Tudo Sobre ORANs: Um Guia do Projetista de PCB para Redes de Acesso Rádio Abertas

2020 foi o ano de uma pandemia, uma queda e recuperação do mercado de ações, avanços em computação quântica e implementações tentativas de 5G. Entre todos esses eventos estranhos na história e avanços tecnológicos, palavras de ordem e siglas do mundo das telecomunicações se tornaram cada vez mais proeminentes no léxico tecnológico. "Open radio access network" é um dos termos que está transcendendo o status de palavra de ordem e está possibilitando novas tecnologias por meio de uma arquitetura aberta de hardware, firmware e software.

As redes de acesso de rádio abertas fazem parte da revolução em curso nas redes de rádio em direção à interoperabilidade. A ideia é criar redes de acesso aberto sem a necessidade de acordos de interoperabilidade entre operadoras, como tivemos na era do LTE. Isso é mais do que apenas uma mudança na arquitetura de software da rede, é uma nova maneira para as plataformas de hardware interagirem com as redes de rádio, incluindo as futuras especificações 5G.

As Muitas Arquiteturas OpenRAN

Hoje, os operadores de telecomunicações precisam de diversidade no hardware, fornecedores e software necessários para construir e operar suas redes. As redes de acesso de rádio abertas, ou ORANs, pretendem fornecer essa diversidade, garantindo a interoperabilidade entre chipsets, software e outros hardwares disponíveis no mercado. Isso é tanto um desafio de hardware quanto um desafio de software/firmware; o hardware precisa atender aos requisitos de desempenho e teste nas especificações da ORAN, mas também há a camada de aplicativos que liga tudo. Há benefícios reais em usar uma arquitetura aberta, especificamente modularidade, menores custos de P&D e compatibilidade com hardware disponível no mercado.

Embora o objetivo básico das redes de acesso de rádio abertas seja bastante simples, existem algumas iniciativas e acrônimos de rede de acesso de rádio aberto. Em particular, a frase “rede de acesso de rádio aberto” pode referir-se a um dos seguintes acrônimos:

• Open RAN, ou seu acrônimo ORAN, é um termo genérico que pode se referir a qualquer rede de acesso de rádio aberto.
• O-RAN refere-se especificamente à O-RAN Alliance, que lança especificações de RAN, software aberto para ORANs e apoia seus membros na integração e teste de suas implementações.
• OpenRAN refere-se ao Telecom Infra Project, uma iniciativa para definir e construir soluções ORAN de 2G e posteriores a partir de hardware neutro em termos de fornecedor com tecnologia definida por software.
• OpenRAN 5G NR é um grupo de projeto do Telecom Infra Project que se concentra especificamente na construção de ORANs baseadas em tecnologias 5G NR.

A Aliança O-RAN é talvez a organização mais promissora em direção à interoperabilidade 5G. A organização lançou especificações sobre tudo, desde testes e integração até requisitos de hardware white-box e requisitos de pilha de aplicativos. A organização também lançou uma série de designs de referência para qualquer pessoa que esteja desenvolvendo equipamentos de estação base. Para baixar suas especificações e literatura de design de referência gratuitamente, visite o site O-RAN.org. Outras empresas como Keysight e Xilinx estão desenvolvendo portfólios de produtos especificamente voltados para dispositivos ORAN.

A indústria de semicondutores fez um excelente trabalho garantindo a interoperabilidade de uso geral entre ICs por meio da implementação de interfaces digitais padronizadas. Você sabe que diferentes chips de diferentes fornecedores são compatíveis ou podem ser tornados compatíveis simplesmente alinhando as interfaces entre eles. O hardware projetado para uso em ORANs visa alcançar os mesmos objetivos, mas tem um nível adicional de design de firmware e software, enquanto ainda opera dentro da arquitetura de rede celular padrão (veja abaixo).

Desafios de Design de PCB em Hardware ORAN

Os sistemas de hardware ORAN são de alta velocidade, alta frequência, ou ambos, e construir esses sistemas requer um entendimento de design de sinal misto com foco na integridade de sinal e energia. Além disso, esses sistemas precisam ser implantados em campo e manter um tempo de atividade perpétuo, o que significa que a conformidade com requisitos de design robusto (pelo menos Classe 2) está em jogo.

Algumas das interfaces de alta velocidade envolvidas em um produto ORAN típico podem incluir:

• PCIe: Principalmente para comunicação entre processadores host e periféricos. Designs de referência da O-RAN citam casos envolvendo múltiplas faixas em paralelo com transferência de dados a bordo alcançando cerca de 100 GT/s.
• DDR3 e superiores: Obviamente, isso é usado para acessar a memória a bordo. Alguns designs de referência mostram velocidades de 2667 GHz sobre DDR4.
• Ethernet: Outra interface óbvia que você esperaria em sistemas de estação base e outros equipamentos de fronthaul/backhaul, que é usada para interface com outros equipamentos de rede, tanto sobre cobre quanto fibra.
• Canais SerDes de alta velocidade: Transferência de dados seriais entre componentes importantes a altas taxas de dados é especificada em múltiplas interfaces via canais SerDes; equipamentos que requerem displays de alta resolução conectados (por exemplo, HDMI) são um exemplo.

A partir da lista acima, deve ser óbvio que os produtos ORAN podem ser algo próximo de um servidor de borda embutido com sinais de frequência ultra-alta indo e vindo de transceptores. Tal arquitetura é destinada a suportar aplicações de telecomunicações no dispositivo que requerem gerenciamento de rede no dispositivo, incluindo aplicações de IA embutida. Na ausência de uma nova classe de processador de propósito geral, a maioria dos designs de referência especifica o uso de FPGAs e CPUs x86/ARM como controladores de host/periféricos.

Finalmente, há a seção RF de alguns produtos ORAN que podem precisar se interfacear diretamente com a frente analógica. É aqui que a disposição da sua placa se torna crítica, pois aspectos como diafonia de sinal misto, planejamento do caminho de retorno e distorção do sinal analógico se tornam críticos. Em um recente envolvimento com um cliente, minha equipe foi capaz de superar alguns desses desafios em um projeto de cliente usando roteamento de guia de onda integrado ao substrato, o que tem grandes vantagens de isolamento em um ambiente eletromagneticamente ruidoso.

Outra opção para garantir a integridade do sinal RF é seguir o exemplo dos handsets 4G/5G e colocar estruturas de isolamento impressas diretamente na PCB. Elas podem ser difíceis de projetar, mas trabalhar em frequências 5G exige essa isolamento extra para garantir a integridade do sinal. Para aprender mais sobre roteamento e layout ao trabalhar em frequências 5G, eu recomendaria assistir à apresentação de Mike Creeden no AltiumLive de 2019.

Quando novas tecnologias como as arquiteturas OpenRAN começarem a dominar a paisagem tecnológica, estaremos aqui para fornecer a orientação de design de que você precisa. O design esquemático, simulação e recursos de layout de PCB em Altium Designer® podem ajudá-lo a construir os tipos de plataformas de hardware aberto exigidas pelas redes de acesso rádio abertas. A interface de usuário de simulação atualizada no Altium Designer 21 é chave para construir e otimizar seus subsistemas na sua nova plataforma de hardware.

Quando você terminar seu design e quiser compartilhar seu projeto, a plataforma Altium 365 facilita a colaboração com outros designers. Apenas começamos a explorar o que é possível fazer com o Altium Designer no Altium 365. Você pode verificar a página do produto para uma descrição mais detalhada das funcionalidades ou um dos Webinars Sob Demanda.