5G in einer Großstadt, O-RAN

Die Nutzung von Small Cells wird für den Erfolg von 5G entscheidend sein. Um dafür O-RAN-Funkeinheiten zu entwickeln, stehen Designern zahlreiche hochintegrierte Bauelemente zur Verfügung. (Bild: AdobeStock_282075063_SasinParaksa)

Angesichts der Vielzahl von Innen- und Außenstandorten, die von Haushalten über Unternehmensinstallationen bis hin zu kommerziellen Einkaufsbereichen und sogar Stadien reichen, wird die Nutzung von Small Cells für den Erfolg von 5G entscheidend sein.

Aufgrund der großen Anzahl von Small Cells und der Vielfalt der in einem Funknetz erforderlichen Installationen müssen sich diese kostengünstig installieren und betreiben lassen. Auch dies ist eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg der fünften Mobilfunkgeneration 5G.

Systemüberblick

Bild 1 zeigt eine typische Blockschaltung einer 5G Small Cell mit vier Sendern und vier Empfängern (4T4R). Möglich sind viele Kombinationen, darunter 2T2R und eine Reihe Leistungsklassen von 24 dBm und höher. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Geräten der 5G-Technologie, die sich leicht für Band- und Leistungsvarianten innerhalb der O-RAN Radio Unit (O-RU) skalieren lassen.

Bild 1: Typische Blockschaltung einer 5G Small Cell mit vier Sendern und vier Empfängern (4T4R). Möglich sind hier viele Kombinationen , z. B. 2T2R.
Bild 1: Typische Blockschaltung einer 5G Small Cell mit vier Sendern und vier Empfängern (4T4R). Möglich sind hier viele Kombinationen , z. B. 2T2R. (Bild: Analog Devices)

Wichtige Funkelemente

In den letzten zehn Jahren hat sich der integrierte Transceiver zu einer Hochleistungsplattform entwickelt. Ein Beispiel dafür ist die RadioVerse-Familie von Analog Devices. Sie umfasst eine breite Palette von integrierten Transceivern für eine Bandbreite von bis zu 200 MHz und enthält Funktionen wie DPD (Digital Pre-Distortion). Die RadioVerse-Familie eignet sich für 5G-Funkeinheiten und erfüllt weiterhin auch die Anforderungen von LTE und Multicarrier-GSM (MC-GSM).

RadioVerse-Bauteile enthalten alles, was zur Entwicklung eines kompletten Funksystems erforderlich ist, mit Ausnahme des rauscharmen Vorverstärkers (LNA) und der Endstufe (PA). Dazu gehören alle Funktionen für Senden und Empfangen sowie HF-Synthesizer und Taktung. Außerdem enthalten Bauteile die Zustandsmaschine (State Machine) und den Verstärker mit variabler Verstärkung (VGA), die für den Betrieb der automatischen Verstärkungsregelung (AGC) und des Verstärkungsregelungsverstärkers erforderlich sind. Während alle RadioVerse-Bauteile breitbandig bis 6 GHz sind, sind LNAs und PAs nicht breitbandig und müssen nach Band oder Frequenzbereich spezifiziert werden. Bei einem Funkdesign müssen ein geeigneter LNA und PA mit dem jeweiligen RadioVerse-IC zusammenarbeiten.

Beispiel einer Empfänger-Signalkette

Zusammen mit dem zweikanaligen Frontend-Multichip-Modul ADRF5545A und nur wenigen passiven Bauteilen ermöglicht der Vierfach-HF-Transceiver ADRV9029 die Entwicklung eines kompakten und leistungsstarken Empfängers. Ein wesentlicher Vorteil dabei ist der hohe Integrationsgrad und die daraus resultierende geringe Verlustleistung.

Der Small-Cell-Empfänger besteht aus einem Zirkulator (für TDD-Anwendungen), einem zweikanaligen HF-Frontend-Multichip-Modul ADRF5545A, einem SAW/BAW- (Surface Acoustic Wave/Bulk Acoustic Wave) oder Monoblock-Filter, einem Balun und einem Transceiver.

Zusätzliche Verstärker oder Verstärker mit variabler Verstärkung (VGAs) sind aufgrund des guten Rauschverhaltens und des niedrigen 1-dB-Kompressionspunktes (IP1dB) am Eingang des ADRV9029 und anderer Mitglieder der RadioVerse-Familie nicht erforderlich. Mit der Signalkette sind für das gesamte System, von der Antenne bis zum digitalen Ausgang, Rauschwerte von bis zu 2 dB erreichbar.

Das integrierte Eingangsmodul (FEM) geht zu Lasten des Integrationsgrads und erfordert wenige Filter mehr im Antennenfilter. Dennoch repräsentiert das System ein klares Design für viele hochintegrierte Lösungen wie Massive-MIMO- und andere TDD-Anwendungen (Time Division Duplex). Für FDD-Designs (Frequency Division Duplex) verwenden Entwickler normalerweise diskret aufgebaute Frontends.

Bei einem angenommenen Verlust vor dem LNA von etwa 0,5 dB und einem Verlust des Bandfilters von 1 dB sollte gemäß Datenblattangaben für die beiden aktiven Bauteile die nominale Rauschzahl (NF) für die Empfängersignalkette etwa 2 dB betragen. Unter der Annahme eines Signal/Rausch- und Verzerrungsabstands von 0 dB, das zu MCS-4 konform ist, beträgt die Referenzempfindlichkeit etwa -104,3 dBm für einen G-FR1-A1-1-5G-Träger (etwa 5 MHz).

Dies sollte mehr als ausreichend sein, um sogar die in Abschnitt 7.2.2 der Spezifikation 38.104 dargelegten Weitbereichsanforderungen mit Leistungsreserven zu erfüllen, und mehr als genug für ein Local-Area-/Small-Cell-Design, welches -93,7 dBm für diese Bedingung erfordert. In manchen Small-Cell-Anwendungen mit geringer Leistungsfähigkeit kann ein einstufiger LNA wie der GRF2093 mit nachgeschaltetem SAW-Filter zum Einsatz kommen.

Beispiel für die Transmitter-Signalkette

Wenn der ADRV9029 in Verbindung mit einem geeigneten HF-Treiberverstärker oder HF-VGA und einem geeigneten Leistungsverstärker eingesetzt wird, lassen sich kompakte Innen-Picozellen, Außen-Picozellen oder Außen-Mikrozellen leicht aufbauen. Mit nur wenigen passiven Bauteilen sind diese 5G-Systeme zu einem kompakten und effizienten Senderdesign kombinierbar (Bild 2). Der Hauptvorteil dieser Architektur ist der hohe Integrationsgrad, der eine sehr kostengünstige Implementierung ermöglicht. Außerdem wird durch die hohe Integrationsdichte und die Nutzung der integrierten DPD-Funktionen, die auf ausgewählten Transceivern von Analog Devices verfügbar sind, die geringstmögliche Verlustleistung erreicht.

Bild 2: Mit nur wenigen passiven Bauteilen sind 5G-Systeme zu einem kompakten und effizienten Senderdesign kombinierbar. Der Hauptvorteil dieser Architektur ist der hohe Integrationsgrad, der eine sehr kostengünstige Implementierung ermöglicht.
Bild 2: Mit nur wenigen passiven Bauteilen sind 5G-Systeme zu einem kompakten und effizienten Senderdesign kombinierbar. Der Hauptvorteil dieser Architektur ist der hohe Integrationsgrad, der eine sehr kostengünstige Implementierung ermöglicht. (Bild: Analog Devices)

Wie Bild 3 zeigt, besteht die Small-Cell-Sendergruppe aus einem Zirkulator, einer Endstufe (PA), einem Filter und einem Transceiver. Zusätzlich enthält die Schaltung einen Koppler am Ausgang der Endstufe. Dieser wird zur Überwachung der Ausgangsverzerrung (und auch zur Überwachung des Stehwellenverhältnisses, VSWR, der Antenne sowie der Vorwärtsleistung) verwendet und kann zusammen mit der DPD-Funktion zur Verbesserung der Betriebseffizienz der Sendefunktion und zur Verbesserung der Nebenaussendungen eingesetzt werden.

Obwohl eine externe digitale Vorverzerrung (DPD) verwendet werden kann, verfügen ausgewählte Transceiver von Analog Devices über eine voll integrierte DPD-Funktion, die mit einer Leistung von 350 mW oder weniger arbeitet. Dies richtet sich nach dem Ausmaß an Korrektur eines bestimmten Leistungsverstärkers. Leistungsverstärker mit geringerer Leistung erfordern weniger Korrekturen und benötigen daher weniger Energie für die DPD-Funktion.

Bild 3: Die Small-Cell-Sendergruppe besteht aus einem Zirkulator, einer Endstufe (PA), einem Filter und einem Transceiver. Zusätzlich enthält die Schaltung einen Koppler am Ausgang der Endstufe.
Bild 3: Die Small-Cell-Sendergruppe besteht aus einem Zirkulator, einer Endstufe (PA), einem Filter und einem Transceiver. Zusätzlich enthält die Schaltung einen Koppler am Ausgang der Endstufe. (Bild: Analog Devices)

Obwohl eine externe digitale Vorverzerrung (DPD) verwendet werden kann, verfügen ausgewählte Transceiver von Analog Devices über eine voll integrierte DPD-Funktion, die mit einer Leistung von 350 mW oder weniger arbeitet. Dies richtet sich nach dem Ausmaß an Korrektur eines bestimmten Leistungsverstärkers. Leistungsverstärker mit geringerer Leistung erfordern weniger Korrekturen und benötigen daher weniger Energie für die DPD-Funktion.

Darüber hinaus halbiert die integrierte digitale Vorverzerrung die Anzahl der SERDES-Leitungen auf dem externen Basisband-Chip. Dies ergibt sich, weil die SERDES-Leitungen des Beobachtungsempfängers komplett entfallen und die Nutzlast des Senders verringert wird. Denn die Bandbreitenerweiterung für die DPD-Funktion erfolgt vollständig im Transceiver.

Taktbaum

Je nach Konfiguration sind verschiedene Takt-Konfigurationen möglich. Wenn eine präzise Timing-Abstimmung erforderlich ist, ist eine zweistufige Taktsynthese erforderlich. Die erste Stufe benötigt eine Verknüpfung mit dem Basisband mittels ASIC, FPGA oder Controller, um die Funkdigitalisierung zeitlich korrekt abzustimmen und auszurichten. Diese Anwendung erfordert die Verarbeitung der PTP-Informationen (Precision Time Protocol), die über das Fronthaul-Transportnetz oder über einen lokalen GPS-Empfänger bereitgestellt werden. Dies gewährleistet, dass Funksystem und Basisbandprozessor genau wissen, wann Funkblöcke (Radio Frames) zu verarbeiten sind.

Die Mitglieder der Bausteinfamilie AD9545 eignen sich für die genaue Einstellung von Frequenz, Phase und Zeit des Haupttaktes für das Funksystem. Als Vorteil lassen sich die Bauteile so konfigurieren, dass sie vorübergehend ohne Referenz arbeiten und die Genauigkeit im Falle eines fehlerhaften oder intermittierenden Referenztaktes beibehalten, wenn sie mit einem TCXO (temperaturkompensierter Quarzoszillator) oder OCXO (aktiv beheizter Quarzoszillator) gekoppelt sind.

Für Konfigurationen, die keinen genauen Timing-Abgleich erfordern, oder als zweite Stufe von Konfigurationen, bei denen ein genauer Timing-Abgleich nötig ist, ist ein Taktverteilungsbauteil erforderlich. Das Taktverteilungsbauteil hat die Aufgabe, den Bereich der Takte im gesamten Funksystem zu erzeugen.

Dazu gehören die für JESD, eCPRI, Ethernet, SFP und andere Schlüsselsignale im gesamten Funksystem erforderlichen Signale. Der Taktgenerator AD9528 erzeugt Takte mit geringem Jitter mit insgesamt bis zu 14 verschiedenen Taktfrequenzen, einschließlich Unterstützung für JESD204B/JESD204C-Bausteintakt und SYSREF-Signalisierung.

Bild 4 zeigt ein zweistufiges Takt-Blockdiagramm. Für Anwendungen, die keinen genauen Timing-Abgleich erfordern, können Entwickler den AD9545 einsparen oder überbrücken. In diesem Fall wird nur der Taktgenerator AD9528 verwendet.

Bild 4: Beispiel für ein zweistufiges Takt-Blockdiagramm. Für Anwendungen, die keinen genauen Timing-Abgleich erfordern, können Entwickler den AD9545 einsparen oder überbrücken. In diesem Fall wird nur der Taktgenerator AD9528 verwendet.
Bild 4: Beispiel für ein zweistufiges Takt-Blockdiagramm. Für Anwendungen, die keinen genauen Timing-Abgleich erfordern, können Entwickler den AD9545 einsparen oder überbrücken. In diesem Fall wird nur der Taktgenerator AD9528 verwendet. (Bild: Analog Devices)

Welche Bauelemente gibt es für O-RAN-Einheiten?

Für die Entwicklung einer skalierbaren O-RAN-Radio-Unit-Lösung stehen eine Vielzahl von Bauelementen speziell für Kommunikationsanwendungen zur Verfügung. Der Beitrag zeigt die wichtigsten Funkelemente und zeigt beispielhaft, wie Sender- und Empfänger-Signalketten aussehen können. Außerdem wird der Aufbau des Taktbaums erklärt und dort der Einsatz von Mid-Range-FPGAs thematisiert. Die dabei zum Einsatz kommenden hochintegrierten Bauelemente stehen bereit für die Implementierung von Small-Cell-, Macro-Cell-, Microcell- und Massive-MIMO-Anwendungen für 5G.  

Einsatz von Mid-Range-FPGAs

Der Eingangstakt für das System stammt aus dem Basis-Netzwerktiming und wird je nach Architektur von der Basisband- und Netzfunktionalität entweder des Ethernet-Funktionsblocks oder im FPGA zurückgewonnen. Entsprechend der spezifischen Anforderungen des Funksystems sind viele alternative Konfigurationen möglich. Dazu gehören das gewählte FPGA und die implementierten Funktionen, der gewählte Transceiver und die aktivierten Optionen sowie der erforderliche Takt-Baum und die erzeugte HF-Leistung.

Ein typisches Mid-Range-FPGA-SoC, auf dem die O-RAN-CUS- und M-Plane-Verarbeitung sowie die Synchronisierung mit dem IEEE-1588-v2-PTP-Stack implementiert ist, nimmt etwa 15 W auf. Der Transceiver ADRV9029 kommt mit 5 bis 8 W aus, je nach TDD- oder FDD-Konfiguration und aktiviertem digitalen Frontend (DFE). Hinzu kommen die Taktleistung, die Empfangsleistung, die Sendeleistung und sonstige Leistungsaufnahmen.

Insgesamt ergibt sich für das Funksystem bei einer Einschaltdauer von 70:30 für Tx:Rx eine Gesamtverlustleistung von 26 bis 29 W. Die Gesamtverlustleistung ist abhängig von der Konfiguration des Funksystems, ohne die Leistung des Leistungsverstärkers. (na)

Brad Brannon, ADI
Brad Brannon, ADI

Brad Brannon

Systems Engineer bei Analog Devices

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