Tout sur les ORANs : Le guide du concepteur de PCB pour les réseaux d'accès radio ouverts

2020 a été l'année d'une pandémie, d'un krach boursier et de sa reprise, des avancées en informatique quantique, et des déploiements timides de la 5G. Parmi tous ces événements étranges de l'histoire et les avancées technologiques, les mots à la mode et les acronymes du monde des télécommunications sont devenus de plus en plus proéminents dans le lexique technologique. "Réseau d'accès radio ouvert" est l'un des termes qui dépasse le statut de mot à la mode et permet de nouvelles technologies grâce à une architecture ouverte du matériel, du firmware et du logiciel.

Les réseaux d'accès radio ouverts font partie de la révolution en cours dans les réseaux radio vers l'interopérabilité. L'idée est de créer des réseaux à accès ouvert sans la nécessité d'accords d'interopérabilité entre opérateurs, comme nous l'avons eu à l'ère de la LTE. Cela va bien au-delà d'un simple changement dans l'architecture logicielle du réseau, c'est une nouvelle manière pour les plateformes matérielles d'interagir avec les réseaux radio, y compris les futures spécifications de la 5G.

Les nombreuses architectures OpenRAN

Aujourd'hui, les opérateurs de télécommunications ont besoin de diversité dans le matériel, les fournisseurs et le logiciel nécessaires pour construire et gérer leurs réseaux. Les réseaux d'accès radio ouverts, ou ORANs, visent à fournir cette diversité en assurant l'interopérabilité entre les chipsets, le logiciel et autre matériel disponible sur étagère. Cela représente à la fois un défi matériel et un défi logiciel/firmware ; le matériel doit répondre aux exigences de performance et de test des spécifications ORAN, mais il y a aussi la couche d'applications qui relie tout ensemble. Il y a de réels avantages à utiliser une architecture ouverte, spécifiquement la modularité, la réduction des coûts de R&D, et la compatibilité avec le matériel disponible sur étagère.

Bien que l'objectif de base des réseaux d'accès radio ouverts soit plutôt simple, il existe quelques initiatives et acronymes de réseau d'accès radio ouvert. En particulier, l'expression « réseau d'accès radio ouvert » pourrait se référer à l'un des acronymes suivants :

• Open RAN, ou son acronyme ORAN, est un terme générique qui peut se référer à tout réseau d'accès radio ouvert.
• O-RAN se réfère spécifiquement à l'Alliance O-RAN, qui publie des spécifications RAN, du logiciel ouvert pour les ORANs, et soutient ses membres dans l'intégration et le test de leurs implémentations.
• OpenRAN fait référence au Telecom Infra Project, une initiative visant à définir et construire des solutions ORAN à partir de la 2G et ultérieurement, utilisant du matériel indépendant des fournisseurs avec une technologie définie par logiciel.
• OpenRAN 5G NR est un groupe de projet du Telecom Infra Project qui se concentre spécifiquement sur la construction d'ORANs basés sur les technologies 5G NR.

L'Alliance O-RAN est peut-être l'organisation la plus prometteuse avançant vers l'interopérabilité 5G. L'organisation a publié des spécifications sur tout, de l'essai et de l'intégration, aux exigences matérielles de type boîtier blanc et aux exigences de la pile d'applications. L'organisation a également publié une série de conceptions de référence pour quiconque développe des équipements de station de base. Pour télécharger gratuitement leurs spécifications et leur littérature de conception de référence, visitez le site web O-RAN.org. D'autres entreprises comme Keysight et Xilinx développent des portefeuilles de produits ciblant spécifiquement les dispositifs ORAN.

L'industrie des semi-conducteurs a fait un excellent travail pour assurer l'interopérabilité générale entre les CI grâce à la mise en œuvre d'interfaces numériques standardisées. Vous savez que différents puces de différents fournisseurs sont compatibles ou peuvent être rendues compatibles simplement en faisant correspondre les interfaces entre elles. Le matériel conçu pour être utilisé dans les ORANs vise à atteindre les mêmes objectifs, mais il ajoute un niveau supplémentaire de conception de firmware et de logiciel, tout en fonctionnant toujours dans l'architecture réseau cellulaire standard (voir ci-dessous).

Défis de conception de PCB dans le matériel ORAN

Les systèmes matériels ORAN sont soit à haute vitesse, haute fréquence, ou les deux, et construire ces systèmes nécessite de comprendre la conception de signaux mixtes avec un œil sur l'intégrité du signal et de l'alimentation. De plus, ces systèmes doivent être déployés sur le terrain et maintenir une disponibilité permanente, ce qui signifie que la conformité avec les exigences de conception robuste (au moins Classe 2) est en jeu.

Certaines des interfaces à haute vitesse impliquées dans un produit ORAN typique peuvent inclure :

• PCIe : Principalement pour la communication entre les processeurs hôtes et les périphériques. Les conceptions de référence de l'O-RAN citent des cas impliquant plusieurs voies en parallèle avec un transfert de données à bord atteignant environ 100 GT/s.
• DDR3 et supérieur : Évidemment, cela est utilisé pour accéder à la mémoire à bord. Certaines conceptions de référence montrent des vitesses à 2667 GHz sur DDR4.
• Ethernet : Une autre interface évidente que vous attendriez dans les systèmes de stations de base et d'autres équipements de fronthaul/backhaul, qui est utilisée pour interfacer avec d'autres équipements de réseautage, à la fois sur cuivre et fibre.
• Canaux SerDes à haute vitesse : Le transfert de données sérielles entre composants importants à des débits de données élevés est spécifié sur plusieurs interfaces via des canaux SerDes ; les équipements nécessitant des affichages haute résolution connectés (par exemple, HDMI) en sont un exemple.

D'après la liste ci-dessus, il devrait être évident que les produits ORAN peuvent se rapprocher d'un serveur en périphérie intégré avec potentiellement des signaux de très haute fréquence allant et venant des émetteurs-récepteurs. Une telle architecture est destinée à supporter des applications télécom sur l'appareil qui nécessitent une gestion de réseau sur l'appareil, incluant des applications d'intelligence artificielle intégrée. En l'absence d'une nouvelle classe de processeur polyvalent, la plupart des conceptions de référence spécifient l'utilisation de FPGA et de CPU x86/ARM comme contrôleurs hôte/périphérique.

Enfin, il y a la section RF de certains produits ORAN qui peut nécessiter une interface directe avec l'avant-plan analogique. C'est là que l'agencement de votre carte devient critique car des éléments comme le diaphonie des signaux mixtes, la planification du chemin de retour et la distorsion du signal analogique deviennent critiques. Lors d'un récent engagement client, mon équipe a pu surmonter certains de ces défis dans un projet client en utilisant le routage de guide d'onde intégré au substrat, qui présente des avantages majeurs d'isolation dans un environnement électromagnétiquement bruyant.

Une autre option pour garantir l'intégrité du signal RF consiste à prendre exemple sur les téléphones 4G/5G et à placer directement sur le PCB des structures d'isolation imprimées. Cela peut être difficile à concevoir, mais travailler à des fréquences 5G nécessite cette isolation supplémentaire pour garantir l'intégrité du signal. Pour en savoir plus sur le routage et la disposition lors du travail à des fréquences 5G, je recommanderais de regarder la présentation d'AltiumLive 2019 de Mike Creeden.

Lorsque de nouvelles technologies comme les architectures OpenRAN commencent à dominer le paysage technologique, nous serons là pour vous fournir les conseils de conception dont vous avez besoin. La conception schématique, la simulation et les fonctionnalités de disposition de PCB dans Altium Designer® peuvent vous aider à construire le type de plateformes matérielles ouvertes exigées par les réseaux d'accès radio ouverts. L'interface utilisateur de simulation mise à jour dans Altium Designer 21 est clé pour construire et optimiser vos sous-systèmes dans votre nouvelle plateforme matérielle.

Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez partager votre projet, la plateforme Altium 365 facilite la collaboration avec d'autres concepteurs. Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce qu'il est possible de faire avec Altium Designer sur Altium 365. Vous pouvez consulter la page du produit pour une description plus détaillée des fonctionnalités ou l'un des Webinaires à la Demande.