控制器,可提供出色的计算性能之外,还有传感器等低速外设,并且处理和处置所有接收信息的计算能力均可采用单一封装,适合用于小型电路板,为5G小基 站等典型应用带来灵活的设计和部署选择。
不可忽视的射频连接器
射频性能是小基 站关键的指标之一,优异的射频性能离不开高性能的射频连接器,因为移动信号都要通过射频连接器才能传入或传出小基 站中的子模块和电路,例如用射频连接器来连接天线或板对板互连。连接器性能不佳,会影响到接收器灵敏度,或者导致输出信号功率降低,连接器的质量还影响到设备间互连电缆的长度。这里为大家介绍的两款高性能射频连接器,来自制造商Johnson / Cinch Connectivity Solutions。
第一款是型号为149-0901-811的1.0mm射频连接器,该器件可用于满足5G小基 站SoC等半导体器件的相关测试和测量需求。Cinch 1.0mm系列射频连接器配有末端装接和面板末端装接螺钉式连接器、火花塞连接器和串联适配器,这些坚固的模块具有出色的性能和重复性、低电压驻波比(VSWR)、低插入损耗和低回波损耗。
图6:149-0901-811(图源:贸泽电子)
在特性参数方面,149-0901-811支持50Ω阻抗,频率范围为直流至110GHz,VSWR为1.38(110GHz时最大值),回波损耗为15dB(直流至67GHz时最大值)和10dB(67GHz至110GHz时最大值),插入损耗为0.7dB(典型值),并支持最少500次插拔的耐用性,可以满足研发实验室的5G测试需求。
特别提醒大家,在149-0901-811器件详情页的最下方,可以看到Bel 5G解决方案的入口,里面有丰富的、可用于5G的连接器产品。
综合而言,Bel 5G解决方案具有高速、低延迟和高带宽等特性,有助于传输大量数据。整个Bel 5G解决方案包括CINCH 5G解决方案、BEL POWER 5G解决方案、STEWART 5G解决方案、BEL FUSE 5G解决方案、BEL MAGNETIC 5G解决方案以及TRP CONNECTORS/BEL 5G解决方案几个子系列,这些5G解决方案的推出将推动基 站的快速增长以及对回程连接的大量需求。在5G小基 站方面,基于上述高性能、丰富的Bel 5G解决方案,工厂和办公室将可以构建其5G网络架构。
第二款是型号为145-0701-841的SMK射频连接器。SMK连接器是SMA的性能升级版,它利用空气电介质和Noryl支撑珠获得比SMA连接器更高的截止频率,同时元件的厚壁设计增加了界面处的外部导体接触面积,可以获得比SMA连接器更可靠的电气性能和更高的机械强度。SMK连接器的最大VSWR为1.15:1(直流至18GHz)和1.3:1(18GHz至40GHz)。有螺纹安装、法兰安装和末端装接安装法兰配置可供选择。现场可更换和螺纹(火花塞)连接器可用于气密密封或附件销,气密密封和附件销可以修改为各种配置,应用灵活。
图7:145-0701-841(图源:贸泽电子)
这两款连接器都是小基 站应用的性能之选,分别适用不同场景。Johnson / Cinch Connectivity Solutions连接器均符合RoHS指令,100%经过测试,确保可靠性和高性能。除了这两款连接器之外,Johnson / Cinch Connectivity Solutions还有SMP、SMPM、1.85、2.4和2.92系列设计用于满足小基 站等5G应用需求,每个系列均具有针对射频和微波连接解决方案的特性,感兴趣的读者可以到贸泽电子官网查询相关信息。
质量是小基 站元器件的立身之本
运营商对小基 站的集采标志着小基 站建设大潮正式启动,随着移动通信技术进一步迈向高载波频段,基 站间距将进一步缩小,多样化无线接入方式和各种类型基 站将组成宏微异构的超密集组网架构。小基 站的重要性将与日俱增,对小基 站中用到的芯片集成度与灵活性、射频连接的性能也将有新的需求,这就要求小基 站元器件厂商跟随技术变化不断精进。
作为网络基础设施的重要组成部分,小基 站在部署后运行的稳定性、可靠性和一致性成为核心指标,而保证小基 站稳定运行、高效处理,离不开高质量的元器件,一旦元器件质量出问题,厂商损失往往远高于元器件价值。贸泽电子始终以为工程师提供高质量正品元器件为使命,而且拥有业内超级丰富的料号以及齐全的技术资料,小基 站开发者可以在贸泽电子官网一站式备齐小基 站上用到的所有电子元器件,让工程师可以高效省心地进行开发。
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