Backhaul de línea de vista a 60 GHz listo para aumentar la capacidad celular

Un esquema completo de comunicación de datos bidireccional de 60 GHz basado en Xilinx® El chipset Zynq SoC y ADI V-band brindan el rendimiento y la flexibilidad necesarios para servir al mercado de backhaul de celdas pequeñas.

La demanda cada vez mayor de datos en las redes celulares globales está empujando a los operadores a buscar formas de aumentar la capacidad 5000 veces para 2030.1 Lograr esto requerirá un aumento de 5 veces en el rendimiento del canal, un aumento de 20 veces en el espectro asignado y un aumento de 50 veces en la cantidad de sitios celulares.

Muchas de estas nuevas celdas se colocarán en interiores, donde se origina la mayor parte del tráfico y la fibra es la primera opción para enrutar el tráfico a las redes. Pero hay muchos lugares al aire libre donde la fibra no está disponible o es demasiado costosa para conectarse y, en estos casos, el backhaul inalámbrico es la opción más viable.

El espectro sin licencia a 5 GHz está disponible y no requiere una ruta de línea de vista (LOS). Sin embargo, el ancho de banda es limitado y la interferencia de otros usuarios de este espectro está casi garantizada debido al intenso tráfico y los amplios patrones de antena.

Los enlaces de comunicaciones de 60 GHz están emergiendo como un fuerte competidor para proporcionar estos enlaces backhaul a las miles de celdas exteriores que se necesitarán para satisfacer las demandas de capacidad. Este espectro también está libre de licencia, pero a diferencia de las frecuencias por debajo de 6 GHz, hay hasta 9 GHz de ancho de banda disponible. Además, la alta frecuencia permite patrones de antena muy estrechos y enfocados que son algo resistentes a la inserción, pero que requieren rutas LOS.

Los módems basados ​​en FPGA y SoC se utilizan cada vez más en varias soluciones de backhaul inalámbrico porque las plataformas que los utilizan pueden ser modulares y personalizables, lo que reduce el costo total de propiedad de los OEM. Para la parte de radio de estos enlaces, los transceptores se integraron en circuitos integrados basados ​​en silicio y se empaquetaron en piezas montadas en superficie de bajo costo.

Hay piezas comerciales disponibles para construir un enlace completo de comunicación de datos bidireccional de 60 GHz, como se muestra en la solución de la Figura 1. Desarrollado por Xilinx y Hittite Microwave (ahora parte de Analog Devices), el diseño incluye un módem milimétrico Xilinx y analógico. Dispositivos de ondas de radio. Esta conexión satisface las necesidades de rendimiento y flexibilidad del mercado de backhaul de celdas pequeñas.

Figura 1. Diagrama de bloques de alto nivel del enlace de comunicación de datos bidireccional completo.

Como se muestra en la Figura 1, se requieren dos nodos para crear este enlace. Cada nodo contiene un transmisor (con un modulador) y la cadena de transmisores analógicos asociados, y un receptor (con un demodulador) y la cadena de receptores analógicos asociados.

La tarjeta de módem está integrada en dispositivos analógicos y discretos. Ha implementado osciladores digitalmente para garantizar la precisión de la síntesis de frecuencia, y todas las funciones digitales se realizan en un FPGA o sistema en un chip (SoC). Este núcleo de módem de portadora única admite modulaciones de QPSK a 256 QAM en anchos de banda de canal de hasta 500 MHz y alcanza velocidades de datos de hasta 3,5 Gbps. El módem también admite esquemas de transmisión dúplex por división de frecuencia (FDD) y dúplex por división de tiempo (TDD). Las técnicas robustas de diseño de módem reducen las implicaciones del ruido de fase de los osciladores locales. Se incluye una potente codificación de verificación de paridad de baja densidad (LDPC) para mejorar el rendimiento y el presupuesto del enlace.

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Módem de ondas milimétricas

El módem de ondas milimétricas permite a los proveedores desarrollar infraestructuras de conexión flexibles, rentables y adaptables para sus redes de backhaul inalámbricas. Es totalmente adaptable, de bajo consumo, ocupa poco espacio y se puede utilizar para implementar enlaces punto a punto completos en interiores y exteriores, así como enlaces de microondas punto a multipunto. La solución brinda a los operadores la capacidad de crear sistemas escalables y escalables en el campo.

La Figura 2 detalla más el módem digital, tal como se implementa en una solución basada en SoC. Además de la lógica programable (PL), el sistema de procesamiento escalable (PS) de la plataforma cuenta con ARM dual® corteza®– Núcleos A9 con controladores de memoria integrados y E/S multiestándar para periféricos.

Figura 2. Todos los SoC programables para aplicaciones de módem inalámbrico.

Esta plataforma SoC se utiliza para realizar varias funciones de datos y control y para habilitar la aceleración de hardware. En la Figura 2 se muestra un módem de onda milimétrica completamente integrado con PHY, controlador, interfaces del sistema y procesador de paquetes. Sin embargo, según la arquitectura requerida, puede agregar, actualizar o eliminar diferentes módulos. Por ejemplo, puede elegir implementar el acoplamiento XPIC para poder usar el módem en modo de polarización cruzada con otro módem. La solución se implementa en el PL, donde SERDES y E/S se utilizan para varias interfaces de ruta de datos, como las que existen entre el módem y el procesador de paquetes, el procesador de paquetes y la memoria, o intermódem o DAC/ADC.

Algunas de las otras características importantes del módem IP incluyen el cambio de estado automático sin interrupción ni error usando modulación y codificación adaptativa (ACM) para mantener la conexión en funcionamiento; predistorsión digital adaptativa (DPD) de bucle cerrado para mejorar la eficiencia y la linealidad del amplificador de potencia de RF; Ethernet síncrona (SyncE) para mantener la sincronización del reloj y la corrección de errores de reenvío (FEC) Reed-Solomon o LDPC. La elección de FEC se basa en los requisitos de diseño. LDPC FEC es la opción predeterminada para aplicaciones de backhaul inalámbrico, mientras que Reed-Solomon FEC es la opción preferida para aplicaciones de baja latencia como fronthaul.

La implementación de LDPC está altamente optimizada y menciona el paralelismo de FPGA para los cálculos realizados por codificadores y decodificadores. El resultado son ganancias significativas de SNR. Puede implementar diferentes niveles de paralelismo cambiando el número de iteraciones del núcleo LDPC, optimizando así el tamaño y la potencia del decodificador. También puede modelar el diseño en función del ancho de banda del canal y las restricciones de rendimiento.

Esta solución de módem también viene con una interfaz gráfica de usuario (GUI) para visualización y depuración, y es capaz de funciones de alto nivel, como el ancho de banda del canal o la selección de modulación, así como de bajo nivel, como la configuración de programas de hardware. Para lograr un rendimiento de 3,5 Gbps para la solución que se muestra en la Figura 1, el módem IP funciona a una velocidad de reloj de 440 MHz. Utiliza cinco transceptores gigabit (GT) para interfaces de conectividad para admitir ADC y DAC y algunos GT adicionales para cargas útiles de 10 GbE o interfaces CPRI.

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Conjunto de chips transceptor de ondas milimétricas

Analog Devices ha optimizado su chipset de silicio-germanio (SiGe) de 60 GHz de segunda generación utilizado en este diseño para aplicaciones de conectividad de celdas pequeñas. El chip transmisor es un convertidor de banda base a onda milimétrica completamente analógico. Un sintetizador de frecuencia mejorado cubre de 57 GHz a 66 GHz en pasos de 250 MHz con bajo ruido de fase que puede admitir modulaciones de hasta al menos 64 QAM. La potencia de salida ha aumentado a aproximadamente 16 dBm de potencia lineal y un detector de potencia integrado supervisa la potencia de salida para que no supere los límites reglamentarios.

El chip transmisor proporciona un control analógico o digital de las ganancias de IF y RF. A veces se requiere control de ganancia analógica cuando se utilizan modulaciones de orden superior, ya que los cambios discretos de ganancia pueden percibirse como modulación de amplitud, lo que genera errores de bit. Una interfaz SPI integrada admite control de ganancia digital.

Para aplicaciones que requieren una modulación aún mayor de canales estrechos, se puede inyectar en el transmisor un PLL/VCO externo con un ruido de fase aún más bajo, sin pasar por el sintetizador interno.

La figura 3 muestra un diagrama de bloques del chip transmisor, que admite un ancho de banda de hasta 1,8 GHz. Una opción de modulador MSK permite la transmisión de datos a un costo bajo hasta 1,8 Gbps sin la necesidad de costosos DAC que consumen mucha energía.

Figura 3. Diagrama de bloques del transmisor IC de 60 GHz HMC6300.

Este dispositivo se complementa con un chip receptor, que también está optimizado para satisfacer las exigentes necesidades de las aplicaciones de conectividad de celdas pequeñas. El receptor tiene una ganancia de entrada significativa de P1dB a -20dBm e IIP3 a -9dBm para manejar enlaces de corto alcance cuando la entrada del receptor tiene altos niveles de señal debido a la alta ganancia de las antenas parabólicas.

Otras características clave incluyen una figura de bajo ruido de 6dB en la configuración de ganancia máxima; filtros de paso bajo de banda base ajustables y filtros de paso alto de banda base; los mismos sintetizadores nuevos que se encuentran en el chip del transmisor para admitir la modulación 64 QAM en la banda de 57 GHz a 66 GHz y el control analógico o digital de las ganancias de IF y RF.

En la Figura 4 se muestra un diagrama de bloques del chip del receptor. Tenga en cuenta que el receptor también contiene un detector de AM para demodular las modulaciones de amplitud, como la modulación de encendido/apagado (OOK). Además, un discriminador de FM demodula modulaciones simples de FM o MSK. Esto se suma al demodulador I/Q utilizado para recuperar salidas de banda base en cuadratura para modulaciones QPSK y QAM más complejas.

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Figura 4. Diagrama de bloques del CI del receptor HMC6301 de 60 GHz.

El transmisor y el receptor vienen en un paquete tipo BGA de 4 mm × 6 mm, a nivel de oblea. Estos dispositivos de superficie permitirán la fabricación de programas de radio de bajo costo para aplicaciones de conectividad.

En la Figura 5 se muestra un diagrama de bloques de un sistema modelo de ondas milimétricas y un sistema de radio. Además del FPGA, el software del módem y el conjunto de chips de ondas milimétricas, el diseño también contiene varios otros componentes. Incluyen un ADC de 12 bits, 1 GSPS de dos canales, un TxDAC de 16 bits de cuatro canales, hasta 2,8 GSPS y un sintetizador de reloj de fluctuación ultrabaja compatible con la interfaz de datos en serie JESD204B que se utiliza en los circuitos ADC y DAC . . .

Figura 5. Ejemplo de diseño de referencia con circuitos integrados de Xilinx y Analog Devices.

plataforma de exhibición

La plataforma que se muestra en la Figura 6 fue creada conjuntamente por Xilinx y Analog Devices para usarse con fines de demostración. Esta implementación incluye un módem basado en FPGA en una placa de desarrollo Xilinx, una placa FMC estándar que contiene ADC, DAC, un chip de reloj y dos placas de evaluación de módulos de radio.

Figura 6. La plataforma de exhibición en acción.

La plataforma de visualización incluye una computadora portátil para el control del módem y la visualización y un atenuador de RF variable para replicar la pérdida de ruta de un enlace mmWave típico. El FPGA en la placa de desarrollo ejecuta el firmware del módem IP WBM256. Se utiliza un conector intermedio FMC estándar de la industria en la placa de desarrollo para conectarse a placas de radio de onda milimétrica y de banda base.

Los módulos de ondas milimétricas saltan a la placa de banda base. Los módulos tienen conectores MPPX para interfaces de 60 GHz, así como conectores SMA para el uso opcional de un oscilador local externo.

Esta plataforma contiene todo el hardware y el software necesarios para demostrar enlaces punto a punto de hasta 1,1 Gbit/si canales de 250 MHz para cada dirección de enlaces dúplex por división de frecuencia.

Modulares y personalizables

Debido a que son altamente modulares y personalizables, los FPGA pueden reducir los costos cuando se usan para crear plataformas para aplicaciones inalámbricas. Al elegir piezas comerciales para una solución de módem de onda milimétrica para el mercado de backhaul de celdas pequeñas, elija FPGA/SoC de bajo consumo y núcleos IP de banda ancha de alto rendimiento. La alta velocidad también se considera al seleccionar OT para comunicaciones de banda ancha y aplicaciones de conmutación. Busque una solución que pueda escalar para admitir múltiples variaciones de productos, desde productos de backhaul de celdas pequeñas de gama baja que funcionan con unos pocos cientos de megavatios por segundo hasta 3,5 Gbps, en la misma plataforma de hardware.

Para la parte de radio, los circuitos integrados de transceptor empaquetados en piezas de montaje en superficie reducirán el costo de fabricación. Los segmentos en el mercado cumplirán con los requisitos de potencia, tamaño, flexibilidad y funcionalidad para las necesidades de backhaul inalámbrico de las implementaciones de celdas pequeñas. Los convertidores de datos de alto rendimiento y los circuitos integrados de gestión de reloj equipados para completar el enlace de backhaul inalámbrico también están disponibles para su compra.

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1 «Visiones escalables y disruptivas hacia redes de muy alta capacidad». IWPC. abril de 2023.

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