Tất cả về ORANs: Hướng dẫn của Nhà thiết kế PCB về Mạng Truy cập Radio Mở

2020 là năm của đại dịch, sự sụp đổ và phục hồi của thị trường chứng khoán, tiến bộ trong lĩnh vực điện toán lượng tử, và việc triển khai 5G một cách thận trọng. Trong tất cả những sự kiện lạ lùng trong lịch sử và tiến bộ công nghệ, các từ ngữ chuyên ngành và từ viết tắt từ thế giới viễn thông trở nên nổi bật hơn bao giờ hết trong từ vựng công nghệ. “Mạng truy cập vô tuyến mở” là một trong những thuật ngữ vượt qua tình trạng là từ ngữ hot để kích thích công nghệ mới thông qua một kiến trúc phần cứng, phần mềm và firmware mở.

Mạng truy cập vô tuyến mở là một phần của cuộc cách mạng đang diễn ra trong mạng vô tuyến hướng tới khả năng tương tác. Ý tưởng là tạo ra các mạng truy cập mở mà không cần các thỏa thuận tương tác giữa các nhà cung cấp dịch vụ, như chúng ta đã thấy trong kỷ nguyên của LTE. Đây không chỉ là sự thay đổi trong kiến trúc phần mềm của mạng, mà còn là một cách mới để các nền tảng phần cứng tương tác với mạng vô tuyến, bao gồm cả các thông số kỹ thuật 5G trong tương lai.

Các Kiến Trúc OpenRAN Đa Dạng

Ngày nay, các nhà khai thác viễn thông cần sự đa dạng trong phần cứng, nhà cung cấp và phần mềm cần thiết để xây dựng và vận hành mạng của họ. Mạng truy cập vô tuyến mở, hay ORANs, nhằm mục đích cung cấp sự đa dạng này bằng cách đảm bảo khả năng tương thích giữa các chipset, phần mềm và phần cứng khác có sẵn trên thị trường. Đây là thách thức cả về phần cứng lẫn phần mềm/phần mềm cơ sở; phần cứng cần đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và kiểm tra trong các thông số kỹ thuật của ORAN, nhưng cũng có lớp ứng dụng liên kết mọi thứ lại với nhau. Việc sử dụng một kiến trúc mở mang lại những lợi ích thực sự, cụ thể là tính mô-đun, chi phí nghiên cứu và phát triển thấp hơn, và khả năng tương thích với phần cứng có sẵn.

Mặc dù mục tiêu cơ bản của mạng truy cập vô tuyến mở khá đơn giản, có một số sáng kiến và từ viết tắt liên quan đến mạng truy cập vô tuyến mở. Cụ thể, cụm từ “mạng truy cập vô tuyến mở” có thể ám chỉ một trong những từ viết tắt sau:

• Open RAN, hoặc từ viết tắt của nó ORAN, là một thuật ngữ chung có thể ám chỉ bất kỳ mạng truy cập vô tuyến mở nào.
• O-RAN cụ thể ám chỉ O-RAN Alliance, tổ chức này phát hành các thông số kỹ thuật RAN, phần mềm mở cho ORANs, và hỗ trợ các thành viên của mình trong việc tích hợp và kiểm tra các triển khai của họ.
• OpenRAN đề cập đến Dự án Cơ sở Hạ tầng Viễn thông, một sáng kiến nhằm định nghĩa và xây dựng các giải pháp ORAN từ 2G trở lên từ phần cứng không phụ thuộc vào nhà cung cấp với công nghệ được định nghĩa bởi phần mềm.
• OpenRAN 5G NR là một nhóm dự án của Dự án Cơ sở Hạ tầng Viễn thông tập trung cụ thể vào việc xây dựng ORAN dựa trên công nghệ 5G NR.

Liên minh O-RAN có lẽ là tổ chức hứa hẹn nhất hướng tới khả năng tương tác 5G. Tổ chức này đã phát hành các thông số kỹ thuật về mọi thứ từ kiểm tra và tích hợp, đến yêu cầu phần cứng white-box và yêu cầu về ngăn xếp ứng dụng. Tổ chức cũng đã phát hành một loạt thiết kế tham khảo cho bất kỳ ai phát triển thiết bị trạm gốc. Để tải xuống các thông số kỹ thuật và văn bản thiết kế tham khảo miễn phí, truy cập trang web O-RAN.org. Các công ty khác như Keysight và Xilinx đang phát triển danh mục sản phẩm cụ thể nhắm vào các thiết bị ORAN.

Ngành công nghiệp bán dẫn đã làm rất tốt việc đảm bảo khả năng tương tác chung cho mục đích chung giữa các IC thông qua việc triển khai các giao diện số tiêu chuẩn. Bạn biết rằng các chip khác nhau từ các nhà cung cấp khác nhau tương thích hoặc có thể được làm cho tương thích đơn giản bằng cách kết hợp các giao diện giữa chúng. Phần cứng được thiết kế để sử dụng trong ORANs nhằm đạt được các mục tiêu tương tự, nhưng nó có thêm một cấp độ thiết kế firmware và phần mềm, trong khi vẫn hoạt động trong kiến trúc mạng di động tiêu chuẩn (xem bên dưới).

Thách thức trong Thiết kế PCB cho Phần cứng ORAN

Các hệ thống phần cứng ORAN hoặc là tốc độ cao, tần số cao, hoặc cả hai, và việc xây dựng những hệ thống này đòi hỏi sự hiểu biết về thiết kế tín hiệu hỗn hợp với cái nhìn hướng tới tính toàn vẹn của tín hiệu và nguồn điện. Ngoài ra, những hệ thống này cần được triển khai ngoài thực địa và duy trì thời gian hoạt động liên tục, nghĩa là việc tuân thủ các yêu cầu thiết kế chắc chắn (ít nhất là Lớp 2) là một yếu tố quan trọng.

Một số giao diện tốc độ cao tham gia vào sản phẩm ORAN tiêu biểu có thể bao gồm:

• PCIe: Chủ yếu dùng để giao tiếp giữa bộ xử lý chủ và các thiết bị ngoại vi. Các thiết kế tham khảo từ O-RAN đề cập đến các trường hợp liên quan đến nhiều làn đường song song với việc chuyển dữ liệu trên bo mạch đạt khoảng 100 GT/s.
• DDR3 và cao hơn: Rõ ràng, điều này được sử dụng để truy cập bộ nhớ trên bo mạch. Một số thiết kế tham khảo cho thấy tốc độ ở 2667 GHz qua DDR4.
• Ethernet: Một giao diện khác bạn sẽ mong đợi trong các hệ thống trạm gốc và thiết bị fronthaul/backhaul khác, được sử dụng để kết nối với các thiết bị mạng khác, cả qua đồng và sợi quang.
• Kênh SerDes tốc độ cao: Chuyển dữ liệu nối tiếp giữa các thành phần quan trọng với tốc độ dữ liệu cao được quy định qua nhiều giao diện thông qua kênh SerDes; thiết bị yêu cầu kết nối màn hình độ phân giải cao (ví dụ, HDMI) là một ví dụ.

Từ danh sách trên, có thể thấy rằng các sản phẩm ORAN có thể gần giống như một máy chủ cạnh nhúng với tần số siêu cao có thể đi vào và ra từ các bộ thu phát. Kiến trúc như vậy được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng viễn thông trên thiết bị đòi hỏi quản lý mạng trên thiết bị, bao gồm các ứng dụng AI nhúng. Trong trường hợp không có một lớp bộ xử lý đa năng mới, hầu hết các thiết kế tham khảo đều chỉ định sử dụng FPGA và CPU x86/ARM làm bộ điều khiển chủ/peripheral.

Cuối cùng, có phần RF của một số sản phẩm ORAN có thể cần giao tiếp trực tiếp với phần đầu vào analog. Đây là nơi mà sắp xếp bảng mạch của bạn trở nên quan trọng khi những vấn đề như nhiễu tín hiệu hỗn hợp, lập kế hoạch đường trở về, và méo tín hiệu analog trở nên quan trọng. Trong một sự tham gia của khách hàng gần đây, nhóm của tôi đã có thể vượt qua một số thách thức này trong một dự án của khách hàng sử dụng định tuyến sóng dẫn tích hợp vào chất nền, điều này mang lại lợi ích cô lập lớn trong môi trường ồn ào về điện từ.

Một lựa chọn khác để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu RF là học hỏi từ các điện thoại 4G/5G và đặt các cấu trúc cách ly in trực tiếp trên PCB. Việc thiết kế những cấu trúc này có thể khó khăn, nhưng làm việc ở tần số 5G đòi hỏi sự cách ly bổ sung để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu. Để tìm hiểu thêm về việc định tuyến và bố trí khi làm việc ở tần số 5G, tôi khuyên bạn nên xem bài thuyết trình của Mike Creeden tại AltiumLive năm 2019.

Khi những công nghệ mới như kiến trúc OpenRAN bắt đầu chiếm lĩnh bức tranh công nghệ, chúng tôi sẽ ở đây để cung cấp cho bạn sự hướng dẫn thiết kế mà bạn cần. Các tính năng thiết kế sơ đồ, mô phỏng và bố trí PCB trong Altium Designer® có thể giúp bạn xây dựng các nền tảng phần cứng mở mà mạng truy cập radio mở yêu cầu. Giao diện mô phỏng được cập nhật trong Altium Designer 21 là chìa khóa để xây dựng và tối ưu hóa các hệ thống phụ của bạn trên nền tảng phần cứng mới.

Khi bạn đã hoàn thành thiết kế của mình và muốn chia sẻ dự án, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác với các nhà thiết kế khác trở nên dễ dàng. Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến Theo Yêu cầu.