איך מספקים פס רחב (מאוד) בעולם הסלולר של הדור הרביעי (LTE)

דף הבית >> סקירות טכנולוגיות >> איך מספקים פס רחב (מאוד) בעולם הסלולר של הדור הרביעי (LTE)
 איך מספקים פס רחב (מאוד) בעולם הסלולר העתידי של הדור הרביעי (LTE)
מאת: דייב הוק, 2.8.14, 21:00דייב הוק
 
המסלול לדור החדש של ה-LTE עם רדיו 100MHz 8x8. מפעילות רשתות הסלולר מחפשות דרכים להקטין באופן משמעותי את עלות הציוד במקביל לשאיפתן להגדיל את כיסוי הרשת והנפח שלה באמצעות הגדלת רוחב הפס, הגדלת מספר אנטנות ה-MIMO ויותר אתרי סלולר ותדרי שידור חדשים.
 
בד בבד, שואפות מפעילות הרשתות הסלולריות להקטין את עלויות התפעול באמצעות רכישת ציוד רדיו המשפר את האינטגרציה והיעילות. היצרניות, שמספקות ציוד תשתיות אלחוט לאותן ספקיות רשת, מחפשות אחר פתרונות תכנון ברמת המערכת, שיוכלו לספק רמות טובות יותר של אינטגרציה, ביצועים וגמישות. כל זאת, תוך צמצום צריכת ההספק והקטנת עלות הרכש. יצרניות הציוד חייבות להשיג את כל היעדים הללו מבלי להזניח את קיצור זמן היציאה לשוק.
 
עם היציאה לשוק של TDD-LTE ובקרוב גם FDD-LTE משולב באזורים רבים בעולם, אנו עדים לשינוי בתכונות הציוד הרצויות ובדרישות הביצועים בהשוואה למוצרי ממשק אוויר קודמים, שיצאו לשוק. התצורה השכיחה ביותר עבור מוצרי CDMA2000 ו-WCDMA 3G הייתה רדיו 20 MHz 2x2. אולם, תצורה זו כבר התפתחה מזמן לכדי תצורות המסוגלות לספק יותר רוחב פס ותמיכה ביותר פסי תדר.
 
כיום, עוסקות מרבית היצרניות בפיתוח של התקני רדיו בתצורת MIMO המסוגלים לספק עד 100 מגהרץ של רוחב פס שימושי. אותן תצורות חדשות משתמשות בדרך כלל במערכי אנטנות MIMO של 4x4 ושל 8x8.
 
הפיתוח של אותם התקני רדיו בעלי פס אולטרה-רחב יאפשר למפעילות הרשתות לפרוס רדיו יחיד התומך בכמה וכמה פסי תדר רצויים כמו 1,800 מגהרץ, 1,900 מגהרץ ואפילו 2,100 מגהרץ בעתיד, מה שיוביל לפחות התקני רדיו מרוחקים המושמים על תרני אנטנה, מה שכמובן יוביל להפחתה בעלויות. התפתחות זו תחסוך עלויות ציוד הון נכבדות תודות לשימוש בפחות התקני רדיו ותקטין באופן משמעותי את עלויות התפעול ואת עלויות השכירות של אתרים, תודות לירידה בעומס הרוח ובמשקל הכולל המועמס על התורן.
 
רדיו של 100MHz 8x8 מצריך פי 20 עיבוד אותות בהשוואה לרדיו של 20MHz 2x2. כאשר חושבים על דרישות העיבוד הדיגיטלי והאנלוגי עבור ציוד רדיו כזה, קשה לראות כיצד בכלל ניתן היה לממש את המוצרים, תוך עמידה במגבלות המכניות, התרמיות והכלכליות, שיצרו התקני רדיו מרוחקים בעלי קירור פסיבי. מובן מאליו, שיש צורך בהמשך פיתוח של דורות חדשים של מעגלים משולבים דיגיטליים ואנלוגיים.
 
ניקח לדוגמה את הדרישות ברמת המערכת ליישום של רדיו 100MHz 8x8.
 
ברדיו סלולרי 8x8, הממדים המגדירים את התקני ה-FPGA הנדרשים כוללים את מספר האנטנות, את ממשק האוויר, את מספר הגלים הנושאים (Carriers) ואת רוחב הפס המיידי (בזמן אמת). מספר האנטנות מגדיר את מספר חיבורי DAC ו-ADC הדרושים. רוחב הפס המיידי של הרדיו מגדיר את קצב הדגימות ועל כן מגדיר גם את המהירות והמספר של חיבורי SerDes הנדרשים כדי לחבר את עיבוד האותות הדיגיטלי ב-FPGA עם ה-DACs וה-ADCs.
 
ממירי נתונים התפתחו באופן משמעותי במהלך השנים האחרונות ויצרניות רבות מציעות היום ריבוי של DACs ו-ADCs בתוך מארז יחיד, מחובר למעגלי עיבוד הרדיו הדיגיטלי באמצעות JESD204B. סטנדרט ממשק ה-JESD204B מחליף את ממשקי ה-LVDS המקביליים הישנים יותר, עם חיבורי SerDes במהירות גבוהה המסוגלים לפעול ב-12.5 Gbps. ממשקי JESD204B מקטינים באופן משמעותי את מספר החיבורים הנדרש בין ה-DACs וה-ADCs ומעגלי העיבוד בקצה הקדמי הדיגיטלי.
 
התוצאה היא פחות שכבות PCB וירידה בצריכת ההספק של הממשק. יתרה מכך, ממירי ה-JESD204B הללו הולכים ונעשים אינטגרטיביים יותר ויותר. הם סופגים תתי-מערכות שלמות של Uplink ו-Downlink לעיבוד RF, מה שמוליד מעגלי RF משולבים עתירי ביצועים הכוללים את ה-DACs ,ADCs, הסינון והמאפננים הנחוצים כדי ליצור (AFEs (Analog Front Ends בעלי רמות גבוהות של אינטגרציה ושל ביצועים.
 
בנוסף לקביעת מספר טרנסיברים ה-SerDes הדרושים, רוחב הפס של הרדיו הסלולרי ומספר האנטנות שלו מכתיבים גם את כמות הלוגיקה וה-DSP הדרושים לעיבוד אלגוריתמים, לרבות (DUC (Digital Up Conversion ו-(DDC (Digital Down Conversion. אלגוריתמי DUC ו-DDC מתאימים במיוחד ליישומי FPGA שכן הם מאפשרים ללקוחות הרשת לשנות את האלגוריתמים עפ"י הצורך מבלי להצריך שינויי חומרה.

2 אלגוריתמים שכיחים נוספים הם (CFR (Crest Factor Reduction ו-(DPD (Digital Pre-Distortion המשפרים את נצילות ההספק של מגבר הרדיו.
 
על בסיס משאבי ה-DSP הנדרשים לצורך יישום של רדיו רחב פס ומספר ה- SerDesהנדרשים כדי לתקשר עם 8 אנטנות, ניתן לקבוע כי שיטה כדאית כלכלית ליישום רדיו סלולרי, שמשתמש בדור הנוכחי של ה-FPGAs שלXILINX  - זיילינקס, תהיה לפצל את העיבוד האלגוריתמי בין 2 התקנים, כפי שמודגם באיור 1. חציצת מערכת כזו יוצרת ביעילות 2 מערכי רדיו של 4x4 100MHz. תוצר לוואי מבורך של חציצה זו הוא, שהספק העבודה מתפרס בצורה שווה על פני 2 התקנים דיגיטליים, מה שעוזר להתגבר על המגבלות התרמיות והופך את המכניקה של התכנון לפשוטה יותר.
 תמונה 1
איור 1: דוגמה ליישום רדיו 100MHz 8x8 עם שני FPGAs מסוג Kintex-7
 
עם זאת, חציצה כזו ברמת המערכת אינה נחוצה כאשר משתמשים ברכיבי Kintex UltraScale של XILINX, בעלי יכולת DSP גבוהה בהרבה, מספר גדול יותר של חיבורי SerDes וצריכת הספק נמוכה באופן משמעותי.
 
כדי ליישם רדיו מורכב כזה ברכיב יחיד, הספק העבודה הכולל חייב לרדת באופן משמעותי, כדי לצמצם את החום המופק. ה-FPGAs, שמבוססים על ארכיטקטורת ה-UltraScale של ,XILINX תוכננו במיוחד כדי להקטין את הספק העבודה במספר דרכים. ראשית, ההספק הסטטי של 2 FPGAs ב-28 ננומטר מוחלף ע"י FPGA אחד מטכנולוגית 20nm. התקן ה-FPGA האחד המוצג באיור 2 צורך פחות הספק מ-2 ה-FPGAs המופיעים באיור 1 ובה בעת מיישם את אותו מספר ערוצים.
איור 2
שנית, תכנון קפדני הצליח להוריד באופן משמעותי את ההספק הדינמי של מארג הלוגיקה הניתן לתכנות של ההתקנים וה- SerDes טרנסיברים. פחות בלוקי DSP נחוצים עבור יישומי סינון דיגיטלי המבוססים על פעולות MAC (צבירה/הכפלה) מורכבות.
 
צמצום מספר בלוקי ה-DSP הדרושים עוזר לצמצם את ההספק הדינמי ואת השטח הנדרש לצורך יישום של אלגוריתמי DUC, DDC, CFR ו-DPD.
 
התוצאה ברמת המערכת היא הפחתה של 8% בעלות עבור זוג משדר/מקלט והפחתה של יותר מ-31% בהספק בהשוואה ליישום המבוסס על התקני הדור הקודם. חיסכון נוסף ברמת המערכת ניתן לממש באמצעות צמצום של מספר שכבות ה-PCB הדרושות וצמצום מורכבותו של ספק הכוח. ספק קטן יותר וחומרת קירור קטנה יותר ופחות מורכבת יעזרו לצמצם עוד יותר את משקלם של מערכת הרדיו והמארז, מה שיקטין עוד יותר את עלויות התפעול וה-BOM.
 
מאת: דייב הוק, אוגוסט 2014.
מנהל שיווק מוצרי אלחוט ב-Xilinx



 
 
Bookmark and Share