Wszystko o ORANach: Przewodnik projektanta PCB po otwartych sieciach dostępu radiowego

2020 był rokiem pandemii, krachu na giełdzie i jej odbicia, postępów w kwantowym przetwarzaniu danych oraz wstępnych wdrożeń 5G. Wśród wszystkich tych dziwnych wydarzeń w historii i postępów w technologii, słowa kluczowe i akronimy ze świata telekomunikacji stały się coraz bardziej widoczne w technologicznym leksykonie. "Otwarta sieć dostępu radiowego" to jeden z terminów, który przekracza status słowa kluczowego i umożliwia rozwój nowych technologii poprzez otwartą architekturę sprzętu, oprogramowania mikroprocesorowego i oprogramowania.

Otwarte sieci dostępu radiowego są częścią trwającej rewolucji w sieciach radiowych w kierunku interoperacyjności. Pomysł polega na tworzeniu otwartych sieci dostępu bez potrzeby umów o interoperacyjności z operatorami, takich jak mieliśmy w erze LTE. To więcej niż tylko zmiana w architekturze oprogramowania sieci, to nowy sposób na interakcję platform sprzętowych z sieciami radiowymi, w tym przyszłymi specyfikacjami 5G.

Wiele architektur OpenRAN

Dzisiaj operatorzy telekomunikacyjni potrzebują różnorodności w sprzęcie, dostawcach i oprogramowaniu wymaganym do budowy i prowadzenia swoich sieci. Otwarte sieci dostępu radiowego, czyli ORANy, mają na celu zapewnienie tej różnorodności poprzez zapewnienie interoperacyjności między chipsetami, oprogramowaniem i innym sprzętem dostępnym na rynku. Jest to wyzwanie zarówno sprzętowe, jak i oprogramowania/firmware; sprzęt musi spełniać wymagania dotyczące wydajności i testowania w specyfikacjach ORAN, ale jest też warstwa aplikacji, która łączy wszystko razem. Istnieją realne korzyści z używania otwartej architektury, w szczególności modularność, niższe koszty badań i rozwoju oraz kompatybilność ze sprzętem dostępnym na rynku.

Chociaż podstawowy cel otwartych sieci dostępu radiowego jest dość prosty, istnieje kilka inicjatyw i akronimów dotyczących otwartych sieci dostępu radiowego. W szczególności fraza „otwarta sieć dostępu radiowego” może odnosić się do jednego z następujących akronimów:

• Otwarty RAN, lub jego akronim ORAN, jest ogólnym terminem, który może odnosić się do dowolnej otwartej sieci dostępu radiowego.
• O-RAN odnosi się konkretnie do Sojuszu O-RAN, który wydaje specyfikacje RAN, otwarte oprogramowanie dla ORANów i wspiera swoich członków w integracji i testowaniu ich implementacji.
• OpenRAN odnosi się do Telecom Infra Project, inicjatywy mającej na celu definiowanie i budowanie rozwiązań ORAN dla 2G i późniejszych wersji, opartych na sprzęcie neutralnym dla dostawców z technologią definiowaną programowo.
• OpenRAN 5G NR to grupa projektowa Telecom Infra Project, która koncentruje się specjalnie na budowaniu ORANów opartych na technologiach 5G NR.

Sojusz O-RAN jest być może najbardziej obiecującą organizacją zmierzającą w kierunku interoperacyjności 5G. Organizacja ta opublikowała specyfikacje dotyczące wszystkiego, od testowania i integracji, po wymagania dotyczące sprzętu typu white-box i wymagania stosu aplikacji. Organizacja wydała również wiele projektów referencyjnych dla każdego, kto rozwija sprzęt stacji bazowej. Aby pobrać ich specyfikacje i literaturę projektową referencyjną za darmo, odwiedź stronę O-RAN.org. Inne firmy, takie jak Keysight i Xilinx, rozwijają portfolio produktów specjalnie ukierunkowane na urządzenia ORAN.

Przemysł półprzewodnikowy wykonał doskonałą pracę, zapewniając ogólną interoperacyjność między układami scalonymi poprzez implementację standaryzowanych interfejsów cyfrowych. Wiesz, że różne chipy od różnych dostawców są kompatybilne lub mogą być dopasowane poprzez dopasowanie interfejsów między nimi. Sprzęt zaprojektowany do użytku w ORANach ma na celu osiągnięcie tych samych celów, ale posiada dodatkowy poziom projektowania firmware i oprogramowania, działając jednocześnie w ramach standardowej architektury sieci komórkowej (patrz poniżej).

Wyzwania projektowe PCB w sprzęcie ORAN

Systemy sprzętowe ORAN charakteryzują się wysoką prędkością, wysoką częstotliwością lub obydwoma tymi cechami, a budowa tych systemów wymaga zrozumienia projektowania sygnałów mieszanych z uwzględnieniem integralności sygnału i zasilania. Ponadto, te systemy muszą być wdrażane w terenie i utrzymywać ciągłą pracę, co oznacza, że konieczne jest spełnienie wymagań dotyczących wytrzymałego projektowania (przynajmniej klasa 2).

Do typowych interfejsów wysokiej prędkości w produkcie ORAN mogą należeć:

• PCIe: Głównie do komunikacji między procesorami hosta a urządzeniami peryferyjnymi. Projekty referencyjne z O-RAN opisują przypadki z wieloma równoległymi torami i transferem danych na pokładzie osiągającym około 100 GT/s.
• DDR3 i wyższe: Oczywiście, jest to używane do dostępu do pamięci na pokładzie. Niektóre projekty referencyjne pokazują prędkości na poziomie 2667 GHz dla DDR4.
• Ethernet: Kolejny oczywisty interfejs, którego można się spodziewać w systemach stacji bazowych i innym sprzęcie fronthaul/backhaul, używany do łączenia z innym sprzętem sieciowym, zarówno przez miedź, jak i światłowód.
• Kanały wysokiej prędkości SerDes: Transfer danych szeregowych między ważnymi komponentami z wysokimi prędkościami danych jest określony przez wiele interfejsów za pośrednictwem kanałów SerDes; sprzęt wymagający połączonych wyświetlaczy o wysokiej rozdzielczości (np. HDMI) to jeden z przykładów.

Z powyższej listy powinno być oczywiste, że produkty ORAN mogą być czymś zbliżonym do wbudowanego serwera krawędziowego z potencjalnie ultrawysokimi sygnałami częstotliwościowymi wysyłanymi do i odbieranymi z nadajników. Taka architektura jest przeznaczona do obsługi aplikacji telekomunikacyjnych na urządzeniu, które wymagają zarządzania siecią na urządzeniu, w tym aplikacji wbudowanej AI. W przypadku braku nowej klasy procesorów ogólnego przeznaczenia, większość projektów referencyjnych określa użycie FPGA i procesorów x86/ARM jako kontrolerów hosta/peryferiów.

Ostatecznie, jest jeszcze sekcja RF niektórych produktów ORAN, która może potrzebować bezpośredniego połączenia z analogowym front-endem. To tutaj układ płyty staje się krytyczny, ponieważ takie kwestie jak mieszane zakłócenia sygnałów, planowanie ścieżki powrotnej i zniekształcenie sygnału analogowego stają się kluczowe. W jednym z ostatnich zleceń klienta, mojemu zespołowi udało się pokonać niektóre z tych wyzwań w projekcie klienta, używając trasowania falowodu zintegrowanego z podłożem, co ma duże zalety izolacyjne w elektromagnetycznie hałaśliwym środowisku.

Inną opcją, aby zapewnić integralność sygnału RF, jest skorzystanie z rozwiązania stosowanego w telefonach 4G/5G i umieszczenie bezpośrednio na PCB wydrukowanych struktur izolacyjnych. Mogą one być trudne do zaprojektowania, ale praca przy częstotliwościach 5G wymaga tej dodatkowej izolacji, aby zapewnić integralność sygnału. Aby dowiedzieć się więcej o trasowaniu i układzie przy pracy z częstotliwościami 5G, polecam obejrzenie prezentacji Mike'a Creeden'a z AltiumLive 2019.

Kiedy nowe technologie, takie jak architektury OpenRAN, zaczną dominować w krajobrazie technologicznym, będziemy tutaj, aby dać Ci potrzebne wskazówki projektowe. Projektowanie schematów, symulacja i funkcje układu PCB w Altium Designer® mogą pomóc Ci zbudować typ otwartych platform sprzętowych, wymaganych przez otwarte sieci dostępu radiowego. Zaktualizowany interfejs użytkownika symulacji w Altium Designer 21 jest kluczowy do budowania i optymalizacji twoich podsystemów w nowej platformie sprzętowej.

Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał podzielić się swoim projektem, platforma Altium 365 ułatwia współpracę z innymi projektantami. To tylko wierzchołek góry lodowej możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jedno z Webinarów na Żądanie.