Todo sobre ORANs: Guía de un diseñador de PCBs para Redes de Acceso Radio Abierto

El 2020 fue el año de una pandemia, una caída y recuperación del mercado de valores, avances en la computación cuántica y despliegues tentativos de 5G. Entre todos estos extraños eventos en la historia y avances en tecnología, las palabras de moda y acrónimos del mundo de las telecomunicaciones se volvieron cada vez más prominentes en el léxico tecnológico. "Red de acceso de radio abierta" es uno de los términos que está trascendiendo el estatus de palabra de moda y está habilitando nuevas tecnologías a través de una arquitectura abierta de hardware, firmware y software.

Las redes de acceso de radio abiertas son parte de la revolución en curso en las redes de radio hacia la interoperabilidad. La idea es crear redes de acceso abierto sin la necesidad de acuerdos de interoperabilidad entre operadores, como los que hemos tenido en la era del LTE. Esto es más que solo un cambio en la arquitectura de software de la red, es una nueva forma para que las plataformas de hardware interactúen con las redes de radio, incluidas las futuras especificaciones de 5G.

Las Muchas Arquitecturas OpenRAN

Hoy en día, los operadores de telecomunicaciones necesitan diversidad en el hardware, los proveedores y el software requerido para construir y operar sus redes. Las redes de acceso radio abierto, o ORANs, pretenden proporcionar esta diversidad asegurando la interoperabilidad entre chipsets, software y otro hardware de venta libre. Esto representa tanto un desafío de hardware como de software/firmware; el hardware necesita cumplir con los requisitos de rendimiento y pruebas en las especificaciones de ORAN, pero también está la capa de aplicaciones que enlaza todo. Hay beneficios reales al usar una arquitectura abierta, específicamente la modularidad, menores costos de I+D y compatibilidad con hardware de venta libre.

Aunque el objetivo básico de las redes de acceso radio abierto es bastante simple, hay algunas iniciativas y acrónimos de redes de acceso radio abierto. En particular, la frase "red de acceso radio abierto" podría referirse a uno de los siguientes acrónimos:

• Open RAN, o su acrónimo ORAN, es un término genérico que puede referirse a cualquier red de acceso radio abierto.
• O-RAN se refiere específicamente a la Alianza O-RAN, que publica especificaciones RAN, software abierto para ORANs y apoya a sus miembros en la integración y prueba de sus implementaciones.
• OpenRAN se refiere al Telecom Infra Project, una iniciativa para definir y construir soluciones ORAN de 2G y posteriores a partir de hardware neutral de proveedor con tecnología definida por software.
• OpenRAN 5G NR es un grupo de proyectos del Telecom Infra Project que se enfoca específicamente en construir ORANs basadas en tecnologías 5G NR.

La Alianza O-RAN es quizás la organización más prometedora que avanza hacia la interoperabilidad 5G. La organización ha publicado especificaciones sobre todo, desde pruebas e integración, hasta requisitos de hardware de caja blanca y requisitos de pila de aplicaciones. La organización también ha lanzado una serie de diseños de referencia para cualquiera que desarrolle equipos de estaciones base. Para descargar sus especificaciones y literatura de diseño de referencia de forma gratuita, visite el sitio web O-RAN.org. Otras compañías como Keysight y Xilinx están desarrollando carteras de productos específicamente dirigidas a dispositivos ORAN.

La industria de semiconductores ha hecho un excelente trabajo asegurando la interoperabilidad de propósito general entre los ICs mediante la implementación de interfaces digitales estandarizadas. Sabes que diferentes chips de diferentes proveedores son compatibles o pueden hacerse compatibles simplemente alineando interfaces entre ellos. El hardware diseñado para usarse en ORANs tiene como objetivo alcanzar los mismos objetivos, pero tiene un nivel adicional de diseño de firmware y software, mientras sigue operando dentro de la arquitectura de red celular estándar (ver abajo).

Desafíos de Diseño de PCB en Hardware ORAN

Los sistemas de hardware ORAN son de alta velocidad, alta frecuencia, o ambos, y construir estos sistemas requiere entender el diseño de señales mixtas con un enfoque hacia la integridad de señal y potencia. Además, estos sistemas necesitan ser desplegados en el campo y mantener un tiempo de actividad perpetuo, lo que significa que el cumplimiento con los requisitos de diseño robusto (al menos Clase 2) está en juego.

Algunas de las interfaces de alta velocidad involucradas en un producto ORAN típico pueden incluir:

• PCIe: Principalmente para la comunicación entre procesadores anfitriones y periféricos. Los diseños de referencia de O-RAN citan casos que involucran múltiples carriles en paralelo con transferencia de datos en placa alcanzando unos 100 GT/s.
• DDR3 y superior: Obviamente, esto se utiliza para acceder a la memoria a bordo. Algunos diseños de referencia muestran velocidades de 2667 GHz sobre DDR4.
• Ethernet: Otra interfaz obvia que esperarías en sistemas de estaciones base y otro equipo de fronthaul/backhaul, que se utiliza para interfaz con otro equipo de red, tanto sobre cobre como fibra.
• Canales SerDes de alta velocidad: La transferencia de datos seriales entre componentes importantes a altas tasas de datos se especifica a través de múltiples interfaces vía canales SerDes; el equipo que requiere pantallas de alta resolución conectadas (por ejemplo, HDMI) es un ejemplo.

De la lista anterior, debería ser obvio que los productos ORAN pueden ser algo parecido a un servidor periférico integrado con señales de ultra alta frecuencia que van y vienen de los transceptores. Tal arquitectura está destinada a soportar aplicaciones de telecomunicaciones en el dispositivo que requieren gestión de red en el dispositivo, incluyendo aplicaciones de IA integrada. En ausencia de una nueva clase de procesador de propósito general, la mayoría de los diseños de referencia especifican el uso de FPGAs y CPUs x86/ARM como controladores de host/periféricos.

Finalmente, está la sección RF de algunos productos ORAN que puede necesitar interfaz directamente con el frente analógico. Aquí es donde la disposición de tu placa se vuelve crítica ya que aspectos como el diafonía de señal mixta, la planificación del camino de retorno y la distorsión de la señal analógica se vuelven críticos. En un compromiso reciente con un cliente, mi equipo fue capaz de superar algunos de estos desafíos en un proyecto de cliente usando enrutamiento de guía de onda integrado en sustrato, lo cual tiene grandes ventajas de aislamiento en un ambiente electromagnéticamente ruidoso.

Otra opción para asegurar la integridad de la señal RF es tomar ejemplo de los teléfonos 4G/5G y colocar estructuras de aislamiento impresas directamente en el PCB. Estas pueden ser difíciles de diseñar, pero trabajar a frecuencias 5G requiere esa aislación extra para asegurar la integridad de la señal. Para aprender más sobre el enrutamiento y la disposición al trabajar a frecuencias 5G, recomendaría ver la presentación de Mike Creeden en AltiumLive 2019.

Cuando nuevas tecnologías como las arquitecturas OpenRAN comiencen a dominar el paisaje tecnológico, estaremos aquí para brindarte la orientación de diseño que necesitas. El diseño esquemático, la simulación y las características de diseño de PCB en Altium Designer® pueden ayudarte a construir el tipo de plataformas de hardware abiertas que demandan las redes de acceso radio abiertas. La interfaz de usuario de simulación actualizada en Altium Designer 21 es clave para construir y optimizar tus subsistemas en tu nueva plataforma de hardware.

Cuando hayas terminado tu diseño y quieras compartir tu proyecto, la plataforma Altium 365 facilita la colaboración con otros diseñadores. Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puedes consultar la página del producto para obtener una descripción más detallada de las características o uno de los Seminarios Web Bajo Demanda.