Tutto sugli ORAN: La guida del progettista di PCB alle reti di accesso radio aperte

Il 2020 è stato l'anno di una pandemia, di un crollo e recupero del mercato azionario, di progressi nel calcolo quantistico e di implementazioni tentennanti del 5G. Tra tutti questi strani eventi storici e avanzamenti tecnologici, i termini tecnici e gli acronimi del mondo delle telecomunicazioni sono diventati sempre più prominenti nel lessico tecnologico. "Open radio access network" è uno dei termini che sta superando lo status di parola d'ordine ed è abilitante per nuove tecnologie attraverso un'architettura aperta di hardware, firmware e software.

Le reti di accesso radio aperte fanno parte della rivoluzione in corso nelle reti radio verso l'interoperabilità. L'idea è quella di creare reti ad accesso aperto senza la necessità di accordi di interoperabilità tra operatori, come abbiamo avuto nell'era del LTE. Questo rappresenta più che un semplice cambiamento nell'architettura software della rete, è un nuovo modo per le piattaforme hardware di interagire con le reti radio, incluse le future specifiche del 5G.

Le Molteplici Architetture OpenRAN

Oggi, gli operatori di telecomunicazioni necessitano di diversità nell'hardware, nei fornitori e nel software necessari per costruire e gestire le loro reti. Le reti di accesso radio aperte, o ORAN, intendono fornire questa diversità garantendo l'interoperabilità tra chipset, software e altro hardware disponibile sul mercato. Questa è sia una sfida hardware che una sfida software/firmware; l'hardware deve soddisfare le prestazioni e i requisiti di test nelle specifiche ORAN, ma c'è anche lo strato applicativo che collega tutto insieme. Ci sono reali benefici nell'utilizzare un'architettura aperta, in particolare la modularità, i costi di ricerca e sviluppo più bassi e la compatibilità con l'hardware disponibile sul mercato.

Sebbene l'obiettivo di base delle reti di accesso radio aperte sia piuttosto semplice, esistono alcune iniziative e acronimi di reti di accesso radio aperte. In particolare, la frase "rete di accesso radio aperta" potrebbe riferirsi a uno dei seguenti acronimi:

• Open RAN, o il suo acronimo ORAN, è un termine generico che può riferirsi a qualsiasi rete di accesso radio aperta.
• O-RAN si riferisce specificamente all'O-RAN Alliance, che rilascia specifiche RAN, software aperto per ORAN e supporta i suoi membri nell'integrazione e nel test delle loro implementazioni.
• OpenRAN si riferisce al Telecom Infra Project, un'iniziativa per definire e costruire soluzioni ORAN a partire dalla 2G in poi, utilizzando hardware indipendente dal fornitore con tecnologia definita dal software.
• OpenRAN 5G NR è un gruppo di progetto del Telecom Infra Project che si concentra specificamente sulla costruzione di ORAN basate sulle tecnologie 5G NR.

L'O-RAN Alliance è forse l'organizzazione più promettente che si muove verso l'interoperabilità 5G. L'organizzazione ha rilasciato specifiche su tutto, dalla prova e integrazione, ai requisiti hardware di tipo white-box e ai requisiti dello stack applicativo. L'organizzazione ha anche rilasciato una serie di progetti di riferimento per chiunque sviluppi attrezzature per stazioni base. Per scaricare gratuitamente le loro specifiche e la letteratura di progetto di riferimento, visita il sito web O-RAN.org. Altre aziende come Keysight e Xilinx stanno sviluppando portafogli di prodotti specificamente mirati ai dispositivi ORAN.

L'industria dei semiconduttori ha fatto un eccellente lavoro assicurando l'interoperabilità generale tra i circuiti integrati attraverso l'implementazione di interfacce digitali standardizzate. Sai che diversi chip di diversi fornitori sono compatibili o possono essere resi compatibili semplicemente abbinando le interfacce tra di loro. L'hardware progettato per l'uso in ORAN mira a raggiungere gli stessi obiettivi, ma ha un livello aggiuntivo di progettazione firmware e software, pur operando all'interno dell'architettura di rete cellulare standard (vedi sotto).

Sfide nella progettazione di PCB per l'hardware ORAN

I sistemi hardware ORAN sono ad alta velocità, ad alta frequenza o entrambi, e costruire questi sistemi richiede la comprensione della progettazione di segnali misti con un occhio di riguardo all'integrità del segnale e dell'alimentazione. Inoltre, questi sistemi devono essere dispiegati sul campo e mantenere un tempo di attività perpetuo, il che significa che la conformità ai requisiti di progettazione robusta (almeno Classe 2) è in gioco.

Alcune delle interfacce ad alta velocità coinvolte in un tipico prodotto ORAN possono includere:

• PCIe: Principalmente per la comunicazione tra processori host e periferiche. I progetti di riferimento da O-RAN citano casi che coinvolgono più corsie in parallelo con trasferimento dati on-board che raggiunge circa 100 GT/s.
• DDR3 e superiori: Ovviamente, questo viene utilizzato per accedere alla memoria on-board. Alcuni progetti di riferimento mostrano velocità a 2667 GHz su DDR4.
• Ethernet: Un'altra interfaccia ovvia che ci si aspetterebbe nei sistemi di stazione base e in altre apparecchiature di fronthaul/backhaul, utilizzata per interfacciarsi con altre apparecchiature di rete, sia su rame che su fibra.
• Canali SerDes ad alta velocità: Il trasferimento di dati seriali tra componenti importanti a elevate velocità di dati è specificato su molteplici interfacce tramite canali SerDes; le apparecchiature che richiedono display ad alta risoluzione connessi (ad esempio, HDMI) sono un esempio.

Dalla lista sopra, dovrebbe essere evidente che i prodotti ORAN possono essere qualcosa di simile a un server edge integrato con segnali potenzialmente ad altissima frequenza in entrata e in uscita dai trasmettitori. Tale architettura è intesa a supportare applicazioni di telecomunicazioni sul dispositivo che richiedono la gestione della rete sul dispositivo, incluse applicazioni di intelligenza artificiale integrata. In assenza di una nuova classe di processore generico, la maggior parte dei progetti di riferimento specifica l'uso di FPGA e CPU x86/ARM come controllori host/periferici.

Infine, c'è la sezione RF di alcuni prodotti ORAN che potrebbe dover interfacciarsi direttamente con il front-end analogico. Qui l'organizzazione della tua scheda diventa critica poiché aspetti come il crosstalk di segnali misti, la pianificazione del percorso di ritorno e la distorsione del segnale analogico diventano critici. In un recente impegno con un cliente, il mio team è stato in grado di superare alcune di queste sfide in un progetto cliente utilizzando il routing di guida d'onda integrato nel substrato, che ha grandi vantaggi di isolamento in un ambiente elettromagneticamente rumoroso.

Un'altra opzione per garantire l'integrità del segnale RF è prendere spunto dai dispositivi 4G/5G e posizionare direttamente sul PCB delle strutture di isolamento stampate. Queste possono essere difficili da progettare, ma lavorare a frequenze 5G richiede quell'isolamento extra per garantire l'integrità del segnale. Per saperne di più su routing e layout quando si lavora a frequenze 5G, ti consiglierei di guardare la presentazione di Mike Creeden al AltiumLive 2019.

Quando nuove tecnologie come le architetture OpenRAN iniziano a dominare il panorama tecnologico, saremo qui per fornirti la guida alla progettazione di cui hai bisogno. Il design schematico, la simulazione e le funzionalità di layout PCB in Altium Designer® possono aiutarti a costruire il tipo di piattaforme hardware aperte richieste dalle reti di accesso radio aperte. L'interfaccia utente di simulazione aggiornata in Altium Designer 21 è fondamentale per costruire e ottimizzare i tuoi sottosistemi nella tua nuova piattaforma hardware.

Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi condividerlo, la piattaforma Altium 365™ rende facile la collaborazione con altri progettisti. Abbiamo appena iniziato a scoprire cosa è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Puoi consultare la pagina del prodotto per una descrizione più dettagliata delle funzionalità o uno dei Webinar On-Demand.