Все об ORAN: Руководство дизайнера печатных плат по открытым радиодоступным сетям

2020 год стал годом пандемии, краха и восстановления фондового рынка, прогресса в области квантовых вычислений и осторожного внедрения 5G. Среди всех этих необычных событий в истории и прогресса в технологиях, термины и аббревиатуры из мира телекоммуникаций становились всё более заметными в технологическом лексиконе. "Открытая радиодоступная сеть" - один из терминов, который выходит за рамки статуса модного слова и позволяет внедрять новые технологии через открытую архитектуру аппаратного обеспечения, прошивки и программного обеспечения.

Открытые радиодоступные сети являются частью продолжающейся революции в радиосетях в сторону взаимодействия. Идея заключается в создании открытых сетей доступа без необходимости соглашений о взаимодействии операторов, как это было в эпоху LTE. Это не просто изменение архитектуры программного обеспечения сети, это новый способ взаимодействия аппаратных платформ с радиосетями, включая будущие спецификации 5G.

Многочисленные архитектуры OpenRAN

Сегодня операторам телекоммуникаций необходимо разнообразие в оборудовании, поставщиках и программном обеспечении, необходимых для построения и управления их сетями. Открытые радиодоступные сети, или ORAN, предназначены для обеспечения этого разнообразия за счет обеспечения взаимодействия между чипсетами, программным обеспечением и другим готовым оборудованием. Это вызов как для аппаратного, так и для программного/прошивочного обеспечения; аппаратное обеспечение должно соответствовать требованиям к производительности и тестированию в спецификациях ORAN, но также есть прикладной уровень, который связывает все вместе. Использование открытой архитектуры имеет реальные преимущества, в частности модульность, снижение затрат на исследования и разработку, а также совместимость с готовым оборудованием.

Хотя основная цель открытых радиодоступных сетей довольно проста, существует несколько инициатив и аббревиатур открытых радиодоступных сетей. В частности, фраза «открытая радиодоступная сеть» может относиться к одной из следующих аббревиатур:

• Open RAN, или его аббревиатура ORAN, является общим термином, который может относиться к любой открытой радиодоступной сети.
• O-RAN относится конкретно к Альянсу O-RAN, который выпускает спецификации RAN, открытое программное обеспечение для ORAN и поддерживает своих членов в интеграции и тестировании их реализаций.
• OpenRAN относится к проекту Telecom Infra, инициативе по определению и созданию решений ORAN для 2G и более поздних версий на основе аппаратного обеспечения, не зависящего от производителя, с использованием технологий, определяемых программно.
• OpenRAN 5G NR является проектной группой проекта Telecom Infra, которая специально сосредоточена на создании ORAN на основе технологий 5G NR.

Альянс O-RAN, возможно, является наиболее многообещающей организацией, движущейся к взаимодействию 5G. Организация выпустила спецификации по всему, начиная от тестирования и интеграции, до требований к аппаратному обеспечению типа "white-box" и требований к стеку приложений. Организация также выпустила множество эталонных проектов для всех, кто разрабатывает оборудование базовых станций. Чтобы бесплатно скачать их спецификации и литературу по эталонным проектам, посетите веб-сайт O-RAN.org. Другие компании, такие как Keysight и Xilinx, разрабатывают портфолио продуктов, специально нацеленных на устройства ORAN.

Полупроводниковая промышленность отлично справилась с обеспечением универсальной совместимости между ИС за счет реализации стандартизированных цифровых интерфейсов. Вы знаете, что разные чипы от разных производителей совместимы или могут быть сделаны совместимыми просто путем согласования интерфейсов между ними. Аппаратное обеспечение, предназначенное для использования в ORAN, призвано достичь тех же целей, но имеет дополнительный уровень проектирования прошивки и программного обеспечения, при этом по-прежнему работая в рамках стандартной архитектуры сотовой сети (см. ниже).

Проблемы проектирования печатных плат в оборудовании ORAN

Системы оборудования ORAN либо работают на высоких скоростях, либо на высоких частотах, либо на обоих, и создание таких систем требует понимания смешанного сигнального проектирования с учетом целостности сигнала и питания. Кроме того, эти системы должны быть развернуты в полевых условиях и обеспечивать постоянную работоспособность, что означает необходимость соответствия требованиям к прочному дизайну (по крайней мере, класс 2).

Некоторые из высокоскоростных интерфейсов, используемых в типичном продукте ORAN, могут включать:

• PCIe: В основном используется для связи между хост-процессорами и периферийными устройствами. Примеры проектов от O-RAN упоминают случаи, когда используются несколько параллельных линий с передачей данных на борту, достигающей примерно 100 ГТ/с.
• DDR3 и выше: Очевидно, это используется для доступа к памяти на плате. Некоторые примеры проектов показывают скорости на уровне 2667 ГГц на DDR4.
• Ethernet: Еще один очевидный интерфейс, который вы ожидаете увидеть в системах базовых станций и другом оборудовании для фронтхола/бэкхола, используемый для связи с другим сетевым оборудованием, как по медным, так и по оптоволоконным линиям.
• Высокоскоростные каналы SerDes: Передача серийных данных между важными компонентами на высоких скоростях данных определена через несколько интерфейсов через каналы SerDes; оборудование, требующее подключения высокоразрешающих дисплеев (например, HDMI), является одним из примеров.

Из вышеизложенного списка должно быть очевидно, что продукты ORAN могут быть чем-то, близким к встроенному серверу на краю сети с потенциально ультравысокочастотными сигналами, идущими от и к передатчикам. Такая архитектура предназначена для поддержки телекоммуникационных приложений на устройстве, требующих управления сетью на устройстве, включая приложения встроенного ИИ. В отсутствие нового класса универсальных процессоров большинство эталонных проектов предусматривают использование FPGA и CPU x86/ARM в качестве контроллеров хоста/периферии.

Наконец, есть РЧ-секция некоторых продуктов ORAN, которая может потребовать прямого интерфейса с аналоговым фронт-эндом. Здесь расположение вашей платы становится критически важным, поскольку такие вещи, как перекрестные помехи в смешанных сигналах, планирование обратного пути и искажение аналогового сигнала, становятся критическими. В одном из недавних проектов с клиентом моей команде удалось преодолеть некоторые из этих проблем, используя маршрутизацию с использованием интегрированного в подложку волновода, что имеет значительные преимущества в изоляции в электромагнитно шумной среде.

Еще один способ обеспечить целостность РЧ-сигнала - взять пример с мобильных устройств 4G/5G и разместить на печатной плате напечатанные изоляционные структуры. Их может быть сложно спроектировать, но работа на частотах 5G требует этой дополнительной изоляции для обеспечения целостности сигнала. Чтобы узнать больше о трассировке и компоновке при работе на частотах 5G, я бы рекомендовал посмотреть презентацию Майка Кридена на AltiumLive 2019.

Когда новые технологии, такие как архитектуры OpenRAN, начнут доминировать в технологическом ландшафте, мы будем здесь, чтобы предоставить вам необходимое руководство по проектированию. Функции проектирования схем, симуляции и компоновки печатных плат в Altium Designer® помогут вам создать тип открытых аппаратных платформ, требуемых открытыми радиодоступными сетями. Обновленный пользовательский интерфейс симуляции в Altium Designer 21 ключевой для создания и оптимизации ваших подсистем в новой аппаратной платформе.

Когда вы закончили свой проект и хотите поделиться им, платформа Altium 365 упрощает совместную работу с другими дизайнерами. Мы только коснулись верхушки айсберга возможностей, которые можно реализовать с помощью Altium Designer на Altium 365. Вы можете ознакомиться со страницей продукта для более подробного описания функций или одним из вебинаров по запросу.