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亚德诺新闻
用于实现O-RAN无线解决方案的5G技术器件(一)
发布时间:2022-05-05        浏览次数:494        返回列表
 

摘要

O-RAN旨在推动无线社区转型、开辟新无线设备通道和推动创新,以履行3GPP关于5G的承诺。1要取得成功并保持高性价比,必须提供开源的无线电设备和优化的5G技术。本文将介绍其中一种用于设计和构建高功效比的解决方案。

 

5G带来了哪些挑战?

无线电和网络工程师目前使用几种技术来实现这些目标。除了将数据服务移动到网络终端之外,还使用大规模MIMO和小型蜂窝技术来帮助提高容量和吞吐量。大规模MIMO技术在阵列中使用多个无线电,此举不仅可以实现容量,还可以覆盖中心位置。和它的前身宏蜂窝一样,大规模MIMO无线电可以围绕该位置提供相对广泛的覆盖范围。但是,大规模MIMO无线电使用更高的频率,一般是2.6 GHz及以上,这个频率对建筑物的穿透性并不高。为了服务室内位置和其他难以到达的室外区域,我们将使用小型蜂窝。鉴于室内和室外位置的数量,从家庭到企业安装,再到消费购物场所乃至竞技场,小型蜂窝的使用将是5G取得成功的关键。由于网络中需要使用数量庞大的小型蜂窝和多种部署,所以安装和运行成本必须低廉;这是推动实现5G的关键。

 

可以使用哪些技术?

在过去几年里,多种技术朝着支持5G解决方案的方向发展。首先,从基带角度来看,摩尔定律不仅继续降低每个栅极的硅成本,而且将更复杂的功能集成到无线电技术中。现在可以将许多所需的控制算法直接集成到无线电器件中,包括数字预失真(DPD)等功能。随着新生代无线电的问世,出现了许多其他的可能性。

其次,像O-RAN2这样的行业联盟正在整个无线行业进行合作,以实现规模经济,不仅可以降低成本,还可以提高供应链的安全性,并提供通过这些无线网络盈利的新方法。具体来说,“O-RAN联盟是由运营商建立的,旨在明确定义要求,并帮助建立供应链生态系统来实现其目标。为了实现这些目标,O-RAN联盟的工作奉行“开放和智慧的原则”。3因此,他们侧重于定义3GPP指定的物理接口,以实现标准化,并在行业中作为可互操作的白盒解决方案使用。此外,O-RAN还定义了硬件要求,并提供了O-CU、O-DU和O-RU(分别表示开放式集中单元、开放式分配单元和开放式无线电单元)的参考设计。它们会使前传网路和基带处理器实现标准化,进一步降低解决方案成本。它们与其他集成式5G器件(例如集成式无线电)一起,可用于定义小型蜂窝的发展,并推动实施这些标准。这些机构的工作是非常关键的一步。

第三,无线电技术在过去几年中得到迅速发展。高性能无线电现在有多种架构,可以满足3GPP在38.104和相关文档中要求的性能标准。1这些无线电高度集成,不仅包含模拟和RF元件,还包括DPD和削峰(CFR)等关键算法。虽然这些无线电是基于细线CMOS构建的,但RF前端也在经历其他发展,其中,低成本RF工艺(SiGe、SOI、GaN、GaAs等)正转变为高度集成的LNA和高功率、高性能的PA,可以满足这些标准的要求。

最后,提供高度集成和节能的解决方案,包括以太网供电(PoE)、标准电源器件、监控和保护解决方案,它们尺寸紧凑,但可以提供所需的电源。这些解决方案在无线电环境中提供非常高的效率和非常低的噪声,且提供选项,用于保护关键器件,例如功率放大器。

这些技术结合在一起,实现了低成本、高性能的小型蜂窝平台,可以高效部署在运营商网络中,以支持小功率和大功率系统。

 

系统概述

图1显示了典型的4T4R(4个发射器和4个接收器)5G小型蜂窝的框图。可以采用多种排列,包括2T2R和一系列功率等级(从24 dBm和更高)。后续讨论以此图为基础,主要介绍可以轻松扩展,适应O-RU中的频段和功率变化的5G技术器件。

ADI技术文章图1 - 用于实现O-RAN无线解决方案的5G技术器件 

1.小型蜂窝功能框图

 

主要无线电元件

在过去10年,集成式收发器已发展成为高性能平台。ADI RadioVerse™系列包含多种集成式收发器,它们支持高达200 MHz占用带宽,集成了DPD等先进功能。该系列产品不仅满足5G技术器件的要求,也一如既往地支持LTE和多载波GSM RF要求。对于这些器件,虽然我们在不断进行新一代的开发,一代如图2所示,为ADRV9029,是一种4T4R配置。还提供其他产品,包括带和不带集成式DPD,以及采用包括2T2R在内的其他配置的器件。

每款RadioVerse器件都包含构建完整无线电所需的一切(LNA和PA除外)。这包括发送和接收、合成器和时钟等所有功能。还包括运行AGC和增益控制放大器所需的状态机和VGA。虽然RadioVerse产品都使用高达6 GHz的宽带,但LNA和PA并非如此,必须制定频段或频率范围。因此,为了完成无线电设计,必须将合适的LNA和PA与RadioVerse IC配对。以下章节将描述5G NR小型蜂窝的接收和发送信号链,并对如何选择这些器件提供一些见解。

ADI技术文章图2 - 用于实现O-RAN无线解决方案的5G技术器件 

图2.ADRV9029收发器

 

接收器信号链示例

ADRV9029与ADRF5545A组合使用时(如图3所示),可以轻松构建2芯片接收器。ADRF5515引脚兼容,也可以使用。它与几个无源元件组合,就可以构成非常紧凑的高性能接收器设计,如图4中的信号链所示。此架构的关键优势在于可能达到高水平集成,如此不但可以实现极低的实施成本,还能使功耗降至。4

RadioVerse系列的架构取消了经典接收器设计中常使用的许多元件,包括一些RF放大、滤波和剩余大部分无线电功能的集成,包括通道滤波器(模拟和数字)和基带放大器。这些元件通常是系统中最大、功率的器件,相比包括直接RF采样在内的其他架构,此架构可以显著节省成本。

ADI技术文章图3 - 用于实现O-RAN无线解决方案的5G技术器件 

3.ADRF5545A双通道TDD接收器前端

如图4所示,小型蜂窝接收器系列包括环形器(适用于TDD应用)、ADRF5545A、SAW/BAW(表面声波/体声波)或整体式滤波器、巴伦和收发器。鉴于ADRV9029和RadioVerse系列中的其他产品具有出色的噪声性能和低输入IP1dB,所以无需使用其他放大器或VGA。使用这个信号链之后,从天线到数据比特位,可以支持整个系统低至2 dB的噪声系数。虽然此设计中包含一个集成式RF前端模块(FEM),但许多设计仍然使用分立式设计(此处不予详述)。集成式FEM利用集成来满足天线滤波器稍微提高的滤波器要求,但仍然提供对于许多高度集成的解决方案来说具有吸引力的设计,例如大规模MIMO和其他TDD部署。通常,使用分立式前端来实现FDD设计。

假设LNA之前的耗损为约0.5 dB,如果带滤波器的耗损为1 dB,根据两款有源器件的数据手册规格,则整个接收器信号链的标称NF应为约2 dB。假设与MCS-4一致的信噪比和信纳比为0 dB,那么G-FR1-A1-1 5G载波(~5 MHz)的参考灵敏度为约–104.3 dBm。这足以满足章节7.2.2中38.104的广域传导要求,且留有余量,对局域/小型蜂窝来说也绰绰有余,如表1所示,在这种情况下需要–93.7 dBm。一些低性能小型蜂窝应用可能能够使用单级LNA,例如GRF2093,后接一个SAW滤波器。

ADI技术文章图4 - 用于实现O-RAN无线解决方案的5G技术器件
图4.接收器信号链详情

 

表1.38.104接收器分类

QQ截图20220505132742

此外,38.104章节的7.4.1要求在低于–52 dBm(广域)ACS阻塞下,接收器的衰减不超过6 dB。根据图5所示的NF与输入电平,在–52 dBm时产生的额外噪声并不比在更低电平下产生的噪声多。事实上,本底噪声在Blocker信号达到–40 dBm后才会上升,非常适合需要
–44 dBm容差的局域ACS。

一般阻塞要求(7.4.2)要求对相关频段内的接收器施加–35 dBm(局域)的干扰,偏移为±7.5 MHz,衰减不得超过6 dB。从图5显示的ADI公司的信号链的性能来看,衰减仅为约0.9 dB。窄带阻塞是一种功率稍低的CW类阻塞,但这也不是问题。

ADI技术文章图5 - 用于实现O-RAN无线解决方案的5G技术器件 

图5.接收器NF与输入电平

章节7.5.2中的带外阻塞可能算是一种更为有趣的挑战。其中,–15 dBm信号被传输至天线输入。对于频率低于200 MHz的小型蜂窝,此信号最接近频带边缘的频率为20 MHz。测试要求对1 MHz至12.75 GHz范围进行扫描,不包括20 MHz工作频率以内的频段。这里,有几个因素会推动信号链产生优势。,环形器具有有限带宽,会拒绝许多带外信号,但包含在内的信号不会产生很大影响。第二,ADRF5545A之后的滤波器会提供一定程度的滤波,一般来说,对于带外20 MHz,~20 dB抑制是合理的。第三,ADI收发器系列独有且最有用的特性要属内置的带外抑制,这是收发器结构固有的特性。在ADI公司应用笔记AN-1354的图20中,固有的带外抑制被表示为增加的阻塞信号电平。在该应用笔记中,围绕通带任一方向的频率扫描显示,在相同等级的衰减下,可以支持更大的信号。在该应用笔记中可以看到,在靠近频带边缘的位置,6 dB衰减可以对应10 dB。之后,集成式滤波器对带外信号进行大幅衰减,这些信号不会在带内混叠,主要被片内滤波和外部滤波衰减。

这些模块将–15 dBm带外干扰滤波到约–40 dBm至–45 dBm,直到20 MHz排斥带。继续向前,可能受到更高的抑制。在这个阶段,图5显示出现的衰减可能非常小。

前端模块的线性度可能是更大的问题。此时,可能得出很大的IM3产物。根据实际选择的FEM,可能需要将频带选择滤波器移动到第二个LNA之前,以保护其不受带外信号影响,这通常会产生较大的IM产物。无法在这类FEM的级之间放置滤波器,所以需要采用备用选项。

为了帮助限制大型带外阻断器的互调的影响,典型的FEM包含二级旁路开关,用于降低增益和保护二级不会被驱动产生非线性,如图3所示。切换LNA增益使信号链SNR降低1 dB,但限制这些大型阻断器引起的交调失真有助于保护整体动态范围,抵消噪声性能的损失。总体而言,如此产生的最差NF为约5.7 dB,这仍然在参考灵敏度的局域(小型蜂窝)覆盖范围要求之内。剩余的滤波器要求由天线滤波器提供,抑制可以根据接收器FEM的低增益压缩点和IP3决定。

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