IC-Substrat - Sub-6 GHz massive MIMO-Basisstationen stehen vor Herausforderungen bei Größe und Gewicht durch 5G-Technologie

Die Begrenzung des Einsatzes von Basisstationen und der Standorterfassung erfordert kleinere und leichtere Funkgeräte und Antennen, die für 5G massive MIMO((mMIMO)). Verbesserte Signalverarbeitung, hocheffiziente Geräte, und Integration von diskreten Komponenten zu Frontend-Module (FEM) make it possible to meet these needs.

Die Hochfrequenz- und Mikrowellenindustrie haben beträchtliche Fortschritte bei der Realisierung kommerzieller Sub-6-GHz-5G-drahtloser Infrastruktur gemacht, und Millimeterwellen-drahtlose Kommunikation hat auch Fortschritte gemacht. Die eifrige Aufmerksamkeit früherer Menschen auf 5G hat sich auf die Formulierung von 5G-Industriestandards verlagert, und Komponenten- und Systemhersteller haben verschiedene Anpassungen an der anwendbaren und skalierbaren 5G-Basisstationsarchitektur vorgenommen. Diese Architekturen können für mobile Benutzer, das Internet der Dinge und andere verwendet werden. Die Anwendung bietet einen schnelleren Datendurchsatz und eine höhere Kapazität.

Um die Entwicklung von 4G zu 5G zu erreichen und die Kapazität um das 100-fache zu erhöhen, um unseren wachsenden Datenbedarf zu decken, sind grundlegende Änderungen in der Architektur und dem Design von Mobilfunk-Funkfrequenzsystemen erforderlich. Angesichts höherer Kommunikationsanforderungen, wie Benutzer, Ausrüstung, Automobile, intelligente Zähler, Low-Power-Weitbereichsausrüstungen und andere Maschine-zu-Maschine-Kommunikation, werden 4G-Mobilfunksysteme, die feste Sektorantennensysteme verwenden, dem Problem der unzureichenden Kapazität gegenüberstehen. Wie wir alle wissen, ist es in der höchsten Ebene der Kommunikationstheorie notwendig, das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) oder Signal-Interferenz- und Rauschverhältnis (SINR) zu maximieren, um den drahtlosen Kanal-Durchsatz zu maximieren. Mobilfunknetze mit hoher Dichte sind in der Regel eher durch Interferenzen als durch Rauschen begrenzt, und diese Beschränkung hat die Entwicklung von Hochfrequenzarchitekturen zu Systemen erzwungen, die Interferenzen verwalten. Hier kommt das mMIMO System ins Spiel. Im Vergleich zu 4G-Systemen verfügt mMIMO über mehr Transceiver und Antenneneinheiten, verwendet strahlbildende Signalverarbeitung, um den Benutzern Hochfrequenzenergie zu liefern und steuert Antennenstrahlen dynamisch, indem Azimut- und Höhenwinkel angepasst werden, um sie von Störquellen fernzuhalten und dadurch Störungen zu reduzieren. Durch die Weitergabe von Hochfrequenzenergie an Benutzer und das Halten des Signals weg von Störungen, SINR, Durchsatz und Gesamtsystemkapazität werden alle verbessert.

Challenges of mMIMO
With the realization of 5G antenna arrays and MIMO-Technologie, Mobilfunknetzbetreiber stehen beim Übergang von 4G LTE zu 5G-Basisstationen vor Herausforderungen bei der Bereitstellung. Diese allmähliche Entwicklung dürfte die Entwicklung dieser beiden Technologien in einer langen Zeit bezeugen.. 4G LTE- und 5G-Basisstationen haben ähnliche physikalische Grundrisse und werden wahrscheinlich auf bestehenden Mobilfunkmasten und Dachanlagen montiert werden. Entsprechend der aktuellen Konfiguration, Störungen und Abdeckungslücken werden minimiert.

Da sich 5G-Basisstationen an bestehenden Standorten vermehren, wird der verfügbare Bauraum stark schrumpfen. Beim kontinuierlichen Einsatz von 4G LTE Basisstationen in einigen Bereichen war der Bauraum knapp. Tatsächlich wurden viele Mobilfunkmasten überlastet und erreichten die Grenze ihrer Tragfähigkeit, was sich in den zunehmend chaotischen Türmen in der städtischen Umgebung widerspiegelt.

Abbildung 1 zeigt eine typische Eisenturm-Installation, bestehend aus zwei Lagen Antennen, Funkgeräten, Hochfrequenzkabeln und Feedern. Das Gewicht jedes Sektors beträgt ca. 250kg. Windlast, Eislast und Momentarm sind die Schlüsselfaktoren, die die Überlagerung der Basisstation auf dem Turm beeinflussen. Während der Installation sollte auf die Wiedergewinnungsfähigkeit der Basisstation und die Kontinuität des Betriebs unter ungünstigen Wetterbedingungen geachtet werden.

Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, muss ein kleineres und dichteres Sub-6-GHz-5G-Basisstationsdesign verwendet werden. Gleichzeitig sind Gewicht und Volumen der Basisstation nach wie vor Schlüsselfaktoren, die Systemdesigner berücksichtigen müssen, da Funkbetreiber während der Installation und anschließender Wartung viel Arbeit und Gerätekosten erfordern. Bei der Berechnung der Betriebskosten nur anhand der Größe der Antennenöffnung haben Turmbetreiber grundsätzlich auf ein Preismodell umgestellt, d.h. auf Basis von Basisstationsgewicht, Blendenfläche und Volumen die Kosten berechnet. Die anfänglichen Installationskosten hängen auch vom Standort, Gewicht und Art der Installation ab: Turm oder Dach, einzeln oder doppelt, ob ein Kran verwendet werden soll, usw. Das ursprüngliche 4G-System ist in ein Funkfrontend und eine Antenne unterteilt. Das Funkfrontend befindet sich normalerweise am Boden und die passive Antenne ist auf dem Turm installiert. Bei anderen Geräten befinden sich das Radio und die Antenne auf dem Turm, und die Kosten der beiden sind vergleichbar. Die 5G mMIMO Antenne platziert aktive elektronische Geräte direkt hinter der Antenne auf dem Turm, so dass sie sich in einer integrierten Einheit befinden.

Natürlich sind Größe und Abmessungen von Basisstationen immer die Kernthemen, die Lieferanten von HF-Komponenten, Basisstationsdesigner und Betreiber berücksichtigen müssen. Der Mangel an Türmen und Dacheinrichtungen wird diese Probleme verschärfen. Auf der Straße, um kommerzielle Millimeterwellen-5G-Verbindungen zu erreichen, wird es aufgrund der Frequenz und des gesunden Menschenverstandes der Physik, die einen Abstand von 100 Metern zwischen Basisstationen erfordern, sehr schwierig werden, Standorte zu erwerben. Bei Installation auf Lampenposten, Straßenschildern, Busbahnhofunterständen oder anderen Strukturen muss die Millimeterwellen-Basisstationsausrüstung viel leichter sein als allein installiert, damit sie nicht zu aufdringlich wirkt.

Darüber hinaus wird die Betonung auf effektive omnidirektionale Strahlungsleistung (EIRP) aus allen Lebensbereichen die Herausforderung der Standortgewinnung verschärfen. Obwohl 4G LTE- und Sub-6-GHz-5G-Basisstationen bei der Berechnung des Beamforming-Verstärkungs ähnliche EIRP-Niveaus aufweisen können, erfordern höhere und höhere Frequenzen eine höhere HF-Leistung, um Gebäudedurchdringungsverluste auszugleichen, und verbessern EIRP, um einen ähnlichen Grad an Innenabdeckung zu erreichen. Diffraktionsverlust, Blendeneffizienz und Pfadverlust werden alle durch Frequenz (d.h. 6 bis 12dB pro Oktave) beeinflusst. Gleichzeitig wird aufgrund der Hauttiefe und Leitfähigkeit von beschichtetem Glas, leitfähigem (nassem) Mauerwerk, Ziegelflächen und anderen Materialien der Penetrationsverlust bei höheren Frequenzen stark zunehmen.

Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen legen die Strahlungsgrenze von EIRP (1mW pro Quadratzentimeter) fest und die Ausschlusszone sollte während des Übergangs von 4G LTE zu 5G auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Daher wird die Erhöhung des EIRP-Niveaus natürlich einige Installationsherausforderungen mit sich bringen. Wird die theoretische Maximalleistung genutzt, werden diese mit der Realisierung der mMIMO Beamforming Technologie kombiniert. Anders als die horizontale Ausrichtung herkömmlicher Antennen kann die Strahl-Scanantennenanordnung in mehrere Richtungen ausstrahlen und sogar bis zum Bürgersteig ausstrahlen. Dieses gesundheits- und sicherheitsrelevante Thema wird die Anschaffung von 5G-Basisstationen weiter einschränken und den Druck auf die Auslegung kleinerer und niederer Basisstationen erhöhen – diese Basisstationen müssen flexibel einsetzbar sein und gleichzeitig Sicherheit gewährleisten können.

Reduce size and weight
When optimizing the size and weight of sub-6 GHz base stations, Bemessungsfaktoren müssen berücksichtigt werden. Von Komponenten zu Systemen, Stromverbrauch, Effizienz, und Wärmeableitung sind die wichtigsten.

Die Öffnungsgröße der Antenne hängt vollständig von der Anzahl der Antennenelemente ab, und die Anzahl der Antennenelemente hängt von der erforderlichen Netzwerkkapazität und erwarteten Interferenzen ab. Unabhängig davon, ob das Array 64-, 128- oder 192-Elemente aufweist, wird seine physikalische Größe durch die physikalischen Eigenschaften des Arrays, die Anforderungen an den Abtastwinkel, die Leistung des Gitterkolbens und die Strahlbreite bestimmt. Größe und Höhe der Basisstation – bestimmt durch die darunterliegende Elektronik und Wärmeableitung – können optimiert werden. In dieser Hinsicht sehen wir viel Raum für Verbesserungen.

Im Vergleich zu einem typischen LTE-System ist der entscheidende Faktor, der die Systemgröße beeinflusst, die bei 5G mMIMO oft übersehen wird, der starke Anstieg der Signalverarbeitungs-Hardware. Das mMIMO System kann 192 Antennenelemente an 64 Sende/Receive (TRx) FEMs anschließen. Diese TRx FEMs verfügen über 16-Transceiver-RFICs und 4-Digital Front-Ends (DFE), die den 4-Transceivern in einem typischen LTE 4T MIMO entsprechen. Im Vergleich dazu kann die Leistung der digitalen Signalverarbeitung um das 16-fache verbessert werden (Abbildung 2). Zum Beispiel, wenn die Frequenz von 20 auf 100MHz erhöht wird, erhöht sich die Bandbreite um das 5-fache, und das Vielfache der Signalverarbeitung ist erstaunlich.

Der Stack demonstriert die Funktionen einer typischen mMIMO integrierten Antenne und Funk. Die oberste Schicht enthält Antenneneinheiten, die nächste Schicht enthält Hochfrequenz- und Digitalschaltungen. Obwohl die TRx FEM-, RFIC- und DFE-Schichten getrennte Leiterplatten sind, werden diese drei Funktionen in einer oder zwei dicht gepackten Funktionsschichten kombiniert, um die Verbindung zu minimieren.

Erschütternder als die zusätzliche Hardware im mMIMO-System ist die daraus resultierende Auswirkung auf den Stromverbrauch und die Wärmeableitung. In der Vergangenheit war der Energieverbrauch von Leistungsverstärkern (PA) die wichtigste Überlegung bei der Entwicklung von Basisstationskühlkörpern und Netzteilen. Jetzt nähert sich der Stromverbrauch der Signalverarbeitungselektronik dem Stromverbrauch des Onboard-Leistungsverstärkers und in einigen Fällen hat er sogar den Stromverbrauch des Onboard-Leistungsverstärkers überschritten.

Durch die Optimierung der Signal- und Wellenformanpassungsalgorithmen, die auf das übertragene Signal angewendet werden, kann der signifikante Anstieg der Signalverarbeitungshardware bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden. Traditionelle Signalkonditionierungsalgorithmen, wie Peak Clipping Factor Reduction und Digital Vorverzerrung (DPD), werden hauptsächlich für Makro-Basisstationen mit sehr hohen Leistungsverstärkern entwickelt. Im Vergleich zum Befüllen von mMIMO-Antennen mit Leistungsverstärkern kleinerer Größe und geringerer Leistung erfordern herkömmliche Algorithmen komplexere und schwerere Verarbeitungsaufgaben. Ob für benutzerdefinierte ASIC/SOC oder FPGA, diese Algorithmen können leicht 75% der verfügbaren Signalverarbeitungsressourcen im DFE-Prozessor verbrauchen. Durch die Vereinfachung dieser Algorithmen der 5G mMIMO Architektur und die Neuverteilung von Funktionen in mehrere Logikblöcke verbessern die optimierten Algorithmen in jedem minimierten Block die Signalverarbeitungseffizienz und reduzieren den Gesamtstromverbrauch.

Abbildung 4 ist ein Funktionsblockdiagramm, das die Beziehung zwischen digitaler Signalverarbeitung und Transceiver 16 im mMIMO-System erklärt. Diese Architektur ist ein typisches mMIMO Design, but there are some differences in logical partitioning (such as 8 or 16-channel DFE), oder verwenden Sie diskrete Komponenten anstelle von integriertem FEM. Gemäß Abbildung 4, von links nach rechts, Die 64-Funk- und Transceiverpfade sind in 16-Transceiver-RFICs unterteilt. Diese 16-Transceiver-RFICs werden verwendet, um 4-DFEs anzutreiben, Diese DFEs verarbeiten digitale Daten von 64-Kanälen und verbinden sich mit dem Beamforming-Prozessor und dem Basisband-Schnittstellenprozessor. The advent of RF SOC with direct sampling analog-to-digital converter (ADC) and digital-to-analog converter (DAC) with a conversion rate of approximately 60 GSPS helps to reduce the steps required for analog-to-digital and digital-to-analog conversion in traditional transceiver architectures. Dadurch werden Größe und Gewicht der 5G Antenne reduziert. Durch Verzicht auf Mischer, Wandler und lokale Oszillatoren, die Gesamtkomponentenzahl und -kosten werden reduziert.
Durch die Einführung fortgeschrittener MMIC und MCM-Verpackungstechnologie in FEM Design, Zusätzliche Kühlfunktionen und platzsparende Vorteile können erzielt werden. Abbildung 7 zeigt ein vereinfachtes mMIMO Design, ohne Stromversorgung und Glasfaserschnittstelle. Die Kapselschale verlängert den Kühlkörper bis ins Innere der Schale, um Gussgewicht zu sparen und die thermische Effizienz zu verbessern. TRx Board integriert FEM und RFIC, FEM leitet Wärme durch thermische Durchgänge, und RFIC Wärme wird durch die Abdeckung geleitet. Dadurch kann Wärme in mehrere Richtungen abgeführt werden anstatt unidirektional von FEM und RFIC. Wärme kann von der oberen Abdeckung und dem Boden des Pakets durch die Erddurchgänge und die Bodenplatte abgeleitet werden, das effizienter ist und das Kühlkörperpaket effektiv reduziert. Darüber hinaus, FEM kann Wärme durch thermische Durchgänge und Deckel kanalisieren, um die Wärmeableitungsleistung zu maximieren.