5Gシステムに関する電気機械式相互接続に関して知っておくべきこと
5Gをデバイスへ提供する場合の相互接続の課題
5Gはどこでもあるように感じるかもしれませんが、最新のセルラーネットワークが4G／LTEレベルの可用性に到達するには数年かかるというのが一致した見解です。 これは新しいネットワークが10年ごとに現れる過去の傾向と一致しており、6Gシステムは2030年頃に現れ始めることが期待できます。また、矛盾しすぎていなければ、現在5Gを目指している人を「トレーリングエッジのアーリーアダプター」にするかもしれません。
これは良いことです。 アーリーアダプターは、既に存在しますが、主流となるまでには至っていません。 今は、第1世代の5Gソリューションを開発する良い時です。メーカーは、6Gに引き継がれる前に、10年間にわたり数世代の技術を開発することが期待できます。
第1世代の製品は、優れた設計を確立する理想的な場所です。それを、新しい技術に伴う課題を克服しながらできるのです。 5Gの場合、主な課題は最大の特徴でもある性能でした。5Gでは、すべてが高速です。設計者およびシステム技術者は、自分たちにとって高速性が必ずしも愉快ではないことを即座に理解するでしょう。
信号の品位は、導体を通る場合でも大気中を通る場合でも、高周波数信号にとって大きな課題です。高密度トラフィック、より効率的な周波数の利用、より多くの帯域幅、より少ない遅延など、見出しを飾る5Gのすべては、ネットワークの各地点で実現する必要があります。 この中には、基板レベル、基板間、および基板上のコンポーネント間も含まれます。 これは、4値パルス振幅変調（PAM-4）スキームが本当に重要となる場所です。 置き換えようとするNRZ（非ゼロ復帰）変調スキームよりも、はるかに高速の56 Gbpsおよび112 Gbpsを提供します。 NRZは当面の間使用されると考えられますが、PAM-4は5Gへの対応が進められています。
ITU-R M.2083に定められている5Gネットワークの主な機能（出典：ETSI）
欧州電気通信標準化機構（ETSI）は下記に示されているように、5Gシステムで満たすべき速度、遅延、および効率性の8つの側面を定義しています。 ETSIは、国際電気通信連合の無線通信部門（ITU-R）により特定された3つの用途、つまりeMBB（超高速モバイル通信）、eMTc（拡張機械型通信）、およびURLLC（超高信頼低遅延）を重視しつつあります。 このような用途の需要に対応するために、業界はミリ波伝送、より小型でより多くのセル、ビームフォーミング、MIMOアンテナ技術など、新しいテクニックおよび方法を使用しています。 MIMOの性質によって送信機のアンテナ密度は増加し、アンテナアレイの密度を最大256素子まで押し上げます。
デバイスメーカーの視点から見ると、これはより小型で電力効率が良く、しかもより多くの信号パスを扱えるデバイスを意味します。このような物理的な接続は、PAM-4転送速度をサポートできる信号の品位を必要とします。すべての垂直市場は、主に低遅延を理由に5Gを求めると期待されています。この市場は、このレベルのスループットを部品レベルでサポートできるシステムに依存することになるでしょう。
新しいネットワーク
4G／LTEから5Gへの移行が非常に重要な理由の1つは、ネットワークトポロジーを再定義するからです。過去の世代は、技術および手法を継続してレガシーシステムの上に構築されてきました。5Gの場合、これらレガシーシステムは廃止されます。 これは、5Gで採用される新しい無線規格によって特徴付けることができます。 実際、ネットワークのあらゆる側面が再定義されています。もちろん、ミリ波信号を搬送できる無線周波数コネクタケーブルなど、ある程度、既存の技術に依存しながら、これを達成しなければなりません。
5Gのオープン性の拡大により、ネットワーク構造に基本的な変化をもたらしています。 4Gの無線アクセスネットワーク（RAN）には、BBU（ベースバンド装置）とRRH（遠隔無線ヘッド）が含まれていました。5Gでは、これがCU（集約基地局）、DU（遠隔局）、RU（無線子局）、およびMIMOアンテナで構成されるフロントホールネットワークとなりました。
ここは、新しい遠隔無線局、アクティブアンテナ装置、およびベースバンド装置が導入される場所です。フロントホールは中核ネットワークへ接続され、先に述べた用途で使用される実際のデバイスは、MIMOアンテナを使用してフロントホールネットワークを介して接続されます。
光ファイバー接続は、ネットワーク全体で多くの場所で使用されますが、銅線接続も新しい5Gトポロジーで重要な役割を果たします。
Molexのグローバル製品マネージャーであるマイク・ハンセンは、銅線接続ソリューションの主な重要な需要は基板間、および面白いことに基板をまたがるルーティングに関して存在する、と説明しています。 Twinaxケーブルアセンブリを使用することにより、高速信号を伝送できると同時にPCBトレースに伴う損失を回避できます。
ハンセンは、アクティブアンテナ装置（AAU）の開発により、5Gは変化を生み出したと説明しています。 これらAAUは、大規模なMIMOアーキテクチャおよび大量の処理を特徴としており、すべて非常に狭い面積で実現されています。 高密度の銅線接続は、システムアーキテクチャに不可欠です。
高速5G信号のルーティング
基板レベルで、PCBは高速信号にとって大きなハードルとなりつつあります。 光ファイバー接続を使用することによりハードルは多少下がりますが、信号はいずれかの時点で集積回路と接する必要があります。ここで役に立つのが高度な相互接続ソリューションであり、感受性の高い差分信号に必要な低い挿入損失で、より高い信号の品位を提供できます。
改良版のエッジコネクタは、電力と併せて差動対およびシングルエンド信号を1つの超小型コネクタへ詰め込むために必要な密度を備えています。これは、信号の品位の課題を回避しつつ実現されています。
信号は、混雑した損失の多いPCBを通さず、ツイン同軸ケーブルアセンブリを使用してPCBの片方から他方へ、またはI／Oから集積回路へ直接通されます。このようないわゆるバイパスケーブルアセンブリにより、光領域に出入りすることなく従来のPCBに伴う損失を回避し、コストおよび遅延を最小限に抑えることができます。
5Gネットワークに伴う帯域幅をサポートするために、通信事業者は、56 Gbps PAM-4信号、および可能であれば112 Gbpsを使用しています。 この速度での信号のルーティングは、コネクタレベルで適合する慎重なインピーダンスに依存します。 PAM-4信号のルーティング・ソリューションとして、Molex のNearStack 100オームおよび85オームファミリーがあります。 NearStack PCIeコネクタは、NRZエンコーディングにより32 Gbpsをサポートしています。
NearStack On-the-Substrateシステムなど、より根本的なソリューションでは、ダイレクトチップ基板Twinax接続を使用し、接点をASICの表面に置きます。 現在、このシステムでは、56 Gbpsおよび112 Gbps PAM-4接続をサポートしています。
Twinaxケーブルアセンブリを使用することにより、PCBにおいてFR4トラックに伴う損失を発生させることなく、感受性の高い高速差分信号を I／OからASICへ送信できます。（出典：Molex）詳しくは、SamtecのAcceleRate HD Ultra-Dense Multi-Row Mezzanine Strips、Belの高周波数RFコネクタ、および Molexの記事で紹介されているTwinax ケーブルアセンブリをチェックしてください。