Mikrowellen-Technik - Strahlsynthese von Millimeterwellen

Zuvor haben wir die Bereitstellungsszenarien für Millimeterwellen-Kommunikationsplatinen und Überlegungen zur Ausbreitung geteilt. Heute werden wir uns verschiedene Beamforming-Methoden ansehen: analog, digital und hybrid. Ich bin sicher, dass Sie alle mit dem Konzept des analogen Beamforming vertraut sind. Hier haben wir Datenkonverter, die digitale Signale in und von Breitband-Basisband- oder IF-Signalen umwandeln und Funk-Transceiver anschließen, die Hoch- und Abwärtskonvertierungsverarbeitung durchführen. In rf (zum Beispiel 28 GHz) teilen wir einen einzelnen HF-Pfad in mehrere Pfade auf und führen Strahlsynthese durch, indem wir die Phase jedes Pfades steuern, um einen Strahl im Fernfeld in Richtung des Zielbenutzers zu bilden. Dies ermöglicht es jedem Datenpfad, einen einzelnen Strahl zu führen, so dass wir theoretisch die Architektur verwenden können, um einen Benutzer auf einmal zu bedienen.

Digital Beamforming bedeutet, was es sagt. Die Phasenverschiebung erfolgt vollständig in einer digitalen Schaltung und wird dann über ein Transceiver-Array dem Antennen-Array zugeführt. Einfach ausgedrückt, jeder Transceiver ist mit einem Antennenelement verbunden, aber in der Praxis kann jedes Radio mehrere Antennenelemente haben, je nach Form des gewünschten Sektors. Dieser digitale Ansatz ermöglicht maximale Kapazität und Flexibilität und unterstützt die Multi-User-MIMO-Entwicklungsplanung bei Millimeterwellenfrequenzen, ähnlich wie bei if-Systemen. Dies ist sehr komplex und wird angesichts der derzeit verfügbaren Technologie zu viel Gleichstrom verbrauchen, entweder in RF- oder digitalen Schaltungen. Mit der Entwicklung der zukünftigen Technologie wird Millimeterwellenradio jedoch digitale Strahlsynthese haben.

Die praktischste und effektivste neue Beamforming-Methode ist hybrides digital-analoges Beamforming, das im Wesentlichen digitale Vorcodierung mit analogem Beamforming kombiniert, um mehrere Strahlen gleichzeitig in einem einzigen Raum zu erzeugen (räumliche Wiederverwendung). Indem die Stromversorgung auf einen Zielbenutzer mit einem schmalen Strahl gerichtet wird, kann eine Basisstation dasselbe Spektrum wiederverwenden und gleichzeitig mehrere Benutzer in einem bestimmten Zeitfenster bedienen. Während es in der Literatur mehrere verschiedene Ansätze zum hybriden Beamforming gibt, ist der hier gezeigte Subarray-Ansatz die praktischste Implementierung, die im Wesentlichen die Schritte und Wiederholungen von Beamforming simuliert. Derzeit unterstützt das gemeldete System zwei bis acht digitale Streams und kann verwendet werden, um einen einzelnen Benutzer gleichzeitig zu unterstützen oder zwei oder mehr Schichten von MIMO für eine kleinere Anzahl von Benutzern bereitzustellen.

Werfen wir einen genaueren Blick auf die technischen Möglichkeiten für analoges Beamforming, nämlich Bausteine für hybrides Beamforming. Hier teilen wir das analoge Beamforming-System zur Verarbeitung in drei Module auf: digital, Bit-zu-Millimeter-Welle und Beamforming. So ist ein reales System nicht aufgeteilt, da man alle Millimeterwellenkomponenten nahe stellen würde, um Verluste zu reduzieren, aber der Grund für diese Aufteilung wird bald deutlich.

Verschiedene Strahlsynthesemethoden

Beamforming-Fähigkeiten werden von mehreren Faktoren angetrieben, einschließlich Segmentform und Entfernung, Leistungsniveaus, Wegverluste, thermische Grenzwerte usw. und sind Segmente von Millimeterwellensystemen, die etwas Flexibilität erfordern, wenn die Industrie lernt und reift. Trotzdem werden weiterhin verschiedene Übertragungsleistungsstufen benötigt, um verschiedene Einsatzszenarien zu bewältigen, von kleinen Zellen bis hin zu Makros. Bit-bis-Millimeter-Wellenradios für Basisstationen erfordern dagegen deutlich weniger Flexibilität und lassen sich weitgehend aus der aktuellen Release 15-Spezifikation ableiten. Mit anderen Worten, Designer können dasselbe Radio in Kombination mit mehreren Beamforming-Konfigurationen wiederverwenden. Dies unterscheidet sich nicht von aktuellen Mobilfunksystemen, bei denen kleine Signalsegmente plattformübergreifend üblich sind und das Frontend jedes Anwendungsfalls individueller gestaltet ist.

Wenn wir von der digitalen zur Antenne wechseln, haben wir den Fortschritt der zugrunde liegenden Technologien für die Signalkette kartiert. Natürlich werden sowohl digitale als auch gemischte Signale in dünnen CMOS-Prozessen erzeugt. Je nach Anforderung der Basisstation kann die gesamte Signalkette in CMOS oder eher in einem Technologiemix entwickelt werden, um eine optimale Leistung für die Signalkette zu gewährleisten. Eine gängige Konfiguration ist beispielsweise die Verwendung eines CMOS-Datenkonverters mit leistungsstarker SiGe BiCMOS IF in Millimeterwellen-Konvertierung. Wie gezeigt, kann Beamforming mit einer Vielzahl von Techniken erreicht werden, abhängig von den Systemanforderungen, die wir unten besprechen. Je nach gewählter Antennengröße und Sendeleistungsanforderung kann ein hochintegrierter Siliziumansatz oder eine Kombination aus Silizium Beamforming mit diskreter PA und LNA erreicht werden.

Die Beziehung zwischen Sendeleistung, die für dBm EIRP-Antenne benötigt wird, Antennengröße und Halbleitertechnologie-Auswahl

In der vorangegangenen Arbeit wird der Zusammenhang zwischen Sendeleistung und Technologieauswahl analysiert, der hier nicht vollständig wiederholt wird. Um diese Analyse zusammenzufassen, fügen wir jedoch ein Diagramm in Abbildung 3 ein. Die Wahl der Leistungsverstärkertechnologie basiert auf einer umfassenden Betrachtung der erforderlichen Sendeleistung, Antennengewinn (Anzahl der Elemente) und der HF-Erzeugungskapazität der gewählten Technologie. Das erforderliche EIRP kann mit weniger Antennenelementen erreicht werden, indem entweder die II-V-Technologie (Low Integration Approach) oder ein siliziumbasierter High Integration Ansatz am Frontend verwendet wird. Jeder Ansatz hat seine Vor- und Nachteile, und die tatsächliche Umsetzung hängt von technischen Kompromissen in Bezug auf Größe, Gewicht, Gleichstrom und Kosten ab. Um einen EIRP von 60 dBm für die in Tabelle 1 abgeleiteten Fälle zu generieren, kam die Analyse, die Dr. Thomas Cameron von ADI in seinem Vortrag "Architektur und Technologie für 5G Millimeterwellenfunko" auf der 2018 International Solid-State Circuit Conference durchgeführt hat, zu dem Schluss, dass die optimale Antennengröße zwischen 128 und 256 Elementen liegt, niedrigere Mengen durch GaAs-Leistungsverstärker erreicht werden können, während größere Mengen mit Vollsilizium-Beamforming auf Basis von RF IC-Technologie erreicht werden können.

Sehen wir uns das jetzt aus einem anderen Winkel an. Ein 60 dBm EIRP ist ein häufiges EIRP-Ziel für FWA, aber der Wert kann höher oder niedriger sein, je nach erwarteter Reichweite der Basisstation und Umgebung. Da die Einsatzszenarien stark variieren, sei es in baumbestandenen Gebieten, Straßenschluchten oder weitläufigen Flächen, gibt es erhebliche Pfadverluste, die von Fall zu Fall angegangen werden müssen. Beispielsweise kann bei einem dichten städtischen Einsatz, der als LOS angenommen wird, das EIRP-Ziel bis zu 50 dBm niedrig sein.

Die FCC legt definierte und veröffentlichte Spezifikationen nach Gerätekategorien sowie Übertragungsleistungsgrenzen fest, und hier folgen wir der 3GPP-Terminologie für Basisstationen. Die Kategorie der Geräte begrenzt mehr oder weniger die technischen Möglichkeiten für Leistungsverstärker.

Verschiedene Millimeterwellen-Funkgrößenanpassungstechnologie basierend auf Senderleistung

Obwohl dies keine exakte Wissenschaft ist, können wir sehen, dass mobile Endgeräte (Mobiltelefone) gut für die CMOS-Technologie geeignet sind, wo die erforderliche Sendeleistung mit einer relativ geringen Anzahl von Antennen erreicht werden kann. Diese Art von Funkgerät muss hochintegriert und energieeffizient sein, um die Anforderungen tragbarer Geräte zu erfüllen. Die Anforderungen an lokale Basisstationen (kleine Zellen) und Verbraucherendgeräte (tragbare Stromquellen) sind ähnlich und umfassen eine Reihe von Technologien, von Low-End-CMOS-Sendeleistungsanforderungen bis hin zu High-End-SiGe BiCMOS. Die Mittelklasse-Basisstation ist gut für die SiGe BiCMOS-Technologie geeignet und kann eine kompakte Gesamtgröße erreichen. Im High-End kann für eine weitflächige Basisstation eine Vielzahl von Technologien angewendet werden, je nach Kompromiss zwischen Antennengröße und Technologiekosten. Obwohl SiGe BiCMOS im 60 dBm EIRP Bereich eingesetzt werden kann, eignen sich GaAs oder GaN Endstufen eher für eine höhere Leistung.

Eine Momentaufnahme der aktuellen Technologie, aber die Industrie macht große Fortschritte und die Technologie verbessert sich weiter, und die Verbesserung der DC-Energieeffizienz von MMW-Endstufen ist eine der größten Herausforderungen für Designer.

Mit dem Aufkommen neuer Technologien und PA-Architekturen wird sich die Millimeter-Wave-Communications-Board-Kurve ändern und eine stärker integrierte Struktur für Hochleistungs-Basisstationen bieten. Lassen Sie uns schließlich die oben genannten Punkte überprüfen, um den Beamforming-Abschnitt abzuschließen, da es keine Einheitsgröße für alle gibt und eine Vielzahl von Front-End-Designs erforderlich sein kann, um Anwendungsfälle zu adressieren, die von kleinen Zellen bis zu Makros reichen.