Substrat IC - Stesen dasar MIMO besar Sub-6 GHz menghadapi saiz dan cabaran berat dibawa oleh teknologi 5G

Hadangan penerbangan stesen asas dan pembelian laman memerlukan peralatan radio yang lebih kecil dan ringan dan antena yang sesuai untuk MIMO(mMIMO) besar 5G. Pemprosesan isyarat bertambah, peranti efisiensi tinggi, dan integrasi dari komponen diskret ke modul bahagian depan (FEM) memungkinkan untuk memenuhi keperluan ini.

Industri frekuensi radio dan mikrogelombang telah membuat kemajuan yang besar dalam menyadari infrastruktur komersial sub-6 GHz 5G tanpa wayar, dan komunikasi millimeter-gelombang tanpa wayar juga telah membuat kemajuan. Perhatian penuh semangat kepada 5G telah bergerak ke bentuk standar industri 5G, dan penghasil komponen dan sistem telah membuat pelbagai penyesuaian kepada arsitektur stesen dasar 5G yang boleh ditetapkan dan boleh ditetapkan. Arkitektur ini boleh digunakan untuk pengguna bimbit, Internet benda, dan lain-lain. Aplikasi menyediakan pemindahan data yang lebih cepat dan kapasitas yang lebih tinggi.

Untuk mencapai evolusi dari 4G ke 5G, dan untuk meningkatkan kapasitas dengan 100 kali untuk memenuhi permintaan kita yang berkembang untuk data, perubahan dasar diperlukan dalam arkitektur dan rancangan sistem frekuensi radio komunikasi sel. Menghadapi permintaan komunikasi yang lebih besar, seperti pengguna, peralatan, kereta, meter pintar, peralatan kawasan luas kuasa rendah dan komunikasi mesin-mesin lain, sistem sel 4G menggunakan sistem antena sektor tetap akan menghadapi masalah kapasitas yang tidak cukup. Seperti yang kita semua tahu, dalam tahap tertinggi teori komunikasi, untuk maksimumkan laluan saluran tanpa wayar, perlu maksimumkan nisbah isyarat-hingga-bunyi (SNR) atau nisbah isyarat-hingga-gangguan dan bunyi (SINR). Rangkaian sel densiti tinggi biasanya terbatas oleh gangguan daripada bunyi, dan batasan ini telah memaksa evolusi arkitektur frekuensi radio ke dalam sistem yang mengendalikan gangguan. Di sinilah sistem mMIMO masuk. Dibandingkan dengan sistem 4G, mMIMO mempunyai lebih banyak penerima dan unit antena, menggunakan pemprosesan isyarat bentuk cahaya untuk menyediakan tenaga frekuensi radio kepada pengguna, dan secara dinamik mengawal cahaya antena dengan menyesuaikan sudut azimuth dan tinggi untuk menjauhkannya dari sumber gangguan, dengan itu mengurangkan gangguan yang disebabkan. Dengan menyerahkan tenaga frekuensi radio kepada pengguna dan menjaga isyarat jauh dari gangguan, SINR, throughput, dan keseluruhan kapasitas sistem semua akan diperbaiki.

Challenges of mMIMOWith the realisation of 5G antenna arrays and MIMO technology, wireless network operators will face deployment challenges when transitioning from 4G LTE to 5G base stations. Evolusi perlahan-lahan ini mungkin akan menyaksikan pembangunan dua teknologi ini dalam masa yang lama. Stesen asas 4G LTE dan 5G mempunyai bentangan fizikal yang sama dan mungkin akan dikumpulkan pada menara selular yang ada bersamaan dan fasilitas bumbung. Menurut konfigurasi semasa, gangguan dan ruang penyamaran diminumkan.

Sebagaimana stesen asas 5G berkembang di lokasi yang ada, ruang pemasangan yang tersedia akan berkurang dengan tajam. Dalam penerbangan terus menerus stesen asas 4G LTE di beberapa kawasan, ruang pemasangan telah dalam bekalan pendek. Sebenarnya, banyak menara telefon bimbit telah dimuatkan berlebihan, mencapai had kapasitas bawaan mereka, yang tergambar dalam menara yang semakin kekacauan di persekitaran bandar.

Gambar 1 menunjukkan pemasangan menara besi biasa, termasuk dua lapisan antena, radio, kabel frekuensi radio, dan penyedia. Berat setiap sektor sekitar 250kg. Muatan angin, muatan ais dan lengan saat adalah faktor utama yang mempengaruhi superposisi stesen asas di menara. Semasa pemasangan, perhatian patut diberikan kepada kemampuan pemulihan stesen asas dan kekalahan perkhidmatan dalam keadaan cuaca yang berat.

Untuk memenuhi cabaran ini, desain stesen dasar sub-6 GHz 5G lebih kecil dan tebal mesti digunakan. Pada masa yang sama, berat dan volum stesen asas masih faktor-faktor utama yang perancang sistem perlu mempertimbangkan, kerana operator tanpa wayar memerlukan banyak biaya kerja dan peralatan semasa pemasangan dan penyediaan berikutnya. Dalam kes menghitung biaya operasi hanya berdasarkan saiz terbuka antena, operator menara pada dasarnya telah menukar ke model penghargaan, iaitu, menggunakan berat stesen asas, kawasan terbuka dan volum untuk menghitung biaya. Kost pemasangan awal juga bergantung pada lokasi, berat badan dan jenis pemasangan: menara atau bumbung, tunggal atau ganda, sama ada menggunakan kren, dll. Sistem 4G asal dibahagi ke ujung depan radio dan antena. Bahagian depan radio biasanya ditempatkan di tanah dan antena pasif dipasang di menara. Dalam peranti lain, radio dan antena ditempatkan di menara, dan biaya kedua-duanya sama. Antena mMIMO 5G meletakkan peranti elektronik aktif di menara, segera di belakang antena, sehingga ia ditempatkan dalam unit terintegrasi.

Sudah tentu, saiz dan dimensi stesen asas sentiasa isu utama yang penyedia komponen RF, desainer stesen asas, dan operator perlu mempertimbangkan. Kekurangan menara dan fasilitas bumbung akan memperburuk masalah ini. Dalam perjalanan untuk mencapai sambungan gelombang milimeter komersial 5G, ia akan menjadi sangat sukar untuk mendapatkan lokasi kerana frekuensi dan rasa biasa fizik memerlukan jarak 100 meter antara stesen asas. Apabila dipasang pada pos lampu, tanda jalan, tempat perlindungan stesen bas, atau struktur lain, peralatan stesen asas gelombang milimeter perlu jauh lebih ringan daripada bila dipasang sendirian, supaya ia tidak kelihatan terlalu obtrusive.

Selain itu, tekanan pada kuasa radiasi omnidirektional yang berkesan (EIRP) dari semua jalur kehidupan akan memperburuk cabaran penemuan lokasi. Walaupun stesen asas 4G LTE dan sub-6 GHz 5G mungkin menunjukkan aras EIRP yang sama bila menghitung pendapatan pencahayaan cahaya, frekuensi yang lebih tinggi dan lebih tinggi akan memerlukan kuasa RF yang lebih tinggi untuk membalas kehilangan penetrasi bangunan, dan meningkatkan EIRP untuk mencapai tingkat penyamaran dalaman yang sama. Kehilangan pecahan, efisiensi terbuka dan kehilangan laluan semua dipengaruhi oleh frekuensi (iaitu 6 hingga 12dB per oktave). Pada masa yang sama, disebabkan kedalaman kulit dan konduktiviti kaca tertutup, pemakaian konduktif (basah), permukaan batu bata dan bahan lain, kehilangan penetrasi akan meningkat dengan tajam pada frekuensi yang lebih tinggi.

Keperluan kesehatan dan keselamatan menetapkan had radiasi EIRP (1mW per sentimeter kuasa dua) dan zon pengecualian patut disimpan pada tahap yang diterima semasa penggantian dari 4G LTE ke 5G. Oleh itu, meningkatkan aras EIRP secara alami akan membawa beberapa cabaran pemasangan. Jika kuasa maksimum teori digunakan, ia akan digabung dengan pengetahuan teknologi mMIMO. Berbeza dari orientasi mengufuk antena tradisional, array antena imbas cahaya boleh radiasi dalam beberapa arah, dan bahkan radiasi ke trotoar. isu kesehatan dan keselamatan berkaitan ini akan membawa lebih banyak keterangan pada pembelian stesen asas 5G dan meningkatkan tekanan pada desain stesen asas tenaga yang lebih kecil dan lebih rendah-stesen asas ini mesti boleh dipakai fleksibel sambil memastikan keselamatan.

Kurangkan saiz dan berat Bila optimasi saiz dan berat stesen asas sub-6 GHz, faktor desain mesti dianggap. Dari komponen ke sistem, penggunaan kuasa, efisiensi, dan penyebaran panas adalah yang paling penting.

Saiz terbuka antena sepenuhnya bergantung pada bilangan unsur antena, dan bilangan unsur antena bergantung pada kapasitas rangkaian yang diperlukan dan gangguan yang dijangka. Sama ada tatasusunan mempunyai unsur 64, 128 atau 192, saiz fizikalnya ditentukan oleh ciri-ciri fizikal tatasusunan, keperluan sudut imbas, prestasi lob garis dan lebar cahaya. Saiz dan tinggi stesen asas yang ditentukan oleh elektronik dan penyebaran panas yang didasarkan boleh ditentukan. Dalam hal ini, kita melihat banyak ruang untuk memperbaiki.

Berbanding dengan sistem LTE biasa, faktor kunci yang mempengaruhi saiz sistem yang sering dilupakan dalam mMIMO 5G adalah peningkatan tajam dalam perkakasan pemprosesan isyarat. Sistem mMIMO boleh menyambungkan 192 unsur antena ke 64 penghantaran/menerima (TRx) FEMs. FEM TRx ini mempunyai 16 RFIC penerima dan 4 hujung depan digital (DFE), yang sama dengan 4 penerima dalam MIMO LTE 4T biasa Sebagai perbandingan, prestasi pemprosesan isyarat digital boleh diperbaiki 16 kali (Figure 2). Contohnya, apabila frekuensi meningkat dari 20 kepada 100 MHz, lebar band akan meningkat 5 kali, dan pembilang proses isyarat adalah menakjubkan.

Tumpuan menunjukkan fungsi antena dan radio terintegrasi mMIMO biasa. Lapisan atas mengandungi unit antena, dan lapisan berikutnya mengandungi frekuensi radio dan sirkuit digital. Walaupun lapisan TRx FEM, RFIC dan DFE adalah papan sirkuit terpisah, sebenarnya tiga fungsi ini akan dikombinasikan ke dalam satu atau dua lapisan fungsi yang dikumpulkan secara padat untuk minimumkan sambungan.

Mungkin lebih mengejutkan daripada perkakasan tambahan dalam sistem mMIMO adalah kesan berikutnya pada konsumsi kuasa dan penyebaran panas. Pada masa lalu, penggunaan kuasa pemancar kuasa (PA) adalah pertimbangan yang paling penting ketika merancang pondok panas stesen asas dan bekalan kuasa. Sekarang, penggunaan kuasa elektronik pemprosesan isyarat mendekati penggunaan kuasa penguasa kuasa kapal, dan dalam beberapa kes, ia telah melebihi penggunaan kuasa penguasa kuasa kapal.

Dengan optimizasi algoritma penyesuaian isyarat dan bentuk gelombang yang dilaksanakan pada isyarat yang dihantar, peningkatan yang signifikan dalam perkakasan pemprosesan isyarat boleh ofset ke suatu kadar tertentu. Algoritma pengkondisi isyarat tradisional, seperti pengurangan faktor klip puncak dan predistosi digital (DPD), terutama dikembangkan untuk stesen dasar makro dengan penyampai kuasa yang sangat tinggi. Berbanding dengan mengisi antena mMIMO dengan pemampat kuasa saiz kecil dan kuasa rendah, algoritma tradisional memerlukan muatan kerja pemprosesan yang lebih kompleks dan berat. Sama ada untuk ASIC/SOC atau FPGA suai, algoritma ini boleh dengan mudah mengkonsumsi 75% sumber pemprosesan isyarat yang tersedia dalam pemproses DFE. Dengan mempermudahkan algoritma-algoritma ini bagi arkitektur mMIMO 5G dan mengedarkan semula fungsi ke blok logik berbilang, algoritma yang optimum dalam setiap blok yang diminimikan akan meningkatkan efisiensi pemprosesan isyarat dan mengurangkan konsumsi kuasa keseluruhan.

Figure 4 adalah diagram blok fungsi yang menjelaskan hubungan antara pemprosesan isyarat digital dan penerima 16 dalam sistem mMIMO. Arkitektur ini adalah rancangan mMIMO biasa, tetapi terdapat beberapa perbezaan dalam sekatan logik (seperti DFE 8 atau 16 saluran), atau menggunakan komponen diskret selain FEM terintegrasi. Menurut Figure 4, dari kiri ke kanan, laluan 64 radio dan penerima dibahagi menjadi 16 RFIC penerima. RFIC penerima 16 ini digunakan untuk memandu 4 DFE, dan DFE ini akan memproses data digital dari 64 saluran dan menyambung ke pemproses bentuk cahaya dan pemproses antaramuka band dasar. Penukaran SOC RF dengan penukar analog-ke-digital (ADC) dan penukar digital-ke-analog (DAC) dengan kadar penukaran sekitar 60 GSPS membantu mengurangi langkah yang diperlukan untuk penukaran analog-ke-digital dan digital-ke-analog dalam arkitektur penerima tradisional. Dengan itu mengurangi saiz dan berat antena 5G. Dengan meninggalkan penggunaan penyampur, penyukar dan oscilator setempat, jumlah komponen dan kos keseluruhan dikurangi. Dengan mengadopsi teknologi pakej MMIC dan MCM maju dalam rancangan FEM, fungsi pendinginan tambahan dan keuntungan penyimpanan ruang boleh dicapai. Gambar 7 menunjukkan rancangan mMIMO yang mudah, kecuali bekalan kuasa dan antaramuka serat. Shell encapsulating memperluas sink panas ke dalam shell untuk menyimpan berat lemparan dan meningkatkan efisiensi panas. Papan TRx mengintegrasikan FEM dan RFIC, FEM mengalir panas melalui vias panas, dan panas RFIC akan dilakukan melalui penutup. Ini membenarkan panas untuk disebar dalam arah berbilang daripada secara tidak arah dari FEM dan RFIC. Panas boleh hilang dari penutup atas dan bawah pakej melalui botol tanah dan plat bawah, yang lebih efisien dan mengurangkan pakej sink panas. Selain itu, FEM boleh salur panas melalui botol panas dan tutup untuk maksimumkan prestasi penyebaran panas.