5G將面臨什么樣的挑戰(zhàn)？

O-RAN的建立將作為一種催化劑，從而轉(zhuǎn)變無(wú)線社區(qū)，使無(wú)線設(shè)備新渠道和新發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)3GPP對(duì)5G所做的承諾。要想取得成功并節(jié)約成本，就必須提供開(kāi)放的無(wú)線電設(shè)備和優(yōu)化的5G技術(shù)設(shè)備。本文將介紹其中一種能夠設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)高效的解決方案。

無(wú)線電和網(wǎng)絡(luò)工程師正在使用幾種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。除了將數(shù)據(jù)服務(wù)移動(dòng)到網(wǎng)絡(luò)邊緣之外，大規(guī)模MIMO和小型蜂窩的利用還有助于提高容量和吞吐量。大規(guī)模MIMO利用陣列中的眾多無(wú)線電，不僅實(shí)現(xiàn)了容量的提高，而且覆蓋了中心位置。就像它的前身宏蜂窩一樣，大規(guī)模MIMO將提供相對(duì)廣泛的覆蓋范圍。然而，大規(guī)模MIMO被放置在更高的頻率上，通常是2.6 GHz或更高的頻率，并不能很好地穿透建筑物。為室內(nèi)地點(diǎn)和其他難以到達(dá)室外的地方提供服務(wù)，將使用小型蜂窩。考慮到從家庭到企業(yè)設(shè)備到商業(yè)購(gòu)物區(qū)甚至體育場(chǎng)等室內(nèi)和室外場(chǎng)所的數(shù)量，小型蜂窩的利用將對(duì)5G的成功至關(guān)重要。由于網(wǎng)絡(luò)中需要大量的小型蜂窩和多種部署，它們的安裝和操作成本必須低廉;這將是5G商業(yè)化的關(guān)鍵促成因素。

有哪些可用的技術(shù)？

在過(guò)去的幾年里，多種技術(shù)朝著實(shí)現(xiàn)5G解決方案的方向迅速發(fā)展。

首先，從基帶的角度來(lái)看，摩爾定律不僅繼續(xù)降低每個(gè)柵極硅的成本，而且使更復(fù)雜的功能能夠集成到無(wú)線電技術(shù)中。現(xiàn)在可以將許多控制算法直接集成到無(wú)線電中，包括DPD等功能。隨著新一代無(wú)線電的出現(xiàn)，還有許多其他的可能性。

其次，像O-RAN這樣的行業(yè)聯(lián)盟正在推動(dòng)無(wú)線電行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，以實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，這不僅可以降低成本，還可以提高供應(yīng)鏈的安全性，并提供新的方法來(lái)使這些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化。具體來(lái)說(shuō)，“O-RAN聯(lián)盟是由運(yùn)營(yíng)商建立的，O-RAN的主要“背后推手”就是O-RAN聯(lián)盟。2018年2月，西班牙巴塞羅那MWC世界移動(dòng)大會(huì)期間，中國(guó)移動(dòng)、美國(guó)AT&T、德國(guó)電信、日本NTT DOCOMO和法國(guó)Orange五家運(yùn)營(yíng)商，共同聯(lián)合發(fā)起了O-RAN聯(lián)盟。O-RAN 架構(gòu)將模塊化基站軟件堆棧集成在現(xiàn)成的硬件上，允許來(lái)自分立供應(yīng)商的基帶和無(wú)線電單元組件無(wú)縫地一起運(yùn)行。

它明確了定義需求，并幫助建立供應(yīng)鏈生態(tài)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。”為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，O-RAN聯(lián)盟致力于體現(xiàn)“開(kāi)放和智能的原則”。因此，他們的活動(dòng)集中于定義3GPP指定的物理接口，以便將其作為可互操作的白盒解決方案在整個(gè)行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)現(xiàn)。此外，O-RAN還定義了硬件要求，并為O-CU、O-DU和O-RU提供了參考設(shè)計(jì)。這些將使前端和基帶處理器標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)一步降低解決方案的成本。與集成無(wú)線電等其他集成的5G設(shè)備一起，這些設(shè)備可以定義小蜂窩將成為什么，并使這些標(biāo)準(zhǔn)得以實(shí)施。這些機(jī)構(gòu)的工作是至關(guān)重要的。

第三，無(wú)線電技術(shù)在過(guò)去幾年中迅速發(fā)展。高性能無(wú)線電現(xiàn)在有一些格式，能夠滿足3GPP在38.104和相關(guān)文件中要求的性能標(biāo)準(zhǔn)。這些無(wú)線電高度集成，不僅包括模擬和射頻組件，還包括關(guān)鍵算法，如數(shù)字預(yù)失真和峰值因子降低。雖然這些無(wú)線電是在CMOS上建造的，但在射頻前端也有其他的發(fā)展，低成本的射頻處理（SiGe、SOI、GaN、GaAs等）正在生產(chǎn)出高度集成的LNA和高功率、高性能的PA，它可以滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的要求。

最后，高集成和高效率的電力解決方案可以提供緊湊的電力輸送，包括以太網(wǎng)供電（PoE）、標(biāo)準(zhǔn)電力設(shè)備、監(jiān)控和保護(hù)解決方案。這些解決方案在無(wú)線電環(huán)境中提供了非常高的效率和極低的噪音，以及提供保護(hù)功率放大器等關(guān)鍵設(shè)備。

主要無(wú)線電元件

在過(guò)去的十年中，集成收發(fā)器已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)高性能平臺(tái)。ADI的這些技術(shù)使低成本、高性能的小電池平臺(tái)成為可能，他們可以有效地部署在運(yùn)營(yíng)商的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，用于低功率和高功率系統(tǒng)上。

系統(tǒng)概述

下圖為典型的4T4R 45g小型蜂窩方框圖。有很多可能的排列，包括2T2R，以及從24 dBm到更高的功率等級(jí)。這些設(shè)備很容易根據(jù)O-RU的波段和功率級(jí)別變化進(jìn)行縮放。

RadioVerse?5包括廣泛的集成收發(fā)器，支持高達(dá)200mhz的占用帶寬，集成了諸如數(shù)字預(yù)失真等先進(jìn)功能。總之，該系列產(chǎn)品不僅滿足5G技術(shù)設(shè)備的需求，而且還繼續(xù)支持LTE和多載波GSM RF的要求。

除了LNA和PA之外，每個(gè)RadioVerse?設(shè)備都包括構(gòu)建一個(gè)完整無(wú)線電所需的一切。這包括所有的發(fā)送和接收功能，合成器和時(shí)鐘。它還包括運(yùn)行AGC和增益控制放大器所需的狀態(tài)機(jī)和VGA。雖然RadioVerse?產(chǎn)品都是高達(dá)6 GHz的寬帶，但LNA和PA不是，且必須由頻帶或頻率范圍指定。因此，為了完成無(wú)線電發(fā)送，必須將合適的LNA和PA與無(wú)線電配對(duì)。

下面將描述用于5G NR小型蜂窩設(shè)計(jì)的接收和發(fā)送的信號(hào)鏈，并對(duì)這些設(shè)備的選擇提供一些見(jiàn)解。

Rx信號(hào)鏈

當(dāng)ADRV90296與下圖所示的ADRF5545A相結(jié)合時(shí)，就很容易構(gòu)建一個(gè)“雙芯片”接收器。與其他幾個(gè)無(wú)源元件相結(jié)合，就可以形成一個(gè)非常緊湊、高性能的接收機(jī)設(shè)計(jì)，如圖中的信號(hào)鏈所示。這種架構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)是可能的高水平集成，這不僅實(shí)現(xiàn)了低成本，還實(shí)現(xiàn)了低功耗。RadioVerse系列的架構(gòu)消除了許多典型的與經(jīng)典接收機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)的元素，包括一些射頻放大、濾波和大部分剩余無(wú)線電功能的集成，包括通道濾波器（模擬和數(shù)字）和基帶放大器。這些通常是系統(tǒng)中一些最大和最高功率的器件，與直接射頻采樣等其他架構(gòu)相比，這些器件大大節(jié)省了成本。

這一切是如何結(jié)合在一起的？

下圖顯示了完整的信號(hào)鏈，包括一些必需的控制信號(hào)。為了提高功率效率，該電路包括發(fā)射和接收信號(hào)，以在TDD的各自周期內(nèi)啟用和禁用放大器。類似地，這也可以與FDD一起使用，在未使用的插槽期間關(guān)閉電源，從而節(jié)省電力。此外也需要改變LNA上的輸入開(kāi)關(guān)，以分流任何返回的發(fā)射功率到終端，而不是核心放大器的輸入。這些不同的信號(hào)可以由ASIC、FPGA或收發(fā)器生成和編配各種信號(hào)。

Rx信號(hào)鏈包含一個(gè)函數(shù)，該函數(shù)相應(yīng)地改變數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，以考慮減少的模擬增益，從而在將絕對(duì)信號(hào)電平傳遞到低電平到基帶下游的剩余部分時(shí)保持絕對(duì)信號(hào)電平。

這里顯示的應(yīng)用是用于單頻帶。雖然收發(fā)器是寬帶的，并且覆蓋了所有高達(dá)6ghz的頻率，但并不是所有設(shè)計(jì)中的設(shè)備都能做到。像LNA和PA這樣的設(shè)備通常是帶狀的，需要基于支持的波段進(jìn)行選擇。通常，這些設(shè)備在引腳兼容選項(xiàng)中可用，以覆蓋6 GHz以下的所有常見(jiàn)帶寬，并且很容易更換。這使得支持所有流行的TDD和FDD波段，包括5G和那些建議的O-RAN。

時(shí)鐘樹(shù)

根據(jù)配置的不同，可以有幾種不同的時(shí)鐘配置。如果想精確定時(shí)校準(zhǔn)，就需要兩階段的時(shí)鐘合成。第一階段將需要通過(guò)ASIC、FPGA或控制器與基帶連接，以適當(dāng)?shù)赜?jì)時(shí)和校準(zhǔn)無(wú)線電數(shù)字化。這個(gè)應(yīng)用程序?qū)⑿枰幚硗ㄟ^(guò)前端或本地GPS接收器提供的精確時(shí)間協(xié)議（PTP）信息。這將確保無(wú)線電和基帶處理器準(zhǔn)確地知道何時(shí)應(yīng)該處理無(wú)線電幀。

AD9545系列非常適合于精確調(diào)整主時(shí)鐘到收音機(jī)的頻率、相位和時(shí)間。它的優(yōu)點(diǎn)是，它可以配置為在沒(méi)有參考的情況下臨時(shí)操作，并在與TCXO或OCXO耦合時(shí)，在故障或間歇參考時(shí)鐘的情況下保持準(zhǔn)確性。

對(duì)于不需要精確定時(shí)校準(zhǔn)的配置，或者作為需要精確定時(shí)校準(zhǔn)的配置的第二階段，需要一個(gè)時(shí)鐘分配裝置。分配裝置的目的是產(chǎn)生整個(gè)無(wú)線電的時(shí)鐘范圍。這包括那些需要JESD， eCPRI，以太網(wǎng)，SFP和其他關(guān)鍵信號(hào)的無(wú)線電。

功耗

總功耗是由許多因素決定的。這些因素包括FPGA和實(shí)現(xiàn)的功能、選擇的收發(fā)器和啟用的選項(xiàng)、需要的時(shí)鐘樹(shù)以及產(chǎn)生的射頻功率。

對(duì)于一個(gè)低功率小型蜂窩，增加約2.5W的額外功率，總耗散約為30W，這對(duì)于由PoE解決方案供電的被動(dòng)制冷室內(nèi)小型蜂窩來(lái)說(shuō)是合適的。

這種無(wú)線電架構(gòu)的一大優(yōu)點(diǎn)是它在滿足一系列市場(chǎng)需求的靈活性。該架構(gòu)針對(duì)包括FDD和TDD在內(nèi)的一系列應(yīng)用程序進(jìn)行了優(yōu)化。它在低、中、高頻段都具有同樣的性能，非常適合于小型蜂窩和大規(guī)模MIMO平臺(tái)。為了優(yōu)化成本、尺寸、重量和功率，在發(fā)送和接收電路中可以進(jìn)行許多不同的權(quán)衡。雖然本文的介紹側(cè)重于更高的性能和集成，但也可以在略有不同的選擇上做一些簡(jiǎn)單的權(quán)衡以達(dá)到降低成本的目的。

例如，一些低功率PA不需要驅(qū)動(dòng)放大器。對(duì)于許多小型蜂窩應(yīng)用來(lái)說(shuō)射頻功率很低，環(huán)行器可以被一個(gè)簡(jiǎn)單的TR開(kāi)關(guān)所取代。最后，如果只要求局部性能，雙級(jí)LNA可以被一個(gè)簡(jiǎn)單的單級(jí)LNA代替。就可以形成一個(gè)成本更低的選擇，這仍然會(huì)提供良好的無(wú)線電性能。下圖顯示了一個(gè)示例。可以使用其它排列來(lái)適應(yīng)廣泛的功率選項(xiàng)。

結(jié)論

本文簡(jiǎn)單介紹了可用于通信應(yīng)用的5G技術(shù)設(shè)備，并支持適合5G開(kāi)發(fā)的低成本實(shí)現(xiàn)，特別是那些實(shí)現(xiàn)O-RAN O-RU的解決方案。包括來(lái)自RadioVerse?系列的設(shè)備以及射頻放大器、時(shí)鐘恢復(fù)/同步和以太網(wǎng)/負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)電源。這些高度集成的設(shè)備可以用于5G小型蜂窩、微基站、宏基站和大規(guī)模MIMO應(yīng)用。

當(dāng)一個(gè)合適的PHY和軟件被提供在FPGA， eASIC或ASIC上，一個(gè)完整的O-RU解決方案可以被開(kāi)發(fā)出來(lái)。這個(gè)解決方案是我們與Intel、Comcores & Whizz systems的合作伙伴共同開(kāi)發(fā)的。這些解決方案不僅滿足所需的射頻特性，而且滿足部署低成本、高性能O-RAN平臺(tái)所需的成本和功率預(yù)算。

編輯：hfy