全てのORANについて：オープンラジオアクセスネットワークへのPCBデザイナーのガイド

2020年は、パンデミック、株式市場の暴落と回復、量子コンピューティングの進歩、そして5Gの試験的な展開があった年でした。これらの歴史上の奇妙な出来事や技術の進歩の中で、テレコム業界の専門用語や頭字語が技術の語彙でより目立つようになりました。「オープンラジオアクセスネットワーク」は、その用語の一つであり、オープンなハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアアーキテクチャを通じて新しい技術を可能にしています。

オープンラジオアクセスネットワークは、相互運用性に向けたラジオネットワークの進化の一環です。このアイデアは、LTEの時代にあったようなキャリア間の相互運用性合意なしに、オープンアクセスネットワークを作ることです。これは、ネットワークのソフトウェアアーキテクチャの変更以上のものであり、将来の5G仕様を含むラジオネットワークとハードウェアプラットフォームが相互作用する新しい方法です。

多くのOpenRANアーキテクチャ

今日、通信事業者は、ネットワークを構築し運用するために必要なハードウェア、ベンダー、およびソフトウェアの多様性を必要としています。オープンラジオアクセスネットワーク、またはORANは、チップセット、ソフトウェア、およびその他の市販のハードウェア間の相互運用性を保証することにより、この多様性を提供することを目指しています。これはハードウェアの課題であり、ソフトウェア/ファームウェアの課題でもあります。ハードウェアはORANの仕様における性能とテスト要件を満たす必要がありますが、すべてをリンクするアプリケーション層もあります。オープンアーキテクチャを使用することには、具体的にはモジュラリティ、研究開発費の削減、市販のハードウェアとの互換性という実際の利点があります。

オープンラジオアクセスネットワークの基本的な目標はかなりシンプルですが、いくつかのオープンラジオアクセスネットワークのイニシアチブと頭字語があります。特に、「オープンラジオアクセスネットワーク」というフレーズは、以下の頭字語のいずれかを指す可能性があります：

• Open RAN、またはその頭字語ORANは、任意のオープンラジオアクセスネットワークを指す一般的な用語です。
• O-RANは、具体的にはO-RAN Allianceを指し、RANの仕様、ORANのためのオープンソフトウェアをリリースし、そのメンバーが実装の統合とテストをサポートします。
• OpenRANは、ベンダーニュートラルなハードウェアとソフトウェア定義技術を用いて2Gおよびそれ以降のORANソリューションを定義・構築するための取り組みであるTelecom Infra Projectを指します。
• OpenRAN 5G NRは、5G NR技術に基づくORANを構築することに特に焦点を当てたTelecom Infra Projectのプロジェクトグループです。

O-RAN Allianceは、5Gの相互運用性に向けて最も有望な組織の一つです。この組織は、テストや統合からホワイトボックスハードウェア要件、アプリケーションスタック要件に至るまで、あらゆることに関する仕様を発表しています。また、基地局機器を開発する人々のために、多数のリファレンスデザインも公開しています。仕様とリファレンスデザインの文献を無料でダウンロードするには、O-RAN.orgのウェブサイトを訪れてください。KeysightやXilinxのような他の企業も、ORANデバイスをターゲットとした製品ポートフォリオを開発しています。

半導体業界は、標準化されたデジタルインターフェースの実装を通じて、IC間の一般的な相互運用性を確保するという優れた仕事をしてきました。異なるベンダーからの異なるチップが互換性があるか、それらの間のインターフェースを合わせることによって互換性を持たせることができることを知っています。ORANで使用されるハードウェアは、同じ目標を達成することを意図していますが、標準的なセルラーネットワークアーキテクチャ内で運用しながら、ファームウェアとソフトウェアの設計という追加のレベルがあります（下記参照）。

ORANハードウェアのPCB設計の課題

ORANハードウェアシステムは、高速または高周波、あるいはその両方であり、これらのシステムを構築するには、信号と電力の整合性に注目しながら、混合信号設計を理解する必要があります。さらに、これらのシステムは現場に展開され、永続的な稼働を維持する必要があるため、少なくともクラス2の頑丈な設計要件の遵守が求められます。

典型的なORAN製品に関わる高速インターフェースには以下のようなものがあります：

• PCIe：主にホストプロセッサと周辺機器間の通信に使用されます。O-RANのリファレンスデザインでは、オンボードデータ転送が約100GT/sに達する複数のレーンを並列に使用するケースが示されています。
• DDR3以上：明らかに、これはオンボードメモリへのアクセスに使用されます。いくつかのリファレンスデザインでは、DDR4上で2667GHzの速度を示しています。
• イーサネット：基地局システムやその他のフロントホール/バックホール機器に期待されるもう一つの明らかなインターフェースで、銅線や光ファイバーを介して他のネットワーク機器と接続するために使用されます。
• 高速SerDesチャネル：重要なコンポーネント間の高速データ転送は、SerDesチャネルを介して複数のインターフェースで指定されており、高解像度ディスプレイ（例えば、HDMI）を接続する必要がある機器が一例です。

上記のリストから明らかなように、ORAN製品は組み込みエッジサーバーに近いものであり、トランシーバーへの超高周波信号の送受信が可能です。このようなアーキテクチャは、組み込みAIアプリケーションを含む、デバイス上のネットワーク管理を必要とするデバイス上のテレコムアプリケーションをサポートすることを意図しています。新しいクラスの汎用プロセッサがない場合、ほとんどのリファレンスデザインは、ホスト/ペリフェラルコントローラとしてFPGAとx86/ARM CPUの使用を指定しています。

最後に、アナログフロントエンドと直接インターフェースする必要があるORAN製品のRFセクションがあります。これは、混合信号のクロストーク、リターンパスの計画、アナログ信号の歪みなどが重要になるため、ボードの配置が重要になる場所です。最近のあるクライアントとの取り組みでは、私のチームは基板統合導波路ルーティングを使用することで、電磁的に騒がしい環境での大きな隔離の利点を持つ、これらの課題のいくつかを克服することができました。

RF信号の整合性を確保する別の方法は、4G/5Gハンドセットからヒントを得て、PCB上に直接印刷された絶縁構造を配置することです。これらの設計は難しい場合がありますが、5G周波数で作業する際には、その追加の絶縁が信号の整合性を確保するために必要です。5G周波数でのルーティングとレイアウトについてもっと学びたい場合は、Mike Creedenの2019年のAltiumLiveプレゼンテーションを視聴することをお勧めします。

OpenRANアーキテクチャのような新しい技術が技術的な風景を支配し始めたとき、私たちはあなたが必要とする設計ガイダンスを提供するためにここにいます。Altium Designer®の回路図設計、シミュレーション、PCBレイアウト機能は、オープンラジオアクセスネットワークに要求されるタイプのオープンハードウェアプラットフォームを構築するのに役立ちます。Altium Designer 21の更新されたシミュレーションUIは、新しいハードウェアプラットフォームでのサブシステムの構築と最適化に不可欠です。

デザインが完成し、プロジェクトを共有したい場合、 Altium 365™プラットフォームを使用すると、他のデザイナーと簡単に協力できます。Altium DesignerをAltium 365で使用して行うことができることの表面をかすめただけです。製品ページでより詳細な機能説明を確認するか、オンデマンドウェビナーのいずれかをご覧ください。