Dijital Elektronik Elektronikde 5G Devrimi
5. nesil kablosuz teknolojinin, genellikle 5G olarak bilinen, dijital elektronik sistemlerin nasıl tasarlandığı, tasarlandığı ve konuşulduğunda bir paradigma değişikliği temsil eder. Önceki nesillerden farklı olarak, 5G yeteneklerinin entegrasyonu sadece donanım mimarisinin temel bir yeniden düşünülmesi değildir; bu, gömülü sistemler için performansı yeniden tanımlayan bir temel teknolojidir, IoT uç noktaları, kenar bilişim düğümleri ve yüksek bant genişliği iletişim bağlantılarıdır.
5G'ye geçiş, veri akışları aracılığıyla üst düzey bir büyüme sürüyor.4G LTE, 1 Gbps, 5G hedefleri 10 ila 20 Gbps ideal koşullar altında, kullanıcı deneyimsiz veri oranları ile ikinci olarak, bu sıçramalar için mümkün kılınır.Bu sıçrama, onları destekleyen dijital elektronikler için mümkün hale getirir.
Pratik anlamda, 5G modem, kanal genişliğine 400 MHz'ye kadar uzanan temel bant sinyalleri işlemeli (veya hatta 800 MHz'i bazı dağıtımlarda taşıyıcı agresyonla birlikte) işlemsel temel bant işlemcisi, güç yükselteçleri, düşük gecikmeli yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlük oranlarına sahip olmalıdır. Bu, yarı iletken tasarım meydan okumalarına karşı yarı iletken bir şekilde itti.
modemin ötesinde, dijital elektronikin daha geniş ekosistemi yeniden şekillendirilir. Sensörler, eylemciler, ağ geçidi ve kontrolörler, 5G'nin ultra-reliable düşük-latency iletişim (URLLC) ve büyük makine tipi iletişim (mMTC) yeteneklerinden daha duyarlı, daha enerji verimli ve daha yoğun ortamlarda faaliyet gösteren yeni bir nesildir.
5G Teknolojisi Nedir?
5G, 3rd Generation Ortaklık Projesi (GPP) tarafından belirlenen hücresel ağlar için beşinci nesil standarttır. 15 ve sonraki sürümlerde yapılır. Mobil Broadband (eMBB), URLLC ve mMTC. her kategori farklı performans ölçüm ve uygulama alanları ile ilgilidir.
[FONT:0]eMBB), 4K/8K video, artırılmış gerçeklik (AR) ve sanal gerçeklik (VR) alt kategori ve 10 Gbps uplink'in son derecesinde, yaklaşık 120 kHz'den gelen yüksek veri oranlarına sahip olmak için yüksek bir bar sunmak için odaklanır.
[FONT:0]URLLC[[DÜT:1) son derece düşük gecikmeli (hava üzerinde veya yüksek güvenilirlik (yüzde 99.999) ve yüksek güvenilirlik (yüzde 99.999) Bu, endüstriyel otomasyon, otonom araç koordinasyonu, uzaktan cerrahi ve akıllı ağ kontrolü için kritik öneme sahiptir. Bu performans, cihaz seviyesinde sadece hızlı işlem gerektirir.
[FONTC:0)MTC[DÜDÜT:1) kare başına bir milyon cihazla bağlantıyı destekler, bu kategorideki büyük IoT dağıtımlarını sağlar. Bu kategorideki cihazlar son derece düşük enerji bütçeleri üzerinde çalışmalıdır - 10 yıl veya daha fazla batarya ömürleri Bu inovasyonu görev döngüsünde alır ve akıllı donanım ve yazılım destekli bir şekilde çalışır.
5G Yeni Radyo (NR) hava arayüzü, dijital elektronik tasarımı etkileyen birkaç temel teknoloji tanıtmaktadır.
- [FONT:0]Massive MIMO: [DSPT:1] Anten dizileri onlarca veya yüzlerce elementle gerçek zamanlı kirişli ağırlık hesaplaması ve faz değişimi gerektirir.Bu, yüksek hızlı dijital sinyal işleme (DSP) ve matrix işlemleri için özel donanım hızlandırıcıları talep eder.
- [FONT=0)Beamform ve Beam Management:[Döneysel kirişlerin dinamik direksiyonu kanal devlet bilgilerini (CSI) ve hızlı adaptasyon algoritmalarının sürekli izlemesini gerektirir.
- [FONT:0)Carrier Aggregation:[Dönder:[Dönder:[Dönder: 0) Farklı frekans grupları arasında birden fazla bileşenli taşıyıcıyı bir araya getirmek veri oranlarına ulaşır, ancak temel bant işleme ve RF ön uç tasarımda karmaşıklaşır.
- [[0)Network Slicing:[Döneticileri belirli hizmet türlerine göre ağdaki mantıksal bölümler esnek protokol yığınları ve donanım yapılandırması gerektirir.
5G'nin bu temel özelliklerini anlamak, dijital elektronik tasarıma dahil olan herhangi bir mühendis için önemlidir, çünkü fiziksel katman kısıtlamaları doğrudan işleme gücünü, hafıza bant genişliğini ve inşa ettikleri cihazların arayüz gerekliliklerini dikmektedir.
Dijital Elektronik Tasarım Üzerine Etkisi
5G'nin dijital elektronike entegrasyonu, mevcut bir yönetim kuruluna bir modem çip eklemek için basit bir konudur. Donanımın konsolosluk, güç, boyut ve maliyetle dengelenmesi için bütünsel bir yeniden-arşist olmasını gerektirir. 5G'nin tasarım inovasyonu kullandığı temel alanları detaylandırır.
Yüksek Hız Data Processing ve Baseband Architecture
Baz bant işlemcisi herhangi bir 5G cihazının kalbidir. Bu işlem genellikle genel amaçlı CPU veya DSP çekirdeği ile ilgili birçok özel donanım hızlandırıcısı gerektirir. Örneğin, 5G bazband yumuşak-decision LDPC, transputsasyon ve MIMO algılamasını gerçekleştirmek zorundadır. Bu işlemler genellikle yüzlerce paralel işleme elementiyle özel bir dekoder motoru gerektirir.
Tasarımcılar yazılım tanımlı mimariler arasında bir seçimle karşı karşıya kalır (programlanabilir DSP veya AI hızlandırıcıları kullanarak) ve zorlanan ASIC blokları ile, hesaplamalı yaklaşımlar, geliştirme standartları için esneklik sunar, ancak işletim için daha verimlidir. Sert Wid blokları daha verimlidir, ancak daha uzun bir geliştirme döngüsü gerektirir ve gelecekteki protokol değişiklikleri için daha az adapte edilebilirdir.
Bir başka kritik yön, bazband ve uygulama işlemcisi arasındaki veri arayüzüdür. PCIe Gen 3, USB 3.1/3.2 ve birkaç gigabits'in ikinci başına getirilmesiyle yüksek hızlı seri arayüzleri (örneğin, JESD204B) yaygın olarak kullanılan MIMO tabakaları ve taşıyıcı bileşenleri ile ölçekler.
Enerji-Efficient components ve Power Management
Power tüketimi belki 5G aygıtı tasarımında en büyük meydan okumadır. Artan işleme yükü, daha geniş bantlar ve her şeyin 4G cihazlarla kıyasla daha yüksek enerji çizimlerine katkıda bulunması gerekir.In batarya-işletilmiş ürünler için -akıllı telefonlar, giyilebilir ürünler, IoT sensörleri - bu, güç yönetmek için bir dizi teknik olmalıdır:
- [Dynamic Voltage ve Frekans Scaling (DVFS): [DFLT:1), Baseband işlemciler ve RF transceivers, anlık veri taleplerine dayanan gerilim ve saat frekansı ayarlamaktadır. Deep uyku devletler ve hızlı uyanma dizileri çoğu zaman boş zamanlarını harcayan cihazlar için gereklidir.
- [FONT:0)En Geliştirme:[Dönetici:[Dönetici: 2) Güç yükseltici verimliliği, RF zarfı takip etmek için tedarik gerilimini dinamik olarak ayarlayarak geliştirilmektedir.Bu teknik, PA güç tüketimini 10-30% azaltabilir.
- [FOFET ve kapı-tüm-dav, 5 nm ve 3 nm, daha düşük ısı geçişi sağlar, daha düşük maliyetli entegrasyon ve daha düşük aktif güç sağlar.
- [FONT:0) Enerjinin Enerji ve Enerji Yönetimi IC'leri (PMIC): [Dönetici sensörleri için, küçük enerji toplayıcılarını (solar, termal, RF) ultra güçlendiricileri ile birleştirerek batarya ömrünü uzatabilir veya aküsüz bir operasyon sağlayabilir.
Yüksek güç 5G işleminin termal etkileri de önemlidir. Temel bant çipleri veya güç yükselticileri üzerinde yerelleştirilmiş noktalar 100°C'yi sürekli yük altında aşabilir, dikkatli ısı kaynakları, ısı yayarlar ve bazen aktif soğutmalar.
Miniaturizasyon ve Modül Entegrasyonu
5G cihazlarının öncekilerinden daha küçük ve daha kompakt olması bekleniyor, daha fazla anten ve daha fazla işleme gücü barındırdıkları gibi. Bu sürücüler birden çok seviyede miniaturizasyon sağlar:
- [FONT=0)Sistem-in-Package (SiP) ve Multi-Chip Modüller (MCM):[Dönetici, RF Transceiver, güç yönetimi ve bazen tek bir pakette hafıza, yönetim kurulu alanı ve kısa bağlantılar içerir. Örneğin, Qualcomm'un Suzuki X60 modem paketi temel bant, RF ön uç ve AI motoru kompakt bir ayak izi ile birleştirir.
- [FONT:0)Antenna Entegrasyonu:[Dönetici:[Dönetici:0)[Döneticileri) mmWave antenleri doğrudan paket veya modüle entegre edilmesi için yeterince küçük. yarı antenler veya fazlanmış diziler, telefon veya cihazın gerisinde yerleştirilebilir, kiriş kontrolü ASICs turn-çiçekli kontrolleri ile yakınlaştırılabilir.
- [FONT:0]Passive Hardware Resonator (Döneticileri, kapasitörler ve balunlar, BAW (Bulk Acoustic Wave) ve FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) gibi dışsal bileşenlere olan ihtiyacı azaltır.
Miniaturizasyona doğru itkik ayrıca konektörlerin tasarımını, kalkanlama kanlarını ve termal arayüzleri de etkiler. Tasarımcılar elektrik performansı (kesme, ekleme kaybı) mekanik kısıtlamalarla dengelenmelidir.
Geliştirilmiş Güvenlik Özellikleri
5G dijital elektronik tasarımı etkileyen yeni güvenlik gerekliliklerini tanıtmaktadır. 5G mimarisi daha güçlü şifreleme (AES-256 for user düzlem), cihazı ve ağ arasındaki karşılıklı kimlik doğrulama ve abone tanımlayıcılar için gizlilik koruması (SUCI) Bu kriptografik işlemler, AES, SHA-2 için donanım hızlandırmalarını gerektirir ve eliptik kriptografi artık 5G modem bazbandları arasında standarttır.
Ek olarak, büyük IoT bağlantılarından dolayı artan saldırı yüzeyi, güvenli bir boot, güvenin donanım kökü ve tamper algılama gibi cihaz düzeyinde güvenlik önlemleri talep etmektedir. Birçok 5G çipleri şimdi güvenli bir element veya Trusted Execution Environment (TEE) ana uygulama işlemcisinden hassas işlemleri izole etmek için.
Uygulama Challenges
5G potansiyeli çok büyük olsa da, pratik uygulama yolu teknik engellerle doludur. Mühendisler bu zorlukların güvenilir, maliyet-malzeme ürünleri sunmalarını ele almalıdır.
Yüksek Frequencies'da anten tasarımı
mmWave frekanslarının kullanımı (24-52 GHz) doğrudan anten tasarımını etkileyen yayılım zorlukları tanıtmaktadır. Ücretsiz uzay yolu kaybı frekansı ile artar ve sinyaller engeller engellerle kolayca engellenir - bir el veya duvar bile önemli bir değerlemeye neden olabilir.
Dijital elektronik tasarımcılar için, bu anten dizilerini mobil veya IoT cihazına entegre etmek karmaşıktır.Instegradss to support space variety), ve RF besleme hatları, düşük dielektrik kaybı ile alt kaplamalı bir antene yol açmalı (örneğin, Rogers 4350B veya sıvı kristal polimere yerleştirilmelidir) genellikle gerekli olan antenler.
CST Mikrodalga Stüdyosu veya Ansys HFSS gibi simülasyon araçları, cihaz muhafazası içindeki anten serisinin elektromanyetik davranışını modellemek için gereklidir. Tasarımcılar, kablo, ekran ve diğer yakın bileşenler için uygun olmayan eşleştirme ve radyasyon kalıbının etkileri için hesaba katmalıdır.
Mevcut Altyapı ile uyumluluk
5G ağları bir fazda dağıtılıyor, genellikle 4G LTE ile birlikte ve hatta 3G Mobile cihazları, tüm gerekli grupları kapsayacak şekilde çok fazla bantlı ön modüller gerektiriyor.Bu, çok fazla bantlı ön uç modüller gerektirir, anahtarlar ve diplexers / kenarlı grafikler. RF ön uçların karmaşıklığı önemli ölçüde büyüdü; bir premium akıllı telefon, 15-20 filtre ve 10+ anahtar içerir.
Dijital elektronik perspektiften, temel bant işlemcisi 5G NR ve LTE arasında sorunsuz bir şekilde el ele almalıdır, çağrı veya veri kesintisi aramaktan kaçınmak için sıkı zaman koşulları gerekir. Dual-connectivity (EN-DC) işlemi, cihazın aynı anda 4G ve 5G ile bağlantı kurduğu yerde, iki radyo erişim teknolojileri arasında ortak bir dağıtım stratejisi gerektirir.
Sabit kablosuz erişim (FWA) cihazlar için, mevcut genişban altyapısıyla uyumluluk (muhtemelen, fiber) de bir göz önünde bulundurulur. Birçok 5G CPE (Müşteri Premises Ekipmanı) cihazlar Ethernet, Wi-Fi 6/6E ve bazen co aksiyel arayüzler içerir, çok yüksek çözünürlük kontrolörü gerektirir.
Güç Tüketim Yönetimi
Daha önce dokundukça, güç yönetimi kritik bir ağrı noktası olmaya devam ediyor. Aktif kullanımda 5G modemin üst gücü tüketimi, akıllı telefonlarda veya IoT sensörlerinde uzun batarya ömrü için güvenilmez olan 5 W'i aşabilir. Tasarımcılar, tam performansa ihtiyaç duyulmadığında agresif bir şekilde ölçeklendirmek zorundadır.
Bir yaklaşım, ana radyonun 16'da WUR'u (WUR) ) ilan ederken, kanalı uyanacak ikincil ultra-düşük-güç alıcısı.The 3GPP, WUR'u 16'da ve daha sonra ilan etti.
Başka bir teknik şu ki:0)Dynamic Spectrum Paylaşımı (DSS)) ve 4G ve 5G'nin aynı frekans grubu dinamik olarak paylaşmasına izin veriyor.Bu avantajlar ağ operatörleri olsa da, cihaz hem de LTE kontrol kanallarını aynı anda izlemesi gerekir.
Güvenlik ve Gizlilik
5G'nin büyük bağlantı, yeni güvenlik vektörlerini tanıtmaktadır. milyarlarca cihaz bağlantılı olarak, saldırı yüzeyi dramatik bir şekilde genişliyor. Sınırlı işlem gücü olan IoT cihazları genellikle sağlam güvenlik özelliklerinden yoksundur, ağ saldırganları için potansiyel giriş puanlarını yapar. Tasarımcılar güvenlik seviyesiyle uygulamalıdır - güvenli bir şekilde giriş, şifreli depolama ve kimlik doğrulamalı donanım güncelleştirmeler dahil - maliyet veya güç bütçeleri aşmadan.
5G standardı, SUCI (Subscription Concealed Identifier) kullanıcı kimliğini korumak ve birincil Kimlik Doğrulama ve Anahtar Anlaşma (AKA) protokolü, karşılıklı kimlik doğrulamayı sağlar. ancak uygulama, yan kanal saldırıları veya protokol düzeyindeki açık güvenlik sensörleri için tercih edilmelidir.
Future Prospects
Diğer dönüştürücü teknolojilerle 5G'nin yakınlaştırılması - yapay zeka, kenar bilişim ve gelişmiş sensör sistemleri gibi - elektronik ürünlerin tamamen yeni sınıflarını kilidini açmak için aboneler. Aşağıdaki alanlar önemli büyüme ve inovasyon görmek bekleniyor.
Akıllı Şehirler ve Altyapı
5G'nin büyük bağlantı ve düşük gecikme desteği, akıllı şehir uygulamaları için ideal omurgayı optimize eder. Akıllı trafik yönetimi sistemleri bağlantılı trafik ışıkları ve sensörleri kullanarak kongestasyon ve emisyonları azaltabilir. Street aydınlatma, ya da varlığına bağlı olarak dinamik olarak kontrol edilebilir.
Akıllı şehir elektroniklerinin tasarımcıları genellikle kısıtlanmış form faktörleri ile çalışmalıdır - kutup üst korumalar, üst düzey sensörler - ve geniş sıcaklık aralıkları ile başa çıkmak. Sağlamlanmış konektörler, konfor kaplamalar ve kırmızı yedek güç malzemeleri yaygındır. Birçok cihaz ayrıca Ethernet (PoE) veya endüktif güç transferine ek olarak Güç transferine destek olmalıdır.
Özerk Araçlar ve V2X İletişim
V2V (vehicle-to-vehicle) dahil olmak üzere araç-to-her şey (V2X) iletişim, V2I (vehicle-to-infrayapısı), ve V2P (vehicle-to-pedestrian), 5G NR-V2X (üçGPP Bültenine dayanan) ve daha sonra), güvenlik-kritik uygulamalar için gerekli olan ultra-dönetici ve yüksek güvenilirlik sağlar.
V2X için dijital elektronik, kısa menzilli iletişim (DSRC) veya C-V2X modemleri dahil etmeli ve yüksek çözünürlük için GNSS alıcıları ile, genellikle AEC-Q100 güvenilirlik standartları ile tanışmalı ve sık sık sık sık kırmızı yedek işlemci veya iletişim kanalları gerekir (ISO 26262). V2X için anten entegrasyonu, araç etrafında 360 derece kapsama ihtiyacı nedeniyle zordur, genellikle çatıya entegre edilmiş birden çok anten modüller gerektirir.
Gelişmiş Sağlık Cihazları
5G ve kenar hesaplamasının kombinasyonu gerçek zamanlı telemedicine, uzaktan hasta izleme ve hatta robot telecerrahi sağlar.Spektif ECG monitörleri, akıllı insülin kalemleri ve bağlantılı görüntüleme ekipmanları her yerde sağlık sağlayıcılarına yüksek çözünürlüklü verileri iletebilir.
Tıbbi sınıf cihazlar için dijital elektronik katı düzenlemelere uymalıdır (ISO 13485, IEC 60601, FDA) ve genellikle izolasyon, red dışı işleme ve diğer ekipmanlardan önemli RF müdahaleye ihtiyaç duyduklarını göz önünde bulundurmalıdır. 5G'nin bu uygulamalardaki kullanımı, hasta mahremiyetini korumak için sağlam veri şifreleme ve doğrulama gerektirir (Avrupa'da GDPR).
Endüstriyel IoT ve Endüstri 4.0
5G'nin URLLC yetenekleri, robotların kapalı-loop kontrolünü sağlar, AGVs (Automated Guided Tools), ve CNC makineleri kablosuz bağlantı üzerinden, kablo bağlantılarını ortadan kaldırır. Bu, fabrika zeminlerine ve 5G modemlere karşı sertleştirilmelidir.
Özel 5G ağları ( 5G NR-U veya lisanslı spektrumu) giderek endüstriyel tesislerde dağıtılır, üreticilerin belirli gecikme ve güvenilirlik ihtiyaçlarına göre ağlarını terteyemesini sağlar. Bu eğilim 5G özellikli PLC'ler, RTU'lar ve mevcut SCADA sistemleri ile entegre edebilecek kenar ağ geçitleri talep eder.
Edge Computing ve AI, Edge Computing
5G'nin düşük gecikmesi, işlem kullanıcı veya cihaza yakın olduğunda en iyi şekilde sömürülüyor. Bu, yüksek bant genişliği 5G bağlantılarını yerel AI inference yetenekleri ile birleştiren kenar sunucuları için hızlı bağlantı (PCIe Gen 4/5) ve sık sık sık HTTPS Movidius veya Google Edge BTC’ler gibi AI hızlandırıcıları kullanıyor.
Termal yönetim, açık muhafazalara veya kısıtlanmış alanlara yerleştirilen kenar cihazları için büyük bir endişedir. Pasif soğutma, ısı boruları ve hatta sıvı soğutma yüksek performanslı kenar sunucuları için gerekli olabilir. Power Supply design must account for PoE, 12V/24V, or mains entry with batarya yedekleme. Security at the edge is also critical, as these nodes often process sensitive data before send summaries to the cloud.
Dijital Elektronik Mühendisler için Anahtar Çeki
- [FONT:0)5G temel olarak tasarım zarfını değiştirir[Dönetici elektronik için yüksek işlem talep eder, daha düşük güç tüketimi ve analog / sayısal / RF işlevlerinin sıkılaştırılması.
- [FONT:0)Baseband işleme en büyük hesaplama meydan okumasıdır[Dönetici:0); programlanabilir çekirdeklerle özel hızlandırıcılar birleştiren hibrit mimariler performans ve esnekliği dengeleme için en pratik yaklaşımdır.
- [FONT=0)Power ve termal yönetim[DDDDDDDDDDDDDDDG cihazı tasarımları, gelişmiş DVFS, zarf ve yenilikçi paketleme çözümleri gerektiren birincil kısıtlamalardır.
- [FONT:0] mmWave frekanslarında [Dönetici:0]Antenna tasarımı , RF mühendisler, dijital tasarımcılar ve mekanik mühendisler arasındaki yakın işbirliği gerektiren bir disiplin meydan okumasıdır.
- [FONT:0) Güvenlik, başlangıçtan itibaren donanım seviyesinde inşa edilmelidir; yalnızca 5G bağlantılı cihazların büyük saldırı yüzeyi için güvenlik önlemlerine güvenmek.
- [0]Gelecek çok yönlüdür[Dönetici:0] [Dönetici] –5G, 4G, Wi-Fi, Bluetooth ve diğer kablosuz standartları, önümüzdeki yıllarda karmaşık elovers ve eş zamanlı bağlantı kurmak için gerekli cihazlara ihtiyaç duyacaktır.
Bu gerçekleri kucaklayan ve 5G'nin fiziksel katmanı, protokol yığınının ayrıntılı bir şekilde anlaşılmasına yatırım yapan tasarımcılar ve dağıtım nüansları, bir sonraki yenilikçi, güvenilir ve güvenli dijital elektronik ürünler oluşturmak için en iyi konumda olacaktır.