Metody projektowania dla sieci 5G
| TechnikaSzybki i dostępny w każdym miejscu Internet stał się w naszej rzeczywistości wymaganiem tak oczywistym, że nie zawsze jest czas na zastanowienie się, jak realizowany jest dostęp i co to oznacza dla projektantów obwodów drukowanych i konstruktorów urządzeń. Tymczasem na rynek wchodzi już piąta generacja mobilnego standardu radiowego, która zapewni niezbędną wydajność pod względem szybkości przesyłania danych, czasu reakcji, zasięgu i stabilności połączenia. Teoretycznie możliwy jest nawet 1000-krotny wzrost przepustowości, dzięki czemu jest ona szczególnie interesująca dla przemysłu w celu bezprzewodowego łączenia maszyn i czujników oraz komunikacji w czasie rzeczywistym. Nowy standard Wi-fi 6 działa na podobnych zasadach w pomieszczeniach, dając jeszcze więcej możliwości.
Wraz z powszechnym wprowadzeniem 5G i Wi-fi 6 wiele firm ma nadzieję na ekspansję na nowych rynkach. Więcej urządzeń, więcej czujników, to tym samym więcej informacji, które będą przetwarzane i przesyłane. Nowe zastosowania nie będą ograniczały się do prostych aplikacji operujących niewielką ilością danych, takich jak termostaty sterowania ogrzewaniem w domu. W tych zaawansowanych pojawi się wideo o wysokiej rozdzielczości (4–8 K), z płynnym obrazem przesyłanym w czasie rzeczywistym. W takich zastosowaniach ilość przesyłanych danych jest ogromna, a wady w łączach transmisyjnych są natychmiast zauważalne.
Jeżeli bezprzewodowe czujniki mają być używane do sterowania ruchem lub maszynami, używane do transmisji kanały radiowe muszą działać stabilnie i zagwarantować pewność komunikacji.
Aktualnie dostęp do Internetu jest zwykle oparty na łączu światłowodowym (FTTH – Fiber to the Home) oraz na routerach udostępniających komunikację przewodowo przez kabel ethernetowy oraz sieć WLAN w pasmach częstotliwości 2,4 i 5 GHz. Gdy łącze bezprzewodowe będzie jeszcze wydajniejsze, te połączenia kablowe w pomieszczeniach zostaną zastąpione torem radiowym.
W niedalekiej przyszłości będą mocno rozwijane dwa nowe standardy: połączenia zewnętrzne będą realizowane przez sieć 5G, a komunikacja wewnętrzna będzie oparta na Wi-Fi. W okresie przejściowym urządzenia dostępowe będą musiały być wstecznie kompatybilne, czyli obsługiwać starsze i wolniejsze standardy. Będą one miały minimum kilka anten i będą wykorzystywały wiele pasm częstotliwości, co sprawi, że wymagań, jakie zostaną przed nimi postawione w zakresie kompatybilności i złożoności, będzie więcej.
Zaletami 5G i Wi-fi6 jest większa przepustowość, większa liczba urządzeń obsługiwanych w jednej komórce, mniejsze opóźnienia transmisji i większa mobilność terminali. Dzięki większej przepustowości dane wideo w rozdzielczości nawet 8 K będą mogły być przesyłane strumieniowo bez zacięć. Spowoduje to zmianę nawyków konsumentów i odejście od sztywnej ramówki stacji telewizyjnych w kierunku transmisji na żądanie. Dodatkowym czynnikiem wymuszającym zmiany przyzwyczajeń jest panująca obecnie pandemia. Zwiększa ona dostępne zasoby online i szybko kieruje uwagę na transmisje w czasie rzeczywistym przygotowywane przez wielu użytkowników globalnej sieci. Obecnie dostęp do aktualnych wydarzeń dla dużej liczby potencjalnych obserwatorów mamy już w zasięgu ręki. Zjawisko to już dzisiaj jest dobrze widoczne w mediach społecznościowych. Bardzo małe opóźnienie transmisji zapewniane przez sieć 5G umożliwia także bezpieczne sterowanie maszynami i robotami w czasie rzeczywistym za pośrednictwem komunikacji radiowej. Doprowadzi to w oczywisty sposób do zwiększenia liczby urządzeń IoT i większej automatyzacji w gospodarstwach domowych.
Podejście do architektury urządzeń IT także musi się zmienić. Jeśli więcej sprzętu jest zaangażowane w wymianę danych drogą radiową, rośnie znaczenie tego, aby przesyłane dane zostały prawidłowo zinterpretowane w celu obliczenia i wygenerowania odpowiednich działań kontrolnych. Dobrym przykładem może być kontrola priorytetów w ruchu ulicznym. Jeśli straży pożarnej w sytuacji zagrożenia ma przysługiwać pierwszeństwo przejazdu przez miejską infrastrukturę drogową, to status świateł, a także sytuacja u innych użytkowników dróg musi być na bieżąco rejestrowana, oceniana i kontrolowana z centralnego węzła sieci. Ten przykład pokazuje, że łączność radiowa musi odbywać się w czasie rzeczywistym, a duża ilość danych gromadzona w centralnym węźle sieci musi być przetwarzana na bieżąco. O ile uczestnicy ruchu drogowego od lat wyćwiczyli odpowiednie nawyki oraz umiejętność reagowania na nagłe zmiany sytuacji, jak na przykład przejazd straży pożarnej, to wkrótce pojawi się problem ze współdzieleniem tej samej infrastruktury drogowej z samochodami autonomicznymi. Takie pojazdy muszą mieć odpowiednie zasoby komputerowe oraz zapewniony natychmiastowy dostęp do informacji, aby w przypadku nagłej sytuacji były zdolne zatrzymać się. Oznacza to, że połączenie radiowe 5G musi również niezawodnie działać w przypadku urządzeń będących w ruchu.
Co te zmiany oznaczają dla projektantów hardware?
W wielu nowych projektach będą wykorzystywane czulsze czujniki, z których większość będzie dostępna w postaci modułów z interfejsem cyfrowym. Nasila się też integracji czujników razem z układem scalonym zapewniającym kondycjonowanie sygnału. Inteligentne moduły czujników nie tylko mierzą dane, ale już filtrują oraz wstępnie obrabiają zgodnie ze specyfikacjami, a następnie udostępniają wyniki w postaci danych cyfrowych. Inne koncepcje to przesyłanie danych do chmury, gdzie są one przechowywane lub przetwarzane za pomocą algorytmów sztucznej inteligencji. Proste czujniki klasy IoT (np. termometry) będą tylko sporadycznie zgłaszać zmierzone wartości do sieci i mogą nawet być zasilane przez wiele lat z baterii o długiej żywotności. Jeśli jednak czujnik stanowi część lokalnego systemu z własnym kontrolerem, to oprócz toru radiowego do przetwarzania danych będzie niezbędne zaimplementowanie tam MCU lub DSP, co oczywiście wymaga innego rodzaju zasilania i większej mocy.
Warto zauważyć, że różnorodność rozwiązań technicznych i złożoność elektroniki stale rośnie. Integracja transceivera radiowego działającego w gigahercowym paśmie częstotliwości, czułych czujników z wyjściem analogowym i procesora z pamięcią na jednej płytce drukowanej jest trudnym zadaniem z punktu widzenia zapewnienia jakości sygnału i zachowania kompatybilności elektromagnetycznej. Jednocześnie wymagania dotyczące miniaturyzacji, długotrwałej pracy z baterii, a więc małego zużycia energii wiążą się z koniecznością zapewnienia integralności systemu zasilania oraz dodatkowymi ograniczeniami wynikającymi z kontroli wzrostu temperatury. Tych problemów nie można ignorować.
Należy też oczekiwać, że zmiany technologii komunikacji przemodelują dotychczasowe relacje biznesowe. Takie zjawiska były już widoczne w przeszłości. 3G i 4G nie tylko oznaczały szybszą transmisję danych, ale umożliwiły także szybki wzrost liczby dostawców, których działalność opiera się na telekomunikacji, jak Netflix, Google, Apple i Amazon. Wielu innych przedsiębiorców, którzy nie skorzystali z możliwości oferowanych przez nową technologię, straciło na znaczeniu lub całkowicie zniknęło z rynku. Podobnie jest dzisiaj, dlatego można oczekiwać, że rynek 5G i Wi-fi 6 ponownie bardzo zmieni nasze codzienne życie.
Dlaczego 5G jest tak szybkie?
Ogromny wzrost prędkości transmisji wynika z trzech czynników. Większa jest gęstość komórek radiowych na danym obszarze, dzięki czemu większa liczba punktów dostępowych pozwala zapewnić większą przepustowość danych, podnosząc ją nawet 10-krotnie. Po drugie, nowe systemy wieloantenowe MIMO (Multiple Input Multiple Output) pozwalają na kształtowanie wiązki fal radiowych, kierując ją bezpośrednio w stronę poruszających się obiektów. Pozwala to osiągnąć efektywność widmową bliską wartości 20. Przepustowość można zwiększyć jeszcze dodatkowo nawet 5-krotnie dzięki dodatkowym wyższym częstotliwościom nośnym (> 24 GHz), na których dane mogą być przesyłane. Uwzględnienie tych trzech współczynników jednocześnie pozwala na wyliczenie teoretycznej przepustowości 1000-krotnie przewyższającej przepustowość dzisiejszej infrastruktury.
Massive MIMO i kształtowanie wiązki
Dzięki zastosowaniu anten Massive MIMO możliwe jest tworzenie nowych interfejsów radiowych (Air-Interfaces) o niskim opóźnieniu transmisyjnym obsługujących tzw. masowe połączenia (wiele naraz). Sieci oparte na technologii Massive MIMO wykorzystują kształtowanie wiązki, umożliwiają jej ukierunkowanie, dzięki czemu lepiej wykorzystują dostępne pasmo. Jest istotną różnicą w stosunku do obecnej infrastruktury, która w rozrzutny sposób dzieli po równo dostępną pulę widma między wszystkich uczestników będących w zasięgu anteny. Dzięki rozwiązaniu Massive MIMO i możliwości formowania wiązki proces przydzielania pasma jest obsługiwany inteligentnie i wydajnie, więc prędkości danych i opóźnienia są bardziej jednolite w całej sieci. Dodatkową zaletą jest możliwość podążania za obiektami, które się poruszają, co stwarza zupełnie nową perspektywę w rozwijającej się technologii pojazdów autonomicznych.
Projektowanie anteny
System wieloantenowy tworzący Massive MIMO musi być wykonany bardzo precyzyjnie. Emitery należy równomiernie rozmieścić w przestrzeni, a wymiary poszczególnych anten powinny być takie same. W systemie MIMO każdy indywidualny element systemu antenowego (promiennik) wymaga zapewnienia własnego modułu nadawania i odbioru (transceivera), co zwiększa zużycie energii i koszt systemu. Jest to istoty problem, z którym musi poradzić sobie projektant. Do projektowania anten warto rozważyć użycie oprogramowania AWR Microwave Office, które pozwala na wygenerowanie układu anten bazującego na oczekiwanej specyfikacji, a następnie na przeprowadzenie optymalizacji projektu pod kątem wymaganych parametrów. Oprogramowanie AWR jest jednocześnie dobrze zintegrowane z narzędziami do projektowania PCB, pozwalając na uzyskanie precyzyjnego modelu całego systemu. Całość można zasymulować za pomocą tzw. solwera polowego 3D, takiego jak Clarity lub HFSS.
Należy podkreślić, że projektowanie anten jest procesem iteracyjnym i aby zaprojektować wydajny system anten na płytce drukowanej, konieczne są liczne kompromisy. Duży rozmiar anten sprzyja wydajności, ale zaprzecza miniaturyzacji. Stąd kompromisem jest lokalne użycie na płytce drukowanej prepegu o innej wartości stałej dielektrycznej εr jako wkładki dla obwodów w.cz. Takie wkładki materiałowe nie stanowią już problemu w produkcji obwodów drukowanych i jedynie minimalnie zwiększają ich koszty. Program Allegro PCB Designer obsługuje obszary o różnych wartościach εr na jednej warstwie obwodu drukowanego.
Więcej zakłóceń
Jeśli więcej urządzeń komunikuje się za pośrednictwem interfejsów bezprzewodowych, rośnie możliwość na pojawienie się zakłóceń. Zwiększenie gęstości mocy i rozszerzenie pasma częstotliwości sprawia, że odporność na zaburzenia elektromagnetyczne staje się coraz ważniejsza i dotyczy też sprzętu, w którym nie ma toru radiowego ani obwodów w.cz. Ścieżki na PCB mogą być antenami tak samo jak wszystkie inne struktury przewodzące, w których jest się w stanie zaindukować prąd w.cz. od bliskiego nadajnika. Ten prąd może zakłócić działanie wszystkich obwodów elektrycznych, prowadząc do problemów w zapewnieniem EMC. Dlatego wraz ze wzrostem liczby interfejsów bezprzewodowych rosną wymagania dotyczące symulacji i testowania rezystancji EMC całej elektroniki.
FlowCAD Poland
www.FlowCAD.pl
