Wandelbare Funkanbindungen für rechenintensive IoT-Anwendungen

Funkanbindungen sind längst ein Teil des täglichen Lebens und finden immer mehr Anwendungen: So verspricht das Internet der Dinge (IoT; Internet of Things), alle Geräte und Einrichtungen miteinander zu vernetzen, und in vielen Fällen sind dafür drahtlose Techniken nötig. Allerdings wandeln sich die Funktechniken und Protokolle viel schneller als versteckt eingebaute Sensoren, Haushaltsgeräte oder andere IoT-Bestandteile. Gefragt sind flexible Ansätze für die Funkanbindung, die sich an die veränderten Gegebenheiten anpassen lassen. Die Mobilfunk-Infrastruktur etwa wächst rasant, da immer mehr Endanwender intelligente und schnellere Mobilgeräte nutzen, die täglich mehr Bandbreite erfordern.

Mixed-Signal-Lösungen für hohe Frequenzen

Früher erforderte das Design einer digitalen Funklösung viel Zeit, Geld und spezielles Know-how. Das Zusammenführen analoger und digitaler Bereiche war schon immer schwierig. Neue Bausteine vereinfachen diese Interaktion, etwa der Funk-Transceiver LMS7002M von Lime Microsystems, der sich ähnlich wie ein FPGA programmieren lässt ist.

Ein FPRF-Transceiver (Field Programmable Radio Frequency) wird wie ein Field Programmable Gate Array (FPGA) vom Hersteller des Endsystems programmiert. Alle Konfigurationselemente wie DSPs, DAC/ADCs, Filter, Mischer, PLLs und Verstärkerstufen des Transceivers lassen sich wie gewünscht auslegen. Während der FPGA eine flexible Programmierung in der Logikdomäne eines Systems ermöglicht, bietet der FPRF eine flexible Programmierung in der HF- und Funk-Domäne.

Bild 1: Das Blockdiagramm des Dual-Transceivers LMS7002M von Lime Microsystems zeigt, dass der Anwender hier alle Komponenten frei kombinieren und programmieren kann.Altera

FPRF-Transceiver

Der LMS7002M ist ein programmierbarer 2×2-MIMO-Digital-zu-Analog-HF-Wandler (MIMO: Multiple Input, Multiple Output), der eine Mittenfrequenz von 50 MHz bis 3,8 GHz mit einer programmierbaren HF-Bandbreite von 0,1 MHz bis 108 MHz abdeckt. Er unterstützt sowohl TD- (Time Division) als auch FD-Betrieb (Frequency Division), ist 3GPP-konform für alle Mobilfunkstandards und unterstützt Wi-Fi. Bild 1 zeigt das Blockdiagramm des Bausteins.

Die Nachfrage nach mehr Systemkapazität, operativer Flexibilität und niedrigeren Kosten sorgt alle 18 Monate für eine Aktualisierung des 3GPP-Funksstandards (Bild 2). Viele der Versionen stellen evolutionäre Entwicklungsschritte dar, aber einige, beispielsweise Release 8, erfordern eine massive Aufrüstung oder Neuausrichtung des Netzwerks.

Bild 2: Seit 1999 wird ungefähr alle 18 Monate eine neue 3GPP-Version veröffentlicht.Altera

Die Netzwerkbetreiber setzen gerade LTE-Advanced (LTE-A) um und planen die zukünftigen Funktionen IoT, M2M-Kommunikation (Machine to Machine) und C-RAN-Architekturen (Centralized Radio Access Network) mit ein. Erweiterte Konzepte wie RAN-Sharing, Software Defined Networking (SDN) und Network Function Virtualization (NFV), die gewöhnliche Standard-Hardware verwenden, werden ebenfalls diskutiert.

Gemeinsam stark

Für den FPRF-Transceiver gibt es zwar eine Vielzahl von Anwendungen, doch gerade die Kombination aus FPGA und FPRF ist besonders interessant, da sie hohe Flexibilität in einem Funksystem bietet. Zu den FPRF+FPGA-Anwendungen zählen Software Defined Radio (SDR), selbstorganisierende Netzwerke (SON), Kleinzellen-Basisstationen und Machine-to-Machine-Anwendungen. Längerfristig sind auch RAN-Sharing, kognitive Funkanlagen und andere neue Funkarchitekturen damit realisierbar.

Bild 3: FPRF- und FPGA-Architektur für SDR, SON und kognitive Funkanlagen.Altera

Bild 3 zeigt ein Beispiel einer Funkarchitektur, die alle Funkstandards unterstützt und von 50 MHz bis 3,8 GHz vollkommen flexibel ist. In den meisten Anwendungen können diese Funkeinheiten mit der richtigen Wahl der HF-Filter auch im Feldeinsatz neu programmiert werden, was dem Betreiber umfassende Flexibilität garantiert.

Im Feld umprogrammiert

Eine Praxisanwendung des Blockdiagramms in Bild 3 ist Interband-Träger-Aggregation, bei der eine FPRF+FPGA-Funkeinheit im Feld umprogrammiert wird, um 20-MHz-LTE zu einem bestehenden 10-MHz-LTE-Träger hinzuzufügen. Die Netzwerkkapazität wird damit verdreifacht, ohne weitere Funkeinheiten hinzuzufügen oder die bestehende Einheit zu verändern.

Dieses Beispiel gilt auch für selbstorganisierende Netzwerke (SON) und kognitive Funkanlagen, da die Funkeinheit Interferenzen erkennen und/oder überwachen und die Frequenz/Bandbreite entsprechend anpassen (umprogrammieren) kann, um die Netzwerk-Performance zu optimieren.

Bild 4: Blade-RF ist eine SDR-Plattform mit dem LMS6002D und einem Altera Cyclone-IV-FPGA.Altera

Als Beispiel für SDR zeigt Bild 4 die Blade-RF-Plattform von Nuand. Sie basiert auf dem LMS6002D und einem Altera Cyclone IV, um eine Open-Source-SDR-Plattform bereitzustellen. Diese lässt sich von 300 MHz bis 3,8 GHz mit einer Modulationsbandbreite von bis zu 28 MHz programmieren. Die Plattform eignet sich durch die Open-Source-Softwareumgebung und die flexible Hardware ideal für die Entwicklung.

Mehrere Netzwerke integrieren

Manche M2M-Lösung erfordert eine Kommunikation über mehrere Netzwerke, zum Beispiel Wi-Fi, 3G, 3GPP und andere Frequenzbänder. Hier kann ein flexibles Funkmodul einen Aggregationsknoten bilden, der mehrere Standards unterstützt und somit eine optimale Gesamtlösung darstellt.

Eine Verwendungsmöglichkeit für FPRF in fortschrittlichen 3GPP-Anwendungen wäre RAN-Sharing. Dieser langjährige 3GPP-Standard wurde bis jetzt noch nicht umgesetzt. Mit jeder neuen 3GPP-Funktion oder -Version muss der Betreiber die vollen Umstellungskosten (3G auf 4G) oder Erweiterungskosten (um LTE-A) selbst tragen. Da die Umsätze pro Nutzer stagnieren, würde RAN-Sharing eine praktische Methode zur Einsparung von Infrastrukturkosten darstellen, da sich mehrere Netzbetreiber eine Infrastruktur teilen.

Gemeinsamer Zugang

Der Standard TS 23.251 bietet zwei Ansätze, sich einen Zugang zu einem Funknetzwerk zu teilen: Multi-Operator Core Network (MOCN) und Gateway Core Network (GWCN). Ein flexibler Hardware-Ansatz mit HF und Logik bietet die beste Lösung für RAN-Sharing, da sich dank der Programmierbarkeit im Feld auch zukünftige Anforderungen abdecken lassen, die heute noch völlig unbekannt sind.

Beispielsweise rüstet Betreiber A ein Netzwerk mit flexiblen HF- und Logik-Plattformen auf, um zusätzliche Kapazität zu erhalten. Ein zweiter Betreiber (B) kann dann RAN-Kapazität vom Betreiber A mieten, um seinen Investitionsaufwand zu mindern. Betreiber A kann so mit dem bestehenden Netzwerk Geld verdienen. Ein gemeinsam genutztes RAN-Netzwerk erlaubt einem Dritten, RAN-Kapazität an Betreiber zu vermieten, um so den Investitionsaufwand zu verringern, der für einen Markteintritt erforderlich ist. Die Nutzer erhalten dadurch mehr Auswahl und Preisvielfalt. Da sich die Kanal- und Bandplanung international und auch in Metro-Area-Netzen unterscheidet, ist es nahezu unmöglich, feste Hardware zu entwickeln, die allen Anforderungen entspricht. Eine programmierbare Plattform ist daher die einzige praktikable Lösung.

Besser skalieren

Das wachsende Mobilfunkaufkommen und die zunehmende Gerätezahl zwingen Netzwerkbetreiber dazu, bessere, skalierbare und kosteneffiziente Basisstationen zu installieren. Um die steigenden Betriebskosten für Netzwerkbetreiber zu senken, lassen sich Funk-Transceiver einsetzen, die im Feld programmierbar sind.

Diese FPRF-Transceiver (Field Programmable Radio Frequency) ähneln einem FPGA (Field Programmable Gate Array). In Kombination ergeben beide Bausteine eine hohe Flexibilität sowohl in der Logik- als auch in der HF-Domäne. Dieser flexible Hardware-Ansatz ermöglicht eine einfachere Herangehensweise an Träger-Aggregation, Software Defined Radio (SDR), selbstorganisierende Netzwerke (SON), Machine-to-Machine-Anwendungen und weitere.

Längerfristig wird FPRF in der Lage sein, RAN-Sharing, kognitive Funkanlagen und andere fortschrittliche Funkarchitekturen zu unterstützen, um die Infrastrukturkosten für die Betreiber weiter zu verringern.

(lei)