連接技術(shù)賦能SG通信新架構(gòu)

陳家輝

2015年，中國移動數(shù)據(jù)流量僅為每月0.5EB;

2018年，中國移動數(shù)據(jù)流量總量達(dá)到每月8.6 EB;

2023年，2G和3G將退出歷史舞臺;

2024年，預(yù)計中國移動數(shù)據(jù)流量總量將達(dá)到每月29EB，復(fù)合年增長率為22%;

2025年，將有超過750億臺物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，其中大多數(shù)會采用無線技術(shù);

移動通信技術(shù)更新迭代伴隨著數(shù)據(jù)傳輸量的指數(shù)級增加，4G網(wǎng)絡(luò)恐無法滿足如此大的網(wǎng)絡(luò)需求。

事實(shí)上，5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率預(yù)計可達(dá)到當(dāng)前速率的100倍。

幸運(yùn)的是，5G已經(jīng)取得長足進(jìn)步，并將帶來三方面的優(yōu)勢：更快地傳輸更多數(shù)據(jù);更低時延實(shí)現(xiàn)更快響應(yīng);同時連接更多設(shè)備，從傳感器到智能設(shè)備等不一而足。未來數(shù)據(jù)傳輸速率的提高有助于形成交互式生態(tài)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)更智能、更高效、更互連的世界。眾多行業(yè)分析師認(rèn)為，到2025年中國每100個連接中預(yù)計有30個5G連接。

然而，實(shí)現(xiàn)5G大規(guī)模商用絕非易事。在今年上半年舉辦的MWC Barcelona 2019大會上，部署成本、市場成熟度、支持性政策如頻譜劃分、5G標(biāo)準(zhǔn)制定、消費(fèi)者的認(rèn)知等議題開始被廣泛討論。就5G連接技術(shù)而言，AAS（有源天線系統(tǒng)）、MIMO（大規(guī)模多輸入多輸出）、C-RAN（云無線接入網(wǎng)絡(luò)）、邊緣計算等新技術(shù)的出現(xiàn)必將需要更先進(jìn)的連接器技術(shù)。

本篇文章將圍繞5G網(wǎng)絡(luò)下的連接器技術(shù)展開討論，涵蓋從射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）轉(zhuǎn)變?yōu)橛性刺炀€系統(tǒng)（AAS）時設(shè)計工程師面臨的關(guān)鍵問題;射頻單元帶來的挑戰(zhàn);光纖的作用以及云解決方案。

2019年，5G商用部署正在鋪開，TEConnectivity（TE）廣泛的產(chǎn)品組合，支持各種嚴(yán)苛環(huán)境下5G應(yīng)用需求。

大規(guī)模連接技術(shù)提高5G天線收發(fā)容量和覆蓋范圍

對于5G部署而言，了解其關(guān)鍵技術(shù)非常重要，如從單獨(dú)的射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）和天線系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模多輸入多輸出（MIMO）AAU，需要集成天線元件和其他有源電子元件。天線系統(tǒng)預(yù)計將從無源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛性刺炀€裝置，即在天線邊緣直接安裝電子元件。新的有源天線系統(tǒng)將使用MIMO天線，通過多個無線信道服務(wù)多位用戶，即多用戶大規(guī)模MIMO，簡稱MU-MIMO。我們希望新的天線系統(tǒng)能通過內(nèi)部連接，如連接器和線纜，提高單位天線元件數(shù)據(jù)收發(fā)量。

AAS是5G網(wǎng)絡(luò)的重要組件之一，是集成了有源射頻電子元件（收發(fā)器）與無源天線陣列的有源天線系統(tǒng)，可提升容量和覆蓋范圍，并降低射頻線纜要求以及纜線損耗。大規(guī)模MIMO被視為未來超快5G網(wǎng)絡(luò)的核心基礎(chǔ)組件。MIMO本質(zhì)是一種無線復(fù)用技術(shù)，可在同一無線信道同時發(fā)射和接收多個數(shù)據(jù)信號，每個數(shù)據(jù)信號通常都需要單獨(dú)的天線來發(fā)射和接收。雖然還沒有具體規(guī)定大規(guī)模MIMO天線的數(shù)量，但現(xiàn)階段系統(tǒng)往往采用幾十、甚至幾百個天線。例如，華為、中興以及Facebook已經(jīng)展示過擁有多達(dá)%到128個天線的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。大規(guī)模MIMO能夠使無線網(wǎng)絡(luò)的容量增加50倍左右，而更多的天線還可以實(shí)現(xiàn)更佳的數(shù)據(jù)傳輸功能、具備高可靠性及更強(qiáng)的抗干擾能力。

不過，設(shè)計工程師可能會面臨兩個挑戰(zhàn)：

AAS以及大規(guī)模MIMO會增加設(shè)計的復(fù)雜性。工程師需要使更多組件小型化，實(shí)現(xiàn)AAS內(nèi)部的高速互連的同時，符合信號完整性（SI）、電磁干擾（EMI）以及散熱性能方面的要求，這也是無線通信中的三個關(guān)鍵問題。

連接必須快速、性價比高、強(qiáng)大、穩(wěn)定且小巧。該連接必須能夠處理更高的傳輸速率、應(yīng)對更大的功率、更嚴(yán)苛的散熱性能挑戰(zhàn)，同時還必須足夠小巧，符合AAS對于整體尺寸的限制?？紤]到天線元件數(shù)量巨大，需要同時配備大量的連接器，如何控制合理的成本，正是TE Connectivity解決方案所能提供的重要價值之一。

多種連接器滿足5G下各種連接需求

5G部署的另一技術(shù)重點(diǎn)在于設(shè)計出高寬帶、多模式、高效率以及高度集成的下一代無線射頻系統(tǒng)，以處理大量不同的應(yīng)用和服務(wù)組合，從而滿足從農(nóng)村通信塔到城市布設(shè)的各種需求。除了城市郊區(qū)通信塔，城市布設(shè)還可能在城市中包括屋頂、路燈、道路本身甚至隧道等其他非傳統(tǒng)空間布設(shè)通信塔。而農(nóng)村地區(qū)將有可能繼續(xù)有賴遠(yuǎn)距離天線提供遠(yuǎn)距離覆蓋——類似于4G網(wǎng)絡(luò)。

在5G射頻單元內(nèi)部，有源電子元件與無源天線陣列集成在一起。這些組件的布局離不開天線板、電子元件板和濾波器：

由多個天線元件構(gòu)成（64→128）。

需要通過高速連接，將輸入/輸出（FO）接口連接至射頻板。

此外，有源天線系統(tǒng)（AAS）內(nèi)部和外部需要高速輸入/輸出（I/O）接口。

極可能包含電源、光纖以及混合（電源、射頻和低速信號）接口。

除了互連器件和傳感器，還需要考慮硅晶、雙工器以及振蕩器等。

因而，射頻單元內(nèi)部的連接必須能夠處理高速、高功率信號，滿足更嚴(yán)苛的電磁干擾（EMI）、信號完整性（SI）以及散熱性能要求。連接器必須足夠小巧，以滿足有源天線系統(tǒng)（AAS）對于整體尺寸的限制。天線是無線系統(tǒng)中最重要的通信元件?？紤]到天線元件數(shù)量龐大，元件之間需要大量的連接，連接器安裝過程中的易操作性也很重要。

在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，天線的饋電路徑節(jié)點(diǎn)通常由一個板對板同軸連接器構(gòu)成。濾波器是設(shè)計中的另一個重要組件，可通過一個同軸連接器與天線相連，并通過第二個同軸連接器連接到放大器板。放大器板會收集所有天線數(shù)據(jù)。接著，大量的數(shù)據(jù)需要被傳輸至中央處理器。高速電纜組件具有高設(shè)計靈活性、低串?dāng)_、低插入損耗等特點(diǎn)，支持高速數(shù)據(jù)傳輸。

此外，作為無線網(wǎng)絡(luò)的一部分，無線射頻信號需要與光信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和建立連接。TE的高速I/O產(chǎn)品組合可應(yīng)對電磁干擾和散熱性能挑戰(zhàn)，SFP、SFP28、QSFP以及QSFP28等產(chǎn)品都非常適用于射頻應(yīng)用。若將這些連接器與光學(xué)收發(fā)器搭配使用，在某些環(huán)境條件下，可能需要對其進(jìn)行防護(hù)，例如TE的FullAXS產(chǎn)品系列。如果需要為系統(tǒng)供電，TE的ELCON Mini連接器可為射頻單元提供強(qiáng)大而可靠的饋電路徑節(jié)點(diǎn)。

連接器解決方案助力OEM廠商部署5G通信架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)中，云化概念將會在無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)得到更廣泛的應(yīng)用。例如，C-RAN（云無線接入網(wǎng)）架構(gòu)主要將基帶單元（BBU）的資源集中化，并采用虛擬化等云技術(shù)。

OEM廠商可以選擇BBU功能的切分位置，不同的切分位置直接影響到I/O的帶寬。TE的I/O產(chǎn)品組合支持從10G到400E的接口，可滿足行業(yè)對各種不同解決方案的需求。

然而，隨著在C-RAN中樞實(shí)現(xiàn)BBU的集中化，前傳（Fronthaul）的概念被引入網(wǎng)絡(luò)。前傳指的是BBU池與蜂窩基站或小基站中的射頻拉遠(yuǎn)單元之間的鏈路。光纖能夠提供更高的帶寬，因而成為前傳的最佳選擇。但由于切分位置的不同，微波鏈路依然會占有一席之地。

這些變化將使大量電子元件將集中在大規(guī)MIMO有源天線系統(tǒng)的盒內(nèi)，產(chǎn)生大量熱量，因此所有組件需要承受更大的熱應(yīng)力。通過使用TE的低損耗、直連銅纜（DAC），某些射頻單元可組成菊鏈，以盡量減少光纖連接。這是TE提出的一種典型解決方案，可降低熱應(yīng)力，從而避免使用光學(xué)收發(fā)器等發(fā)熱組件。

C-RAN需要更高帶寬的連接，高頻段從1.8Ghz上升到6Ghz左右，而毫米波則為24Ghz到100Ghz頻段。采用全新調(diào)制方案且?guī)捀叩男滦褪瞻l(fā)器將提供有力支持。TE提供一系列解決方案，包括高速I/O、電源、插座、Sliver互連系統(tǒng)、板到背板線纜以及加固設(shè)備等。

連接器解決方案與云無線接入技術(shù)、邊緣計算等技術(shù)整合應(yīng)用

5G核心網(wǎng)依靠極其高效的云端基礎(chǔ)設(shè)施。Cloud RAN（或稱集中式RAN）是近年來的趨勢，而亞太地區(qū)的運(yùn)營商正在引領(lǐng)這一潮流。例如，中國、韓國和日本的運(yùn)營商正大力部署先進(jìn)的新型C-RAN架構(gòu)。借助C-RAN，許多蜂窩基站的基帶處理可以實(shí)現(xiàn)集中化。C-RAN通過協(xié)調(diào)不同蜂窩基站來提升性能，同時整合資源以節(jié)省成本。

隨著數(shù)據(jù)中心在規(guī)模和能力方面的大幅提升，出現(xiàn)了一種新趨勢——邊緣計算和邊緣云。在這種分布式計算中，大部分計算都可能在智能設(shè)備（內(nèi)嵌傳感器）或邊緣設(shè)備等分布式設(shè)備節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行，而非由數(shù)據(jù)中心完成。這些設(shè)備的設(shè)計正在發(fā)生改變，將采用集成微控制器、執(zhí)行器芯片和模塊的智能傳感器。這同樣會改變連接器和線纜在系統(tǒng)中的角色和要求。

憑借高速、高性能的互連和電源產(chǎn)品，TE能使高度敏感的數(shù)據(jù)從設(shè)備傳輸?shù)皆贫?，然后再傳輸回來?/p>

TE的高性能天線應(yīng)用于設(shè)備和電信AAS，數(shù)據(jù)和電力通過我們的Fu11AXS內(nèi)部連接從有源天線系統(tǒng)（AAS）傳輸至邊緣云單元，這些系統(tǒng)支持加固的光纖、電源、以太網(wǎng)快速安裝接口。信號通過具有熱保護(hù)和EMI保護(hù)性能的高速I/O端口，進(jìn)入邊緣云單元，再經(jīng)過TE的Sliver內(nèi)部高速布線系統(tǒng)，可以減少時延，并增加系統(tǒng)的靈活性。隨后，通過STRADA Whisper背板和板對板產(chǎn)品，或高速DAC電纜，信號從邊緣云單元中的子系統(tǒng)傳回到電信天線桿和AAS系統(tǒng)，再通過無線傳至設(shè)備。TE廣泛的電源產(chǎn)品組合將支持整個網(wǎng)絡(luò)的電力需求，包括適于內(nèi)外部應(yīng)用的板對板和線纜配電方案。

5G邊緣計算將為終端用戶在核心網(wǎng)邊緣的應(yīng)用，提供更大容量、更低時延、更高移動性、更高可靠性和準(zhǔn)確性。此外，云計算可將大數(shù)據(jù)中心的高效率和高能力賦予最緊湊的5G小型設(shè)備。

CORD是一種邊緣計算平臺，旨在為用戶提供邊緣云服務(wù)。開放網(wǎng)絡(luò)基金會（ONF）指出，CORD可以將邊緣轉(zhuǎn)變?yōu)槊艚莸姆?wù)交付平臺，使運(yùn)營商能夠在革新服務(wù)的同時，為終端用戶提供高效的體驗(yàn)。

開放網(wǎng)絡(luò)基金會表示：“CORD（重構(gòu)中心機(jī)房為數(shù)據(jù)中心）平臺利用SDN、NFV以及云技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)邊緣構(gòu)建敏捷的數(shù)據(jù)中心。CORD集成多個開源項(xiàng)目，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供一種可編程的、敏捷的開放式云原生平臺，以打造各種創(chuàng)新服務(wù)?！?/p>

它將實(shí)現(xiàn)更加標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)設(shè)施及開放化的構(gòu)建模塊，從而形成數(shù)據(jù)中心的規(guī)模效應(yīng)。與此同時，C-RAN也將對連接技術(shù)帶來更大挑戰(zhàn)，我們需要更高帶寬的連接和更高帶寬的收發(fā)器來支持。

結(jié)語

5G有望實(shí)現(xiàn)更快的傳輸速率、更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)和更實(shí)時無縫的通信，將推動對先進(jìn)、創(chuàng)新連接解決方案的需求快速增長。TE作為高速、散熱性能和EMI/SI解決方案以及嚴(yán)苛環(huán)境領(lǐng)域的創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者，正與全球各大5G無線通信設(shè)備OEM廠商和云服務(wù)商開展密切合作，以5G解決方案和專業(yè)能力，支持5G網(wǎng)絡(luò)的成功部署。