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    亞德諾半導體(中國)有限公司

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    亞德諾新聞
    用于實現O-RAN無線解決方案的5G技術器件(一)
    發布時間:2022-05-05        瀏覽次數:614        返回列表
     

    摘要

    O-RAN旨在推動無線社區轉型、開辟新無線設備通道和推動創新,以履行3GPP關于5G的承諾。1要取得成功并保持高性價比,必須提供開源的無線電設備和優化的5G技術。本文將介紹其中一種用于設計和構建高功效比的解決方案。

     

    5G帶來了哪些挑戰?

    無線電和網絡工程師目前使用幾種技術來實現這些目標。除了將數據服務移動到網絡終端之外,還使用大規模MIMO和小型蜂窩技術來幫助提高容量和吞吐量。大規模MIMO技術在陣列中使用多個無線電,此舉不僅可以實現容量,還可以覆蓋中心位置。和它的前身宏蜂窩一樣,大規模MIMO無線電可以圍繞該位置提供相對廣泛的覆蓋范圍。但是,大規模MIMO無線電使用更高的頻率,一般是2.6 GHz及以上,這個頻率對建筑物的穿透性并不高。為了服務室內位置和其他難以到達的室外區域,我們將使用小型蜂窩。鑒于室內和室外位置的數量,從家庭到企業安裝,再到消費購物場所乃至競技場,小型蜂窩的使用將是5G取得成功的關鍵。由于網絡中需要使用數量龐大的小型蜂窩和多種部署,所以安裝和運行成本必須低廉;這是推動實現5G的關鍵。

     

    可以使用哪些技術?

    在過去幾年里,多種技術朝著支持5G解決方案的方向發展。首先,從基帶角度來看,摩爾定律不僅繼續降低每個柵極的硅成本,而且將更復雜的功能集成到無線電技術中?,F在可以將許多所需的控制算法直接集成到無線電器件中,包括數字預失真(DPD)等功能。隨著新生代無線電的問世,出現了許多其他的可能性。

    其次,像O-RAN2這樣的行業聯盟正在整個無線行業進行合作,以實現規模經濟,不僅可以降低成本,還可以提高供應鏈的安全性,并提供通過這些無線網絡盈利的新方法。具體來說,“O-RAN聯盟是由運營商建立的,旨在明確定義要求,并幫助建立供應鏈生態系統來實現其目標。為了實現這些目標,O-RAN聯盟的工作奉行“開放和智慧的原則”。3因此,他們側重于定義3GPP指定的物理接口,以實現標準化,并在行業中作為可互操作的白盒解決方案使用。此外,O-RAN還定義了硬件要求,并提供了O-CU、O-DU和O-RU(分別表示開放式集中單元、開放式分配單元和開放式無線電單元)的參考設計。它們會使前傳網路和基帶處理器實現標準化,進一步降低解決方案成本。它們與其他集成式5G器件(例如集成式無線電)一起,可用于定義小型蜂窩的發展,并推動實施這些標準。這些機構的工作是非常關鍵的一步。

    第三,無線電技術在過去幾年中得到迅速發展。高性能無線電現在有多種架構,可以滿足3GPP在38.104和相關文檔中要求的性能標準。1這些無線電高度集成,不僅包含模擬和RF元件,還包括DPD和削峰(CFR)等關鍵算法。雖然這些無線電是基于細線CMOS構建的,但RF前端也在經歷其他發展,其中,低成本RF工藝(SiGe、SOI、GaN、GaAs等)正轉變為高度集成的LNA和高功率、高性能的PA,可以滿足這些標準的要求。

    最后,提供高度集成和節能的解決方案,包括以太網供電(PoE)、標準電源器件、監控和保護解決方案,它們尺寸緊湊,但可以提供所需的電源。這些解決方案在無線電環境中提供非常高的效率和非常低的噪聲,且提供選項,用于保護關鍵器件,例如功率放大器。

    這些技術結合在一起,實現了低成本、高性能的小型蜂窩平臺,可以高效部署在運營商網絡中,以支持小功率和大功率系統。

     

    系統概述

    圖1顯示了典型的4T4R(4個發射器和4個接收器)5G小型蜂窩的框圖??梢圆捎枚喾N排列,包括2T2R和一系列功率等級(從24 dBm和更高)。后續討論以此圖為基礎,主要介紹可以輕松擴展,適應O-RU中的頻段和功率變化的5G技術器件。

    ADI技術文章圖1 - 用于實現O-RAN無線解決方案的5G技術器件 

    1.小型蜂窩功能框圖

     

    主要無線電元件

    在過去10年,集成式收發器已發展成為高性能平臺。ADI RadioVerse™系列包含多種集成式收發器,它們支持高達200 MHz占用帶寬,集成了DPD等先進功能。該系列產品不僅滿足5G技術器件的要求,也一如既往地支持LTE和多載波GSM RF要求。對于這些器件,雖然我們在不斷進行新一代的開發,一代如圖2所示,為ADRV9029,是一種4T4R配置。還提供其他產品,包括帶和不帶集成式DPD,以及采用包括2T2R在內的其他配置的器件。

    每款RadioVerse器件都包含構建完整無線電所需的一切(LNA和PA除外)。這包括發送和接收、合成器和時鐘等所有功能。還包括運行AGC和增益控制放大器所需的狀態機和VGA。雖然RadioVerse產品都使用高達6 GHz的寬帶,但LNA和PA并非如此,必須制定頻段或頻率范圍。因此,為了完成無線電設計,必須將合適的LNA和PA與RadioVerse IC配對。以下章節將描述5G NR小型蜂窩的接收和發送信號鏈,并對如何選擇這些器件提供一些見解。

    ADI技術文章圖2 - 用于實現O-RAN無線解決方案的5G技術器件 

    圖2.ADRV9029收發器

     

    接收器信號鏈示例

    ADRV9029與ADRF5545A組合使用時(如圖3所示),可以輕松構建2芯片接收器。ADRF5515引腳兼容,也可以使用。它與幾個無源元件組合,就可以構成非常緊湊的高性能接收器設計,如圖4中的信號鏈所示。此架構的關鍵優勢在于可能達到高水平集成,如此不但可以實現極低的實施成本,還能使功耗降至。4

    RadioVerse系列的架構取消了經典接收器設計中常使用的許多元件,包括一些RF放大、濾波和剩余大部分無線電功能的集成,包括通道濾波器(模擬和數字)和基帶放大器。這些元件通常是系統中最大、功率的器件,相比包括直接RF采樣在內的其他架構,此架構可以顯著節省成本。

    ADI技術文章圖3 - 用于實現O-RAN無線解決方案的5G技術器件 

    3.ADRF5545A雙通道TDD接收器前端

    如圖4所示,小型蜂窩接收器系列包括環形器(適用于TDD應用)、ADRF5545A、SAW/BAW(表面聲波/體聲波)或整體式濾波器、巴倫和收發器。鑒于ADRV9029和RadioVerse系列中的其他產品具有出色的噪聲性能和低輸入IP1dB,所以無需使用其他放大器或VGA。使用這個信號鏈之后,從天線到數據比特位,可以支持整個系統低至2 dB的噪聲系數。雖然此設計中包含一個集成式RF前端模塊(FEM),但許多設計仍然使用分立式設計(此處不予詳述)。集成式FEM利用集成來滿足天線濾波器稍微提高的濾波器要求,但仍然提供對于許多高度集成的解決方案來說具有吸引力的設計,例如大規模MIMO和其他TDD部署。通常,使用分立式前端來實現FDD設計。

    假設LNA之前的耗損為約0.5 dB,如果帶濾波器的耗損為1 dB,根據兩款有源器件的數據手冊規格,則整個接收器信號鏈的標稱NF應為約2 dB。假設與MCS-4一致的信噪比和信納比為0 dB,那么G-FR1-A1-1 5G載波(~5 MHz)的參考靈敏度為約–104.3 dBm。這足以滿足章節7.2.2中38.104的廣域傳導要求,且留有余量,對局域/小型蜂窩來說也綽綽有余,如表1所示,在這種情況下需要–93.7 dBm。一些低性能小型蜂窩應用可能能夠使用單級LNA,例如GRF2093,后接一個SAW濾波器。

    ADI技術文章圖4 - 用于實現O-RAN無線解決方案的5G技術器件
    圖4.接收器信號鏈詳情

     

    表1.38.104接收器分類

    QQ截圖20220505132742

    此外,38.104章節的7.4.1要求在低于–52 dBm(廣域)ACS阻塞下,接收器的衰減不超過6 dB。根據圖5所示的NF與輸入電平,在–52 dBm時產生的額外噪聲并不比在更低電平下產生的噪聲多。事實上,本底噪聲在Blocker信號達到–40 dBm后才會上升,非常適合需要
    –44 dBm容差的局域ACS。

    一般阻塞要求(7.4.2)要求對相關頻段內的接收器施加–35 dBm(局域)的干擾,偏移為±7.5 MHz,衰減不得超過6 dB。從圖5顯示的ADI公司的信號鏈的性能來看,衰減僅為約0.9 dB。窄帶阻塞是一種功率稍低的CW類阻塞,但這也不是問題。

    ADI技術文章圖5 - 用于實現O-RAN無線解決方案的5G技術器件 

    圖5.接收器NF與輸入電平

    章節7.5.2中的帶外阻塞可能算是一種更為有趣的挑戰。其中,–15 dBm信號被傳輸至天線輸入。對于頻率低于200 MHz的小型蜂窩,此信號最接近頻帶邊緣的頻率為20 MHz。測試要求對1 MHz至12.75 GHz范圍進行掃描,不包括20 MHz工作頻率以內的頻段。這里,有幾個因素會推動信號鏈產生優勢。,環形器具有有限帶寬,會拒絕許多帶外信號,但包含在內的信號不會產生很大影響。第二,ADRF5545A之后的濾波器會提供一定程度的濾波,一般來說,對于帶外20 MHz,~20 dB抑制是合理的。第三,ADI收發器系列獨有且最有用的特性要屬內置的帶外抑制,這是收發器結構固有的特性。在ADI公司應用筆記AN-1354的圖20中,固有的帶外抑制被表示為增加的阻塞信號電平。在該應用筆記中,圍繞通帶任一方向的頻率掃描顯示,在相同等級的衰減下,可以支持更大的信號。在該應用筆記中可以看到,在靠近頻帶邊緣的位置,6 dB衰減可以對應10 dB。之后,集成式濾波器對帶外信號進行大幅衰減,這些信號不會在帶內混疊,主要被片內濾波和外部濾波衰減。

    這些模塊將–15 dBm帶外干擾濾波到約–40 dBm至–45 dBm,直到20 MHz排斥帶。繼續向前,可能受到更高的抑制。在這個階段,圖5顯示出現的衰減可能非常小。

    前端模塊的線性度可能是更大的問題。此時,可能得出很大的IM3產物。根據實際選擇的FEM,可能需要將頻帶選擇濾波器移動到第二個LNA之前,以保護其不受帶外信號影響,這通常會產生較大的IM產物。無法在這類FEM的級之間放置濾波器,所以需要采用備用選項。

    為了幫助限制大型帶外阻斷器的互調的影響,典型的FEM包含二級旁路開關,用于降低增益和保護二級不會被驅動產生非線性,如圖3所示。切換LNA增益使信號鏈SNR降低1 dB,但限制這些大型阻斷器引起的交調失真有助于保護整體動態范圍,抵消噪聲性能的損失??傮w而言,如此產生的最差NF為約5.7 dB,這仍然在參考靈敏度的局域(小型蜂窩)覆蓋范圍要求之內。剩余的濾波器要求由天線濾波器提供,抑制可以根據接收器FEM的低增益壓縮點和IP3決定。

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