Подложка ИС - крупномасштабная MIMO - базовая станция под 6GHz сталкивается с проблемами объема и веса, связанными с 5G технологией

Ограничения, связанные с развертыванием базовых станций и приобретением площадок, требуют более компактного и легкого радиооборудования и антенн, подходящих для 5G массивный MIMO (mMIMO). Усовершенствованная обработка сигналов, высокоэффективные устройства и интеграция от дискретных компонентов до фронтальных модулей (ФМ) позволяют удовлетворить эти потребности.

Радиочастотная и микроволновая промышленность добилась значительного прогресса в реализации коммерческой инфраструктуры беспроводной связи 5G в диапазоне суб-6 ГГц, а также в области беспроводной связи на миллиметровых волнах. Ранее повышенное внимание людей к 5G переключилось на разработку отраслевых стандартов 5G, а производители компонентов и систем внесли различные коррективы в применимую и масштабируемую архитектуру базовых станций 5G. Эти архитектуры могут использоваться для мобильных пользователей, Интернета вещей и др. При этом обеспечивается более высокая пропускная способность и пропускная способность.

Чтобы осуществить переход от 4G к 5G и увеличить пропускную способность в 100 раз для удовлетворения растущего спроса на данные, необходимы фундаментальные изменения в архитектуре и проектировании радиочастотных систем сотовой связи. Столкнувшись с более высокими требованиями к связи, такими как пользователи, оборудование, автомобили, интеллектуальные счетчики, маломощное широкополосное оборудование и другие межмашинные коммуникации, системы сотовой связи 4G, использующие фиксированные секторные антенные системы, столкнутся с проблемой недостаточной емкости. Как известно, в теории связи на самом высоком уровне, чтобы максимизировать пропускную способность беспроводного канала, необходимо максимизировать отношение сигнал/шум (SNR) или отношение сигнал/помеха и шум (SINR). В сотовых сетях с высокой плотностью населения помехи, как правило, ограничивают пропускную способность, и это ограничение заставило эволюционировать радиочастотные архитектуры в сторону систем, управляющих помехами. Именно здесь на помощь приходит система mMIMO. По сравнению с системами 4G, mMIMO имеет большее количество приемопередатчиков и антенных блоков, использует обработку сигнала с формированием луча для передачи радиочастотной энергии пользователям и динамически управляет лучами антенн, регулируя углы азимута и возвышения, чтобы держать их подальше от источников помех, тем самым снижая уровень создаваемых помех. Благодаря передаче радиочастотной энергии пользователям и удержанию сигнала вдали от помех повышается SINR, пропускная способность и общая емкость системы.

Проблемы mMIMO

С реализацией антенных решеток 5G и технологии MIMO операторы беспроводных сетей столкнутся с проблемами развертывания при переходе от базовых станций 4G LTE к базовым станциям 5G. Эта постепенная эволюция, вероятно, станет свидетелем развития этих двух технологий в течение длительного времени. Базовые станции 4G LTE и 5G имеют схожую физическую компоновку и, скорее всего, будут монтироваться на существующих вышках сотовой связи и крышах зданий. В соответствии с существующей конфигурацией интерференция и разрывы в покрытии сведены к минимуму.

По мере распространения базовых станций 5G на существующих площадках доступное пространство для их установки будет резко сокращаться. При постоянном развертывании базовых станций 4G LTE в некоторых районах места для их установки оказываются в дефиците. Фактически многие вышки сотовой связи оказались перегружены и достигли предела своей пропускной способности, что отражается во все более хаотичном расположении вышек в городской среде.

На рис. 1 показана типичная железная башня, включающая два слоя антенн, радиоприемники, радиочастотные кабели и фидеры. Масса каждого сектора составляет около 250 кг. Ветровая нагрузка, ледовая нагрузка и плечо момента являются основными факторами, влияющими на наложение базовой станции на башню. При установке необходимо обратить внимание на способность базовой станции к восстановлению и непрерывность обслуживания в сложных погодных условиях.

Для решения этих задач необходимо использовать более компактную и плотную конструкцию базовой станции 5G в диапазоне суб-6 ГГц. В то же время масса и объем базовой станции по-прежнему остаются ключевыми факторами, которые необходимо учитывать разработчикам систем, поскольку операторы беспроводной связи требуют больших затрат труда и оборудования при установке и последующем обслуживании. В случае расчета эксплуатационных расходов только на основе размера апертуры антенны операторы вышек в основном перешли на ценовую модель, то есть используют для расчета стоимости вес базовой станции, площадь апертуры и объем. Первоначальная стоимость установки также зависит от места, веса и типа установки: башенная или крышная, одинарная или двойная, необходимо ли использовать кран и т.д. Первоначально система 4G состоит из радиопередатчика и антенны. Радиопередатчик обычно располагается на земле, а пассивная антенна устанавливается на вышке. В других устройствах радио и антенна располагаются на вышке, и стоимость этих двух устройств сопоставима. В антенне 5G mMIMO активные электронные устройства располагаются на вышке, сразу за антенной, таким образом, они находятся в едином блоке.

Разумеется, размеры и габариты базовых станций всегда являются основными вопросами, которые необходимо учитывать поставщикам радиочастотных компонентов, разработчикам базовых станций и операторам. Дефицит башен и крышных установок усугубит эти проблемы. На пути к достижению коммерческого масштаба соединений 5G на миллиметровых волнах станет очень сложно приобретать площадки из-за частоты и здравого физического смысла, требующего расстояния между базовыми станциями в 100 м. При установке на фонарные столбы, уличные знаки, навесы автовокзалов или другие конструкции оборудование базовых станций миллиметровых волн должно быть гораздо легче, чем при самостоятельной установке, чтобы не выглядеть слишком навязчивым.

Согласно требованиям охраны труда и техники безопасности, при переходе от 4G LTE к 5G предельный уровень излучения EIRP (1 мВт на квадратный сантиметр) и зона отчуждения должны поддерживаться на приемлемом уровне. Поэтому увеличение уровня EIRP, естественно, приведет к некоторым проблемам при установке. При использовании теоретически максимальной мощности они будут сочетаться с реализацией технологии формирования луча mMIMO. В отличие от горизонтальной ориентации традиционных антенн, антенная решетка, сканирующая луч, может излучать в нескольких направлениях и даже до тротуара. Эта проблема, связанная со здоровьем и безопасностью, приведет к увеличению ограничений на приобретение базовых станций 5G и усилит давление на разработку базовых станций меньшего размера и меньшей мощности - такие базовые станции должны иметь возможность гибкого развертывания и при этом обеспечивать безопасность.

Уменьшение размеров и веса

При оптимизации размеров и массы базовых станций, работающих на частоте ниже 6 ГГц, необходимо учитывать конструктивные факторы. От компонентов до систем наиболее важными являются энергопотребление, эффективность и теплоотвод.

Размер апертуры антенны полностью зависит от количества антенных элементов, а количество антенных элементов - от требуемой пропускной способности сети и ожидаемых помех. Независимо от того, имеет ли антенная решетка 64, 128 или 192 элемента, ее физические размеры определяются физическими характеристиками решетки, требованиями к углу сканирования, характеристиками лепестка решетки и шириной луча. Размер и высота базовой станции, определяемые базовой электроникой и теплоотводом, могут быть оптимизированы. В этом отношении мы видим большой простор для совершенствования.

По сравнению с типичной системой LTE ключевым фактором, влияющим на размер системы, который часто упускается из виду в 5G mMIMO, является резкое увеличение аппаратных средств обработки сигнала. Система mMIMO позволяет подключить 192 антенных элемента к 64 передающим/приемным (TRx) ФЭМ. Эти TRx FEM имеют 16 приемопередающих RFIC и 4 цифровых фронтальных модуля (DFE), что соответствует 4 приемопередатчикам в типичном LTE 4T MIMO. Для сравнения, производительность цифровой обработки сигнала может быть улучшена в 16 раз (рис. 2). Например, при увеличении частоты с 20 до 100 МГц полоса пропускания увеличится в 5 раз, а кратность обработки сигнала поражает воображение.

Стек демонстрирует функции типичной интегрированной антенны и радиостанции mMIMO. Верхний слой содержит антенные блоки, а следующий - радиочастотные и цифровые схемы. Хотя слои TRx FEM, RFIC и DFE представляют собой отдельные печатные платы, на самом деле эти три функции будут объединены в один или два плотно упакованных функциональных слоя для минимизации межсоединений.

Возможно, более шокирующим, чем дополнительное оборудование в системе mMIMO, является последующее влияние на энергопотребление и тепловыделение. Раньше при проектировании радиаторов и источников питания базовых станций наибольшее внимание уделялось потребляемой мощности усилителя мощности (PA). В настоящее время энергопотребление электроники обработки сигналов приближается к энергопотреблению бортового усилителя мощности, а в некоторых случаях даже превышает его.

Оптимизация алгоритмов настройки сигнала и формы сигнала, применяемых к передаваемому сигналу, позволяет в некоторой степени компенсировать значительное увеличение аппаратных средств обработки сигнала. Традиционные алгоритмы формирования сигнала, такие как снижение пикового коэффициента клиппирования и цифровое предыскажение (DPD), разработаны в основном для макробазовых станций с усилителями мощности очень большой мощности. По сравнению с заполнением антенн mMIMO усилителями мощности меньшего размера и меньшей мощности, традиционные алгоритмы требуют более сложной и тяжелой вычислительной нагрузки. Будь то заказные ASIC/SOC или FPGA, эти алгоритмы могут легко потреблять 75% доступных ресурсов обработки сигнала в процессоре DFE. Упрощение этих алгоритмов в архитектуре 5G mMIMO и перераспределение функций в несколько логических блоков позволит оптимизировать алгоритмы в каждом минимизированном блоке, что повысит эффективность обработки сигналов и снизит общее энергопотребление.

Кроме того, повышенное внимание к эффективной всенаправленной мощности излучения (EIRP) со стороны всех слоев населения усугубит проблему приобретения площадок. Хотя базовые станции 4G LTE и суб-6 ГГц 5G могут показывать схожие уровни EIRP при расчете коэффициента усиления при формировании луча, все более высокие частоты потребуют более высокой РЧ-мощности для компенсации потерь на проникновение в здание и улучшения EIRP для достижения аналогичной степени покрытия внутри помещений. Дифракционные потери, эффективность апертуры и потери в тракте зависят от частоты (т.е. от 6 до 12 дБ на октаву). В то же время из-за глубины проникновения и проводимости стекла с покрытием, проводящей (влажной) кладки, кирпичных поверхностей и других материалов потери на проникновение резко возрастают на более высоких частотах.

Рисунок 4 представляет собой функциональную блок-схему, поясняющую взаимосвязь между цифровой обработкой сигнала и приемопередатчиком 16 в системе mMIMO. Данная архитектура представляет собой типичную схему mMIMO, однако имеются некоторые отличия в логическом разбиении (например, 8- или 16-канальный DFE) или использовании дискретных компонентов вместо интегрированных ФЭМ. Согласно рис. 4, слева направо 64 радиотракта и приемопередатчика разделены на 16 приемопередающих RFIC. Эти 16 приемопередающих RFIC используются для управления 4 DFE, которые обрабатывают цифровые данные с 64 каналов и подключаются к процессору формирования луча и процессору интерфейса базовой полосы. Появление RF SOC с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) с прямой выборкой и скоростью преобразования около 60 GSPS позволяет сократить количество этапов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования в традиционных архитектурах трансиверов. Тем самым уменьшаются габариты и вес антенны 5G. Отказ от использования смесителей, преобразователей и локальных генераторов позволяет снизить общее количество компонентов и их стоимость.

Использование в конструкции МКЭ передовых технологий упаковки MMIC и MCM позволяет добиться дополнительных функций охлаждения и экономии места. На рис. 7 показана упрощенная конструкция mMIMO, исключающая источник питания и оптоволоконный интерфейс. Для экономии массы корпуса и повышения тепловой эффективности теплоотвод вынесен внутрь корпуса. На плате TRx объединены FEM и RFIC, FEM отводит тепло через тепловые каналы, а тепло RFIC будет выводиться наружу через кожух. Это позволяет отводить тепло в нескольких направлениях, а не однонаправленно от МКЭ и RFIC. Тепло может отводиться от верхней крышки и дна корпуса через заземляющие прокладки и нижнюю пластину, что более эффективно и позволяет эффективно уменьшить теплоотводящий пакет. Кроме того, МКЭ может отводить тепло через тепловые проходы и крышки для максимального увеличения эффективности теплоотвода.