Substrat De Boîtier IC - Les stations de base MIMO à grande échelle inférieures à 6 GHz font face aux défis de taille et de poids liés à la technologie 5g

Les contraintes liées au déploiement des stations de base et à l'acquisition de sites nécessitent des équipements radio et des antennes plus petits et plus légers adaptés au MIMO à grande échelle 5G (mmimo). Le traitement du signal amélioré, l'équipement efficace et l'intégration des composants discrets aux modules frontaux (FEM) permettent de répondre à ces besoins.

L'industrie des RF et des micro - ondes a fait des progrès considérables dans la mise en place d'une infrastructure sans fil 5G commerciale inférieure à 6 GHz, tout comme les communications sans fil à ondes millimétriques. Plus tôt, l'accent sur la 5G s'est déplacé vers l'élaboration de normes de l'industrie 5G, avec divers ajustements apportés par les fabricants de composants et de systèmes à une architecture de station de base 5G applicable et évolutive. Ces architectures peuvent être utilisées pour les utilisateurs mobiles, l'Internet des objets et d'autres aspects. L'application offre un débit de données plus rapide et une capacité accrue.

Pour passer de la 4G à la 5G et multiplier par 100 la capacité pour répondre à nos besoins croissants en données, des changements fondamentaux dans l'architecture et la conception des systèmes RF pour les communications cellulaires sont nécessaires. Face à des besoins de communication plus importants tels que les utilisateurs, les appareils, les voitures, les compteurs intelligents, les appareils longue portée à faible consommation d'énergie et d'autres communications de machine à machine, les systèmes cellulaires 4G utilisant des systèmes d'antennes à secteur fixe seront confrontés à des problèmes de capacité insuffisante. Il est bien connu que dans la théorie des communications au plus haut niveau, pour maximiser le débit du canal radio, il est nécessaire de maximiser le rapport signal sur bruit (SNR) ou le rapport signal sur bruit sec (SINR). Les réseaux cellulaires à haute densité sont généralement limités par des interférences plutôt que par du bruit, une limitation qui oblige les architectures radiofréquences à évoluer vers des systèmes de gestion des interférences. C'est là qu'intervient le système mmimo, qui dispose de plus d'émetteurs - récepteurs et d'antennes que les systèmes 4G, qui utilisent le traitement du signal de formation de faisceau pour transmettre de l'énergie RF à l'utilisateur et pour contrôler dynamiquement le faisceau d'antenne en ajustant les angles d'azimut et d'élévation pour l'éloigner de la source d'interférence, réduisant ainsi les interférences. En transmettant de l'énergie RF à l'utilisateur et en éloignant le signal des interférences, le SINR, le débit et la capacité globale du système seront tous améliorés.

Avec la mise en œuvre des réseaux d’antennes 5G et de la technologie MIMO, les opérateurs de réseaux sans fil seront confrontés à des défis de déploiement lors de la transition de la 4G LTE à la station de base 5G. Cette évolution progressive pourrait voir les deux technologies évoluer sur une longue période. Les stations de base 4G LTE et 5G ont une disposition physique similaire et pourraient être assemblées sur des tours cellulaires et des installations de toit existantes. Selon la configuration actuelle, les interférences et les écarts de couverture sont minimisés.

Avec la prolifération des stations de base 5G sur les sites existants, l'espace disponible pour l'installation sera considérablement réduit. Au cours du déploiement continu de stations de base 4G LTE dans certaines régions, l'espace d'installation a été insuffisant. En fait, de nombreuses tours de téléphonie mobile ont été surchargées, atteignant les limites de leur capacité de charge, ce qui se reflète dans les tours de plus en plus chaotiques en milieu urbain.

La figure 1 montre une installation typique de tour de fer comprenant une antenne à deux étages, une radio, des câbles RF et des lignes d'alimentation. Chaque secteur pèse environ 250 kg. La charge de vent, la charge de glace et les bras de force sont des facteurs clés qui influencent la superposition de la station de base sur le pylône. Lors de l'installation, il convient de prêter attention à la résilience de la station de base et à la continuité du service dans des conditions météorologiques défavorables.

Pour relever ces défis, une conception de station de base 5G inférieure à 6 GHz plus petite et plus dense doit être utilisée. Dans le même temps, le poids et le volume de la station de base restent des facteurs clés à prendre en compte par les concepteurs de systèmes, car les opérateurs sans fil nécessitent des coûts de main - d'œuvre et d'équipement importants lors de l'installation et de la maintenance ultérieure. Dans le cas où les coûts d'exploitation étaient calculés uniquement en fonction de la taille de l'ouverture de l'antenne, les opérateurs de tour de fer se sont essentiellement tournés vers un modèle de tarification, c'est - à - dire en utilisant le poids de la station de base, la surface d'ouverture et le volume pour calculer Les coûts. Le coût initial de l'installation dépend également de l'emplacement, du poids et du type d'installation: tour ou toit, monocoque ou double, utilisation ou non d'une grue, etc. le système 4G d'origine est divisé en façade radio et antenne. L'extrémité avant de la radio est généralement au sol et l'antenne passive est montée sur la tour d'antenne. Parmi les autres appareils, la radio et l'antenne sont situées sur la tour, et les deux coûtent assez cher. L'antenne mmimo 5G place l'électronique active sur une tour derrière l'antenne, la plaçant dans une unité intégrée.

Bien sûr, la taille et les dimensions des stations de base sont toujours au cœur des préoccupations des fournisseurs de composants RF, des concepteurs et des opérateurs de stations de base. La pénurie de tours et d'installations de toiture aggravera ces problèmes. Sur les routes qui permettent une connectivité 5G à ondes millimétriques à l'échelle commerciale, l'acquisition de points de présence devient très difficile en raison de la fréquence et du bon sens physique qui exigent une distance de 100 mètres entre les stations de base. Lorsqu'il est installé sur des lampadaires, des panneaux de signalisation, des abribus d'arrêt de bus ou d'autres structures, l'équipement de la station de base à ondes millimétriques doit être beaucoup plus léger que lorsqu'il est installé séparément pour ne pas paraître trop intrusif.

En outre, l'accent mis par tous les secteurs de la vie sur la puissance radiative omnidirectionnelle effective (EIRP) aggravera le défi de la sélection du site. Bien que les stations de base 4G LTE et 5G inférieures à 6 GHz puissent afficher des niveaux d’eirp similaires lors du calcul des gains de formation de faisceaux, les fréquences de plus en plus élevées nécessiteront une puissance RF plus élevée pour compenser les pertes par pénétration dans les bâtiments et augmenter l’eirp pour atteindre un niveau similaire de couverture intérieure. Les pertes de diffraction, l'efficacité d'ouverture et les pertes de trajet sont toutes influencées par la fréquence (c'est - à - dire de 6 à 12 DB par Octave). Dans le même temps, à des fréquences plus élevées, la perte de pénétration augmentera considérablement en raison de la profondeur et de la conductivité cutanées du verre revêtu, de la maçonnerie conductrice (humide), des surfaces de briques et d'autres matériaux.

Les exigences en matière de santé et de sécurité définissent les limites de rayonnement de l’eirp (1 MW par centimètre carré) et la zone d’exclusion doit être maintenue à un niveau acceptable pendant la transition de la 4G LTE à la 5G. Par conséquent, l'augmentation du niveau EIRP pose naturellement des défis d'installation. Ceux - ci seront combinés avec la mise en œuvre de la technologie de formage de faisceaux mmimo si la puissance maximale théorique est utilisée. Contrairement à la direction horizontale d'une antenne conventionnelle, un réseau d'antennes à balayage de faisceau peut rayonner dans plusieurs directions et même vers le bas sur le trottoir. Ce problème lié à la santé et à la sécurité imposera davantage de restrictions à l’accès aux stations de base 5G et augmentera la pression sur la conception de stations de base plus petites et moins puissantes – qui doivent pouvoir être déployées de manière flexible tout en garantissant la sécurité.

Réduction de la taille et du poids les facteurs de conception doivent être pris en compte lors de l'optimisation de la taille et du poids des stations de base inférieures à 6 GHz. De l'assemblage au système, la consommation d'énergie, l'efficacité et la dissipation de chaleur sont les plus importantes.

La taille d'ouverture d'une antenne dépend entièrement du nombre d'éléments d'antenne qui dépendent de la capacité de réseau requise et des interférences attendues. Que la matrice comporte 64, 128 ou 192 éléments, ses dimensions physiques sont déterminées par les caractéristiques physiques de la matrice, les exigences d'angle de balayage, les performances du lobe de réseau et la largeur du faisceau. La taille et la hauteur de la station de base peuvent être déterminées par l'électronique sous - jacente et la dissipation thermique. À cet égard, nous voyons beaucoup de place pour l'amélioration.

Le facteur clé qui affecte la taille souvent négligée du système dans le mmimo 5G est l'augmentation spectaculaire du matériel de traitement du signal par rapport aux systèmes LTE typiques. Le système mmimo peut connecter 192 éléments d'antenne à 64 MEB d'émission / réception (TRX). Ces TRX FEM ont 16 émetteurs - récepteurs RFIC et 4 frontaux numériques (DfE), les mêmes que les 4 émetteurs - récepteurs d'un MIMO 4T LTE typique. En comparaison, les performances de traitement du signal numérique peuvent être jusqu'à 16 fois supérieures (Figure 2). Par exemple, lorsque la fréquence passe de 20 à 100 MHz, la bande passante est multipliée par 5 et les multiples de traitement du signal sont étonnants.

Cette pile démontre les capacités d'une antenne et d'une radio intégrées typiquement mmimo. La couche supérieure contient les unités d'antenne et la couche suivante contient les circuits RF et numériques. Bien que les couches TRX - FEM, RFIC et DfE soient des cartes séparées, ces trois fonctions seront en fait combinées en une ou deux couches fonctionnelles denses pour minimiser les interconnexions.

Peut - être plus choquant que le matériel supplémentaire dans le système mmimo est l'impact ultérieur sur la consommation d'énergie et la dissipation de chaleur. Dans le passé, la consommation d'énergie de l'amplificateur de puissance (PA) était la considération la plus importante lors de la conception du radiateur et de l'alimentation de la station de base. Or, la consommation électrique de l'électronique de traitement du signal se rapproche de celle des amplificateurs de puissance embarqués et, dans certains cas, dépasse même celle des amplificateurs de puissance embarqués.

En optimisant les algorithmes de réglage du signal et de la forme d'onde appliqués aux signaux transmis, il est possible de compenser dans une certaine mesure l'augmentation significative du matériel de traitement du signal. Les algorithmes traditionnels de régulation du signal, tels que la réduction du facteur d'écrêtage et la pré - distorsion numérique (dpd), ont été développés principalement pour les macrostations à amplificateurs de puissance de très haute puissance. Les algorithmes traditionnels nécessitent une charge de travail de traitement plus complexe et plus lourde que le remplissage d'une antenne mmimo avec un amplificateur de puissance de plus petite taille et de plus faible puissance. Que ce soit pour un ASIC / SOC personnalisé ou un FPGA, ces algorithmes peuvent facilement consommer 75% des ressources de traitement du signal disponibles dans un processeur DfE. En simplifiant ces algorithmes pour l'architecture mmimo 5G et en redistribuant les fonctions dans plusieurs blocs logiques, l'algorithme d'optimisation dans chaque bloc minimisé améliorera l'efficacité du traitement du signal et réduira la consommation globale d'énergie.

La figure 4 est un schéma fonctionnel expliquant la relation entre le traitement du signal numérique et l'émetteur - récepteur 16 dans un système mmimo. Cette architecture est typique de la conception mmimo, mais il y a quelques différences dans la partition logique (comme un DfE 8 ou 16 canaux) ou l'utilisation de composants discrets au lieu d'un FEM intégré. Selon la figure 4, de gauche à droite, 64 voies radio et émetteur - récepteur sont divisées en 16 émetteurs - récepteurs RFIC. Ces 16 émetteurs - récepteurs RFIC sont utilisés pour piloter 4 DfE qui traiteront les données numériques de 64 canaux et sont connectés à un processeur de formage de faisceaux et à un processeur d'interface en bande de base. L'émergence d'un soc RF avec un convertisseur analogique - numérique (ADC) à échantillonnage direct et un convertisseur numérique - analogique (DAC) avec un taux de conversion d'environ 60 GSPS a contribué à réduire les étapes nécessaires à la conversion analogique - numérique et numérique - analogique dans les architectures d'émetteurs - récepteurs traditionnelles. La taille et le poids de l'antenne 5G sont ainsi réduits. Le nombre global de composants et le coût ont été réduits en abandonnant l'utilisation de mélangeurs, de convertisseurs et d'oscillateurs locaux. Des fonctions de refroidissement supplémentaires et des avantages d'économie d'espace peuvent être réalisés en adoptant des technologies d'encapsulation MMIC et MCM avancées dans la conception FEM. La figure 7 montre une conception mmimo simplifiée, excluant les interfaces d'alimentation et de fibre optique. Le boîtier encapsulé étend le radiateur à l'intérieur du boîtier pour économiser le poids du moulage et améliorer l'efficacité thermique. La carte TRX intègre FEM et RFIC, FEM conduit la chaleur à travers les Vias thermiques et la chaleur RFIC sera conduite à travers le couvercle. Cela permet à la chaleur d'être dissipée dans plusieurs directions plutôt que dans une seule direction à partir de FEM et RFIC. La chaleur peut être dissipée à partir du couvercle supérieur et du fond du boîtier par les trous de passage de terre et la plaque inférieure, ce qui réduit plus efficacement le boîtier du radiateur. De plus, le FEM peut canaliser la chaleur à travers les perçages thermiques et les couvercles pour maximiser les performances de dissipation thermique.