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)變無線社區(qū)，使無線設(shè)備新渠道和新發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)3GPP對5G所做的承諾。要想取得成功并節(jié)約成本，就必須提供開放的無線電設(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)計和構(gòu)建一個高效的解決方案。

無線電和網(wǎng)絡(luò)工程師正在使用幾種技術(shù)來實現(xiàn)這些目標(biāo)。除了將數(shù)據(jù)服務(wù)移動到網(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線電，不僅實現(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)購物區(qū)甚至體育場等室內(nèi)和室外場所的數(shù)量，小型蜂窩的利用將對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)？

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

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

其次，像O-RAN這樣的行業(yè)聯(lián)盟正在推動無線電行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，以實現(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，并提供新的方法來使這些無線網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化。具體來說，“O-RAN聯(lián)盟是由運營商建立的，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世界移動大會期間，中國移動、美國AT&T、德國電信、日本NTT DOCOMO和法國Orange五家運營商，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，允許來自分立供應(yīng)商的基帶和無線電單元組件無縫地一起運行。

它明確了定義需求，并幫助建立供應(yīng)鏈生態(tài)系統(tǒng)，以實現(xiàn)目標(biāo)。”為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，O-RAN聯(lián)盟致力于體現(xiàn)“開放和智能的原則”。因此，他們的活動集中于定義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行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化和實現(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。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)得以實施。這些機構(gòu)的工作是至關(guān)重要的。

第三，無線電技術(shù)在過去幾年中迅速發(fā)展。高性能無線電現(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。

主要無線電元件

在過去的十年中，集成收發(fā)器已經(jīng)發(fā)展成為一個高性能平臺。ADI的這些技術(shù)使低成本、高性能的小電池平臺成為可能，他們可以有效地部署在運營商的整個網(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。這些設(shè)備很容易根據(jù)O-RU的波段和功率級別變化進(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RadioVerse?設(shè)備都包括構(gòu)建一個完整無線電所需的一切。這包括所有的發(fā)送和接收功能，合成器和時鐘。它還包括運行AGC和增益控制放大器所需的狀態(tài)機和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，為了完成無線電發(fā)送，必須將合適的LNA和PA與無線電配對。

下面將描述用于5G NR小型蜂窩設(shè)計的接收和發(fā)送的信號鏈，并對這些設(shè)備的選擇提供一些見解。

Rx信號鏈

當(dāng)ADRV90296與下圖所示的ADRF5545A相結(jié)合時，就很容易構(gòu)建一個“雙芯片”接收器。與其他幾個無源元件相結(jié)合，就可以形成一個非常緊湊、高性能的接收機設(shè)計，如圖中的信號鏈所示。這種架構(gòu)的主要優(yōu)勢是可能的高水平集成，這不僅實現(xiàn)了低成本，還實現(xiàn)了低功耗。RadioVerse系列的架構(gòu)消除了許多典型的與經(jīng)典接收機設(shè)計相關(guān)的元素，包括一些射頻放大、濾波和大部分剩余無線電功能的集成，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鏈，包括一些必需的控制信號。為了提高功率效率，該電路包括發(fā)射和接收信號，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。這些不同的信號可以由ASIC、FPGA或收發(fā)器生成和編配各種信號。

Rx信號鏈包含一個函數(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，從而在將絕對信號電平傳遞到低電平到基帶下游的剩余部分時保持絕對信號電平。

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)備在引腳兼容選項中可用，以覆蓋6 GHz以下的所有常見帶寬，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。

時鐘樹

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

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

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

功耗

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

對于一個低功率小型蜂窩，增加約2.5W的額外功率，總耗散約為30W，這對于由PoE解決方案供電的被動制冷室內(nèi)小型蜂窩來說是合適的。

這種無線電架構(gòu)的一大優(yōu)點是它在滿足一系列市場需求的靈活性。該架構(gòu)針對包括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。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)動放大器。對于許多小型蜂窩應(yīng)用來說射頻功率很低，環(huán)行器可以被一個簡單的TR開關(guān)所取代。最后，如果只要求局部性能，雙級LNA可以被一個簡單的單級LNA代替。就可以形成一個成本更低的選擇，這仍然會提供良好的無線電性能。下圖顯示了一個示例。可以使用其它排列來適應(yīng)廣泛的功率選項。

結(jié)論

本文簡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開發(fā)的低成本實現(xiàn)，特別是那些實現(xiàn)O-RAN O-RU的解決方案。包括來自RadioVerse?系列的設(shè)備以及射頻放大器、時鐘恢復(fù)/同步和以太網(wǎng)/負(fù)載點調(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)一個合適的PHY和軟件被提供在FPGA， eASIC或ASIC上，一個完整的O-RU解決方案可以被開發(fā)出來。這個解決方案是我們與Intel、Comcores & Whizz systems的合作伙伴共同開發(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平臺所需的成本和功率預(yù)算。

編輯：hfy