5G: la perspectiva del microondas | Dispositivos analógicos

Con 5G en el horizonte, es un momento emocionante para ser ingeniero de RF. A medida que nos embarcamos en el camino hacia 5G, el sistema de comunicaciones inalámbricas de próxima generación, surgen innumerables desafíos y oportunidades para la comunidad de ingenieros. 5G representa tanto una evolución como una revolución de las tecnologías móviles que alcanza los diversos objetivos de alto nivel que han sido publicados hasta la fecha por varios miembros del ecosistema inalámbrico.

5G se considera ampliamente como la generación de tecnología inalámbrica que permitirá que la telefonía celular se expanda a un conjunto completamente nuevo de usos, casos y mercados verticales. Si bien 5G generalmente se ve en la tecnología que brinda servicios de banda ultraancha, incluida la transmisión de video HD y ultraHD, la tecnología 5G también permitirá que los celulares ingresen al mundo de las máquinas. Contribuirá a los vehículos autónomos y se utilizará para conectar millones de sensores industriales y una multitud de dispositivos de consumo portátiles, por nombrar algunas aplicaciones.

El camino evolutivo hacia 5G consiste en mejoras incrementales de 4G en las bandas celulares convencionales y se extiende hacia arriba en frecuencia a bandas emergentes en el rango de 3 GHz a 6 GHz. Massive MIMO tiene impulso en la industria y evolucionará desde los primeros sistemas basados ​​en LTE para adoptar nuevas formas de onda diseñadas para mejorar el rendimiento, la latencia y la eficiencia celular.

El espectro es visto como el elemento vital de la industria celular y el espectro en las bandas celulares heredadas (sub-6 GHz) simplemente no puede soportar el crecimiento exponencial de la demanda en los próximos años. Como tal, las bandas por encima de 6 GHz están actualmente bajo estudio para probar la viabilidad de desplegar acceso inalámbrico en asignaciones de frecuencia por encima de 6 GHz. Mientras que el espectro global colectivo disponible por debajo de 6 GHz es del orden de cientos de MHz, la cantidad de espectro potencial por encima de 20 GHz es de decenas de GHz. La domesticación de este espectro se considera esencial para lograr la visión 5G de un mundo verdaderamente conectado.

Como resultado, es probable que un segmento de 5G opere en frecuencias mucho más altas (posiblemente hasta ondas milimétricas) y probablemente adopte nuevas tecnologías de interfaz aérea que no son compatibles con versiones anteriores de LTE. Las bandas de frecuencia discutidas entre los actores clave de la industria incluyen bandas de frecuencia más altas como 10 GHz, 28 GHz, 32 GHz, 43 GHz, 46 GHz a 50 GHz, 56 GHz a 76 GHz y 81 GHz a 86 GHz. Sin embargo, estas bandas se encuentran actualmente en las etapas de propuesta y queda mucho trabajo por completar en el modelado de canales antes de las definiciones de los sistemas de radio y las deliberaciones sobre estándares. La UIT publicó recientemente un plan para la estandarización de 5G con el objetivo de publicar la primera generación de especificaciones IMT-2020 alrededor del año 2020.

Dado que el 5G aún está en su infancia, se necesita completar mucho trabajo en el modelado de canales, la definición de la arquitectura de radio y, finalmente, el desarrollo del conjunto de chips antes de que se implementen los primeros sistemas comerciales. Sin embargo, existen ciertas tendencias y requisitos ya acordados y problemas por resolver que conducirán a los sistemas 5G finales.

Consideremos los sistemas de acceso 5G en frecuencias de microondas y ondas milimétricas. Uno de los principales obstáculos en la implementación del acceso por radio a la frecuencia de microondas es superar las características de propagación desfavorables. La propagación de radio en estas frecuencias se ve muy afectada por la atenuación atmosférica, la lluvia, los bloqueos (edificios, personas, follaje) y los reflejos. Los enlaces punto a punto de microondas se han implementado durante muchos años, pero generalmente son sistemas de línea de vista. El hecho de que sean estacionarios hace que el enlace sea manejable, y los sistemas se han desarrollado en los últimos años y admiten un rendimiento muy alto utilizando esquemas de modulación de alto orden. Esta tecnología continúa evolucionando y aprovecharemos las tecnologías de enlace de microondas en el acceso 5G.

Al principio del ciclo, se ha reconocido que se requerirá una formación de haces adaptativa para superar los desafíos de propagación para los sistemas de acceso. A diferencia de los sistemas punto a punto, la formación de haces deberá adaptarse a los usuarios y al entorno para entregar la carga útil al usuario. En general, se acepta en la industria que los sistemas híbridos MIMO se utilizarán en las bandas de microondas y de ondas milimétricas bajas, mientras que en las bandas V y E, donde el ancho de banda es abundante, es probable que los sistemas solo empleen formación de haces para alcanzar los objetivos de rendimiento requeridos.

El diagrama de la Figura 1 muestra un diagrama de bloques de alto nivel del transmisor de formación de haces híbrido. El receptor se puede imaginar como al revés. La codificación MIMO se realiza en la sección digital junto con el típico procesamiento de radio digital. Puede haber una multitud de rutas MIMO procesadas en la sección digital de los diversos flujos de datos que alimentan el sistema de antena. Para cada flujo de datos, el DAC convierte la señal en analógica en una frecuencia de banda base o IF, según la arquitectura seleccionada. La señal se convierte y se divide en las rutas de RF constituyentes para alimentar antenas individuales. En cada ruta de RF, la señal se procesa para establecer la ganancia y la fase para formar el haz que sale de la antena.

Si bien el diagrama de bloques es simplista, los desafíos y las compensaciones del sistema son complejos. En este breve tratamiento del tema, solo se discutirán algunos temas, pero concentrémonos en la arquitectura y los desafíos de la radio. Es fundamental diseñar este sistema teniendo en cuenta la potencia, el tamaño y el costo desde el principio para que estos sistemas se hagan realidad.

Si bien tales radios pueden y se están construyendo hoy para prototipos de sistemas 5G que utilizan dispositivos discretos (principalmente GaAs) de Analog Devices y nuestros pares, necesitamos traer los mismos altos niveles de integración para soportar el espacio de microondas como lo que se ha implementado en celular. radios La alta integración y el alto rendimiento crean un problema difícil de resolver para la industria.

Pero la integración por sí sola no es la solución a este problema que enfrenta la industria. Tiene que ser una integración inteligente. Cuando pensamos en la integración, primero debemos considerar la arquitectura y la partición para aprovechar los beneficios de la integración. En este caso, también se debe considerar el diseño mecánico y térmico, ya que el diseño del circuito y el sustrato están interrelacionados.

En primer lugar, es necesario definir una arquitectura que conduzca a la integración. Si consideramos los ejemplos de circuitos integrados de transceptor altamente integrados para estaciones base celulares, muchos usan una arquitectura de IF cero (ZIF) para eliminar o minimizar el filtrado en la ruta de la señal. Particularmente a la frecuencia de microondas, se debe minimizar la pérdida en los filtros de RF, ya que la energía de RF es costosa de generar. Si bien ZIF reducirá el problema del filtro, por supuesto, la compensación es la supresión de LO, pero cambiamos el problema de las estructuras físicas al procesamiento de señales y algoritmos. Aquí podemos aprovechar la ley de Moore, según la cual las estructuras de microondas pasivas no siguen la misma dinámica de escala. Es necesario aprovechar la capacidad de optimizar analógico y digital simultáneamente para alcanzar nuestros objetivos. Hay muchos algoritmos y técnicas de circuito que se han empleado en la frecuencia celular que pueden traer beneficios al espacio de microondas.

A continuación, considere los requisitos de la tecnología de semiconductores. Como se mencionó anteriormente, los sistemas de microondas de última generación generalmente se implementan con componentes de GaAs. GaAs ha sido el pilar de la industria de microondas durante muchos años, pero los procesos SiGe están superando las barreras de la operación de alta frecuencia para competir con GaAs en muchas de las funciones de ruta de señal. Los procesos SiGe Bi CMOS de microondas de alto rendimiento permiten un alto nivel de integración requerido para estos sistemas de formación de haces que abarcan gran parte de la cadena de señales, así como funciones de control auxiliar.

Es posible que se requieran PA de GaAs, según la potencia de salida requerida en cada antena. Sin embargo, incluso los PA de GaAs son ineficientes a la frecuencia de microondas, ya que generalmente están sesgados en la región lineal. La linealización de los PA de microondas es un área madura para la exploración en la era 5G, más que nunca.

¿Qué pasa con CMOS? ¿Es también un contendiente? Está bien documentado que CMOS es adecuado para escalado de alto volumen y esto se está demostrando en sistemas WiGig a 60 GHz. Dada la etapa inicial de desarrollo y la incertidumbre de los casos de uso, es difícil decir en este momento si CMOS será una opción tecnológica para las radios 5G o cuándo. Se necesita mucho trabajo primero en el modelado de canales y casos de uso para concluir las especificaciones de radio y dónde el CMOS de microondas puede encajar en los sistemas futuros.

La consideración final en los sistemas 5G es la interdependencia del diseño mecánico y la partición RF IC. Dados los desafíos para minimizar las pérdidas, el IC debe diseñarse teniendo en cuenta la antena y el sustrato para optimizar la partición. Por debajo de 50 GHz, la antena formará parte del sustrato y se espera que el enrutamiento y algunas estructuras pasivas se incrusten en el sustrato. Hay un cuerpo de investigación en curso en el área de guías de ondas integradas en sustrato (SIW) que parece prometedor para tales estructuras integradas. En una estructura de este tipo, será posible montar gran parte del circuito de RF en un lado del laminado multicapa y encaminarlo hacia las antenas en la cara frontal. Los circuitos integrados de RF se pueden montar en forma de troquel en este laminado o en paquetes de montaje en superficie. Hay buenos ejemplos en la literatura de la industria de tales estructuras para otras aplicaciones.

Por encima de 50 GHz, los elementos de la antena y el espacio se vuelven lo suficientemente pequeños como para que sea posible integrar la estructura de la antena dentro o sobre el paquete. Nuevamente, esta es un área de investigación en curso que puede impulsar los sistemas 5G.

En cualquier caso, el circuito integrado de RF y la estructura mecánica deben diseñarse conjuntamente para garantizar la simetría en el enrutamiento y minimizar las pérdidas. Nada de este trabajo sería posible sin potentes herramientas de modelado 3D para las extensas simulaciones requeridas para estos diseños.

Si bien esta es una breve perspectiva de los desafíos que 5G trae a la industria de microondas, existen oportunidades ilimitadas para generar innovaciones de RF en los próximos años. Como se mencionó anteriormente, un enfoque riguroso de ingeniería de sistemas producirá la solución óptima al aprovechar las mejores tecnologías en toda la cadena de señal. Hay mucho trabajo por hacer como industria, desde el desarrollo de procesos y materiales hasta técnicas de diseño y modelado, hasta pruebas y fabricación de alta frecuencia. Todas las disciplinas tienen un papel que desempeñar para alcanzar los objetivos de 5G.

Analog Devices brinda una fuerte contribución al esfuerzo de microondas 5G con nuestros exclusivos bits para la capacidad de microondas. Nuestra amplia cartera de tecnología y los continuos avances en tecnología de RF, combinados con nuestra rica historia en ingeniería de sistemas de radio, colocan a ADI en una posición de liderazgo para ser pionera en nuevas soluciones para nuestros clientes en frecuencias de ondas milimétricas y de microondas para los sistemas 5G emergentes.

Como se mencionó al comienzo del artículo, es un momento emocionante para ser ingeniero de RF en la industria inalámbrica. 5G apenas está comenzando y hay mucho trabajo por delante para realizar redes comerciales de radio 5G para 2020.