不一样的5G,不一样的连接器!

我们正在加速进入5G时代!全球移动供应商协会(GSA)公布的数据显示,到2020年9月全球投入商用的5G网络已经达到106张,仅在最近的一个月中就新增了14张。似乎今年的新冠疫情也没有让5G放缓其商用的步伐。根据GSA的分析,目前5G在全球人口中的渗透率已经达到了7%,预计到2025年,全球20%的设备都将接入5G网络。

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不一样的定位

为什么大家会在5G身上投入如此大的热情和期望?这还得从5G的定位说起——如果说蜂窝无线通信技术从2G到4G,解决了人与人之间随时随地的互联,构架起了无线互联网世界,那么5G会将这种互联性扩展到更为广阔的物联网领域,使得5G成为未来万物互联世界的骨架。

在网络界有一个被奉为圭臬的迈特卡夫定律,它的大意是“网络的价值与网络使用者数量的平方成正比”。如果说5G之前的蜂窝无线技术,其价值成长空间会最终因世界人口总数的限制,遇到发展的天花板,那么当5G实现了万物互联,那么其使用者的数量——无论是人还是机器——至少将会提升一个数量级,并且随着应用的扩展还会持续攀升,这背后潜在的价值会超出人们的想象。

为了实现万物互联的愿景,5G正在被塑造成一个全能型的选手,在同一个网络架构中,它要满足三个典型的应用场景所需:

1、eMBB(增强型移动宽带)

得益于毫米波以及超大规模MIMO等技术,通常认为5G的峰值速率可达到1Gbps,是4G的10倍,这会让很多以前人们无法企及的应用(如高清视频无线传输)成为现实,支撑VR/AR这种需要大数据量传输的新兴应用也会游刃有余。

2、URLLC(高可靠和低延迟通信)

其可提供小于1ms的极低网络延时,以及系统冗余和更高的可靠性,这让5G可以渗透到自动驾驶、工业控制、远程医疗等对实时性要求苛刻的领域。

3、mMTC(大规模机器类型通信)

针对需要低功耗、低速率、远程连接的物联网应用,提供大规模的连接,借此5G可以覆盖智慧城市、智能电表、公共设施管理、可穿戴设备、智能家居等领域的广泛应用,市场想象空间巨大。

从这种几乎“无死角”的应用场景设定中,我们不难看出5G“一统无线江湖”的野心。换言之,谁能够把握住5G的机遇,也就可以搭上一班高速发展的顺风车。

不一样的架构

可以说,5G在定位时画了一个大圈,将想象力范围之内的无线连接场景都囊括在内了。5G这种“颠覆性”的定位,也就决定了其在架构规划和设计上也必须是“颠覆性”的,由此带来的挑战不言而喻。

我们所熟悉的4G/LTE网络的架构,可以简化为三个环节:网络边缘设备(比如手机和平板电脑等)、基站(负责连接边缘设备并将数据传输至局端交换机等设备进行处理),以及局端的中央“云”(通信网络的数据中心)。但是这样的网络架构显然无法满足5G的需要。

相对来讲:5G的边缘设备更加多样化,不同设备的通信需求差异化大;需要单个基站连接的终端数量和数据吞吐量也显著增加;而且需要支持1ms以内的极低网络延迟;由于采用了毫米波,传输距离有限,因此要求部署更密集的蜂窝基站……这些变化使得5G的网络架构必须做出适应性的调整。

图1中给出了一个典型的5G网络架构,我们可以模拟数据从边缘端到云端的路径,了解这个架构如何工作。一个主动天线系统与多种多样的边缘节点保持连接并收集数据;这个天线系统与一个虚拟化的基站相连;而这个基站如何工作是由一个边缘数据中心(Edge Data Center)来驱动的。所有上述这些设备共同构成了一个基站系统,负责其覆盖范围内的IoT设备的通信连接,这样的基站广泛部署,遍布各处,并最终与网络的中心“云”相连,构成一个完整的5G网络。

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图1:5G网络架构(图源:Amphenol ICC)

可以看出,5G的基站与上一代的网络迥然不同,特别是边缘数据中心的引入,让以前集中化的网络管理趋向于一种分布化的架构,可以通过边缘数据中心直接去收发和处理来自网络节点的数据并作出快速响应,而且可以通过网络功能虚拟化(NFV)和软件定义网络(SDN)等技术,让服务器去模拟网络网关工作,且根据实际应用的需要去定义带宽、延时等性能,给运营商带来极大的灵活性。

不一样的连接器

上述这些5G网络架构的变化,当然也会传导到上游的硬件身上,需要全新的硬件解决方案来适应这一变化。其中,连接器产品也不例外。

在一个硬件系统中,连接器通常并不占据最重要的“C位”,但作为传输数据和电源的互连部件,在确保系统工作的稳定性和可靠性方面,连接器至关重要,选型和应用的失误往往会埋下难于察觉的隐患。

按照上文的5G网络架构来梳理,连接器在5G上的应用场景主要集中在以下几个方面:

  • 5G天线系统和测试板所需的同轴RF连接器。

  • 室外天线和基带系统所需的信号和电源连接器,其作用是将安装于高处的天线与地面上的基站相连。

  • 基站和边缘数据中心所需的高性能服务器和存储连接器,实现系统内部及其与外部的连接。

  • 用于网络边缘节点设备的连接器,其中既包括可用在汽车和通信设备中的高性能PCB连接器,也包括应用范围更为广泛的板对板、线对板、IO等商业连接器。

1、高性能

首先是性能上的提升。如上文所述,5G分布式的网络架构,使得边缘数据中心承担了更多的计算和处理任务,一些以前在云端数据中心才得一见的高性能互连方案,也会落地边缘数据中心。

比如Amphenol ICC为下一代数据中心打造的一系列高速IO接口——如SFP、QSFP、QSFP DD和OSFP ——及其电缆组件,可以支持最高400Gb/s的带宽。其中0.8毫米QSFP DD互连系统是一个76位的新型高速、双倍密度QSFP接口,该方案中8 x 50 Gb/s的电气接口使得每端口总计可支持高达400Gb/s的传输速率,适合高速串行应用。例如:蜂窝基础设施、集线器、交换机和服务器等。OSFP接口可支持25Gb/s NRZ或56Gb/s PAM4,总带宽容量200/400G,具有优异的信号完整性表现。这些方案都能够为5G的边缘数据中心提供有力的支撑。

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图2:Amphenol ICC的高速IO接口,可以支持高达400Gb/s的带宽(图源:Amphenol ICC)

2、高可靠性

由于5G基站需要适应不同环境的挑战,因此需要连接器在可靠性和耐用性上更胜一筹。

在这个方面,Amphenol ICC的OCTIS™户外IO连接器系列可以算是一个代表作,该连接器设计用于大功率应用,可实现高可靠性和性能。OCTIS是一种能够用于恶劣的户外和极端环境的耐用型IO互连解决方案,产品具备防雷击保护、EMI屏蔽、抗紫外线和IP67级耐候性等功能。同时该方案间距为26毫米,能够满足高端口密度的要求;由于采用了收发器位于盒外的独特设计,OCTIS也有助于节省板上空间并提高散热性。OCTIS还支持多种行业标准接口,例如SFP/ SFP+、QSFP、信号、电源和混合接口等。由于上述这些特性,OCTIS产品被广泛用于远程射频头、小蜂窝基站、宏蜂窝基站、微波链路、分布式天线系统等应用,可以说是一款具有前瞻性的产品,在5G中显然可以一试身手。

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图3:OCTIS 户外IO连接器系列适用于极端环境(图源:Amphenol ICC)

3、小型化

5G设备功能更复杂,也就要求在单位空间内能够容纳下更多的东西,这对连接器的连接密度也会提出更高的诉求。

在这方面,Amphenol ICC可供选择的高密度的互连解决方案也不少。在5G的天线系统中,你可以看到Lynx™ QD板对板夹层连接器的身影。Lynx窄型连接器最突出的一个特性就是,在传统双排封装中实现四排连接,使得连接密度翻番。Lynx QD是该高速高密度连接器系列中的一员,在紧凑的两行封装中提供了四行差分信令结构,支持56Gb/s PAM4和PCIe®️Gen 5,并且提供强大的机械强度和持续的信号完整性,是5G连接器选型中值得关注的一款产品。

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图4:高速高密度的Lynx QD板对板夹层连接器(图源:Amphenol ICC)

4、多样性

上文提到,5G用例具有多样性的特点,也就意味着需要多样性的连接器产品组合去应对,这样才能实现最优的结果。这就需要根据具体的应用,锁定最适合的连接器产品。

比如在满足高性能的汽车及通信设备应用方面,Amphenol ICC的Minitek®️MicrospaceTM连接器就提供了一种外形紧凑、耐用型的互连解决方案,凭借更高的连接密度,它可将PCB封装尺寸减少50%;其提供顶端和侧面的闭锁选项,让安装更简单,还利用键控可见性来防止错配;Minitek MicroSpace还具有较高的抗振性和抗锁性,适用于极端应用环境。

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图5:Minitek Microspace外形紧凑的耐用型连接器(图源:Amphenol ICC)

在智能照明领域,Amphenol ICC的FLH系列线对线连接器和支持调光的FLA系列插座也是理想之选,这些产品都支持DALI(数字可寻址照明接口),能够实现基于5G的自动照明控制。

“图6:适用于智能照明应用的FLH系列线对线连接器和FLA系列插座(图源:Amphenol
图6:适用于智能照明应用的FLH系列线对线连接器和FLA系列插座(图源:Amphenol ICC)

总之,5G为硬件互连带来了不少新的设计挑战,而其大规模的商用部署也带来了巨大的商机。这需要连接器产品围绕5G的需求做适应性的优化,开发出“不一样”的产品,在这个关键无线技术升级迭代中找到新的应用立足点。

如果你觉得在5G连接器选择方面头绪太多,耗费的经历太大,访问贸泽电子网站上的Amphenol ICC公司5G解决方案专题,是一个省时省力的方法。我们已经将Amphenol ICC提供的与5G相关的连接器产品悉数囊括其中,从边缘到基站再到云端,无论你处于5G网络架构中的哪个环节,相信都可以在此找到满意的互连解决方案!

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