Alles über ORANs: Ein Leitfaden für PCB-Designer zu offenen Funkzugangsnetzen

2020 war das Jahr einer Pandemie, eines Börsencrashs und einer Erholung, Fortschritte in der Quantencomputertechnologie und vorsichtige 5G-Ausrollungen. Unter all diesen seltsamen Ereignissen in der Geschichte und Fortschritten in der Technologie wurden Schlagwörter und Akronyme aus der Telekommunikationswelt immer prominenter im technologischen Lexikon. „Open Radio Access Network“ ist einer der Begriffe, der den Status eines Schlagwortes übersteigt und durch eine offene Hardware-, Firmware- und Softwarearchitektur neue Technologien ermöglicht.

Offene Funkzugangsnetze sind Teil der laufenden Revolution in Funknetzen hin zur Interoperabilität. Die Idee ist, offene Zugangsnetze zu schaffen, ohne die Notwendigkeit von Interoperabilitätsvereinbarungen zwischen Betreibern, wie wir sie in der Ära von LTE hatten. Dies ist mehr als nur eine Änderung in der Softwarearchitektur des Netzwerks, es ist eine neue Art und Weise, wie Hardwareplattformen mit Funknetzen interagieren, einschließlich zukünftiger 5G-Spezifikationen.

Die vielen OpenRAN-Architekturen

Heute benötigen Telekommunikationsbetreiber Vielfalt in der Hardware, den Anbietern und der Software, die zum Aufbau und Betrieb ihrer Netze erforderlich sind. Offene Funkzugangsnetze, oder ORANs, beabsichtigen, diese Vielfalt zu bieten, indem sie die Interoperabilität zwischen Chipsätzen, Software und anderer Hardware von der Stange sicherstellen. Dies ist sowohl eine Hardware-Herausforderung als auch eine Software-/Firmware-Herausforderung; die Hardware muss die Leistungs- und Testanforderungen in den ORAN-Spezifikationen erfüllen, aber es gibt auch die Anwendungsschicht, die alles zusammenbindet. Die Verwendung einer offenen Architektur bietet echte Vorteile, insbesondere Modularität, niedrigere F&E-Kosten und Kompatibilität mit Hardware von der Stange.

Obwohl das grundlegende Ziel offener Funkzugangsnetze ziemlich einfach ist, gibt es einige Initiativen und Akronyme für offene Funkzugangsnetze. Insbesondere könnte der Ausdruck „offenes Funkzugangsnetz“ auf eines der folgenden Akronyme verweisen:

• Open RAN, oder sein Akronym ORAN, ist ein allgemeiner Begriff, der sich auf jedes offene Funkzugangsnetz beziehen kann.
• O-RAN bezieht sich speziell auf die O-RAN Alliance, die RAN-Spezifikationen, offene Software für ORANs veröffentlicht und ihre Mitglieder bei der Integration und dem Testen ihrer Implementierungen unterstützt.
• OpenRAN bezieht sich auf das Telecom Infra Project, eine Initiative zur Definition und zum Bau von 2G- und späteren ORAN-Lösungen aus herstellerneutraler Hardware mit softwaredefinierter Technologie.
• OpenRAN 5G NR ist eine Projektgruppe des Telecom Infra Project, die sich speziell auf den Bau von ORANs basierend auf 5G NR-Technologien konzentriert.

Die O-RAN Alliance ist vielleicht die vielversprechendste Organisation, die sich auf die Interoperabilität von 5G zubewegt. Die Organisation hat Spezifikationen zu allem veröffentlicht, von Tests und Integration bis hin zu Anforderungen an White-Box-Hardware und Anwendungsstapel. Die Organisation hat auch eine Vielzahl von Referenzdesigns für jeden veröffentlicht, der Basisstationsausrüstung entwickelt. Um ihre Spezifikationen und Referenzdesignliteratur kostenlos herunterzuladen, besuchen Sie die O-RAN.org-Website. Andere Unternehmen wie Keysight und Xilinx entwickeln Produktportfolios, die speziell auf ORAN-Geräte abzielen.

Die Halbleiterindustrie hat hervorragende Arbeit geleistet, um eine allgemeine Interoperabilität zwischen ICs durch die Implementierung von standardisierten digitalen Schnittstellen zu gewährleisten. Sie wissen, dass verschiedene Chips von verschiedenen Anbietern kompatibel sind oder einfach durch Abgleichen der Schnittstellen zwischen ihnen kompatibel gemacht werden können. Für ORANs konzipierte Hardware soll die gleichen Ziele erreichen, verfügt jedoch über eine zusätzliche Ebene der Firmware- und Softwaregestaltung, während sie weiterhin innerhalb der standardmäßigen zellularen Netzwerkarchitektur operiert (siehe unten).

Herausforderungen im PCB-Design bei ORAN-Hardware

ORAN-Hardwaresysteme sind entweder hochgeschwindigkeits-, hochfrequenzfähig oder beides, und der Aufbau dieser Systeme erfordert ein Verständnis für gemischte Signalgestaltung mit Blick auf Signal- und Leistungsintegrität. Darüber hinaus müssen diese Systeme im Feld eingesetzt werden und eine dauerhafte Betriebszeit gewährleisten, was bedeutet, dass die Einhaltung robuster Designanforderungen (mindestens Klasse 2) erforderlich ist.

Einige der Hochgeschwindigkeitsschnittstellen, die in einem typischen ORAN-Produkt enthalten sein können, umfassen:

• PCIe: Hauptsächlich für die Kommunikation zwischen Host-Prozessoren und Peripheriegeräten. Referenzdesigns von O-RAN erwähnen Fälle mit mehreren parallelen Lanes, bei denen die Datenübertragung an Bord etwa 100 GT/s erreicht.
• DDR3 und höher: Offensichtlich wird dies verwendet, um auf den On-Board-Speicher zuzugreifen. Einige Referenzdesigns zeigen Geschwindigkeiten von 2667 GHz über DDR4.
• Ethernet: Eine weitere offensichtliche Schnittstelle, die man in Basisstationsystemen und anderer Fronthaul/Backhaul-Ausrüstung erwarten würde, die zur Verbindung mit anderer Netzwerkausrüstung, sowohl über Kupfer als auch über Glasfaser, verwendet wird.
• Hochgeschwindigkeits-SerDes-Kanäle: Serielle Datenübertragung zwischen wichtigen Komponenten mit hohen Datenraten wird über mehrere Schnittstellen mittels SerDes-Kanälen spezifiziert; Ausrüstung, die angeschlossene hochauflösende Displays benötigt (z.B. HDMI), ist ein Beispiel.

Aus der obigen Liste sollte ersichtlich sein, dass ORAN-Produkte etwas nahe an einem eingebetteten Edge-Server sein können, mit potenziell ultrahohen Frequenzsignalen, die zu und von Transceivern gehen. Eine solche Architektur ist darauf ausgelegt, Telekommunikationsanwendungen auf dem Gerät zu unterstützen, die eine Netzwerkverwaltung auf dem Gerät erfordern, einschließlich eingebetteter KI-Anwendungen. In Ermangelung einer neuen Klasse von universellen Prozessoren spezifizieren die meisten Referenzdesigns die Verwendung von FPGAs und x86/ARM-CPUs als Host-/Peripherie-Controller.

Schließlich gibt es den HF-Abschnitt einiger ORAN-Produkte, der möglicherweise direkt mit dem analogen Front-End verbunden werden muss. Hier wird Ihre Platinenanordnung kritisch, da Dinge wie Mischsignal-Nebensprechen, Rückwegplanung und Verzerrung des analogen Signals kritisch werden. In einem kürzlich durchgeführten Kundenprojekt konnte mein Team einige dieser Herausforderungen überwinden, indem es substratintegrierte Wellenleiterverdrahtung verwendete, die in einer elektromagnetisch lärmenden Umgebung große Isolationsvorteile bietet.

Eine weitere Möglichkeit, die Integrität von HF-Signalen sicherzustellen, besteht darin, sich ein Beispiel an 4G/5G-Handsets zu nehmen und gedruckte Isolationsstrukturen direkt auf der Leiterplatte zu platzieren. Diese können schwierig zu entwerfen sein, aber das Arbeiten bei 5G-Frequenzen erfordert diese zusätzliche Isolation, um die Signalintegrität zu gewährleisten. Um mehr über Routing und Layout bei der Arbeit mit 5G-Frequenzen zu erfahren, würde ich empfehlen, Mike Creedens AltiumLive-Präsentation von 2019 anzusehen.

Wenn neue Technologien wie OpenRAN-Architekturen beginnen, die technologische Landschaft zu dominieren, sind wir hier, um Ihnen die Entwurfsanleitung zu geben, die Sie benötigen. Das Schaltungsdesign, die Simulation und die PCB-Layout-Funktionen in Altium Designer® können Ihnen helfen, die Art von offenen Hardwareplattformen zu bauen, die von offenen Funkzugangsnetzen gefordert werden. Die aktualisierte Simulations-Benutzeroberfläche in Altium Designer 21 ist der Schlüssel zum Aufbau und zur Optimierung Ihrer Untersysteme in Ihrer neuen Hardwareplattform.

Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und Ihr Projekt teilen möchten, erleichtert die Altium 365™ Plattform die Zusammenarbeit mit anderen Designern. Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Beschreibung der Funktionen oder eines der On-Demand Webinare überprüfen.