Comunicación 5G y su futuro

A mediados de 2022, el Dr. Thomas Cameron, director de tecnología inalámbrica de Analog Devices, habló sobre la quinta generación de soluciones y desarrollos de Analog Devices para tecnología de comunicaciones, así como sobre su futuro. El Dr. Cameron tiene más de 30 años de experiencia en investigación y desarrollo de tecnología para redes de telecomunicaciones, incluidas estaciones base celulares, radios de microondas y sistemas de cable, y comparte su experiencia en la siguiente entrevista.

Hablemos de las comunicaciones 5G y su futuro.

El ciclo 5G está en marcha, con muchas pruebas de campo completadas y muchas otras en progreso a nivel mundial. En el Informe instantáneo de prueba 5G reciente de la GSA, se informó que hasta la fecha se han identificado más de 326 pruebas y demostraciones separadas de 5G en todo el mundo, con unos 134 operadores móviles anunciando pruebas 5G en 62 países. Si bien muchas de estas pruebas se enfocan en demostrar un mayor rendimiento, 5G presenta flexibilidad y nuevas características que permiten nuevos casos de uso, y 5G sienta las bases para el estándar inalámbrico que nos llevará al 2030 y más allá.

De cara al futuro, no vemos una desaceleración en la generación y el consumo de datos móviles a medida que el intercambio de videos se generaliza en toda nuestra sociedad. Pero el futuro de la conectividad también se trata de conectarnos con el mundo que nos rodea a medida que ingresamos en la próxima era de las máquinas. Estamos a las puertas de una era de transformación digital que cambiará profundamente la forma en que vivimos, la forma en que trabajamos y la forma en que nos movemos a diario. Si bien el teléfono inteligente actual es una interfaz entre los humanos y la información, los dispositivos futuros se comunicarán activamente entre sí independientemente de la interacción humana y monitorearán el entorno que nos rodea a través de una densa red de sensores conectados. En el centro de esta próxima transformación digital se encuentran las redes móviles de alta capacidad que conectan a todos y todo con alta confiabilidad y baja latencia.

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Si bien nosotros, como ingenieros, tendemos a centrarnos en las especificaciones emergentes, como el ancho de banda, la latencia y demás, una de las bases de 5G es la flexibilidad. Si observamos cómo se forman las especificaciones, vemos que las formas de onda se definen para permitir una gama de casos de uso previstos actualmente con disposiciones para casos de uso que aún no se han imaginado.

En un alto nivel, 5G está motivado por el deseo de habilitar tres casos de uso principales.

  • Mejorar la banda ancha móvil (eMBB)
  • Conectividad masiva de tipo de máquina (mMTC)
  • Comunicaciones ultraconfiables de baja latencia (uRLLC)

Actualmente, gran parte del enfoque de 5G de la industria está en la banda ancha móvil mejorada, impulsando hacia una alta capacidad de red y un mayor rendimiento que utiliza técnicas de formación de haces en el espectro de banda media y banda alta. También estamos comenzando a ver surgir casos de uso, como la automatización industrial, que aprovechan las características de baja latencia de la arquitectura de red 5G.

¿Dónde contribuye mejor la tecnología de radio a 5G?

La banda ancha móvil mejorada impulsa la necesidad de un mayor rendimiento de datos y una mayor capacidad de red. La capacidad de la estación base celular se puede aumentar a través de tres iniciativas principales: adquirir nuevo espectro, aumentar la densidad de la estación base y mejorar la eficiencia espectral. Si bien seguimos viendo que el nuevo espectro está disponible para uso móvil a nivel mundial y la densidad de la red aumenta a través de la adición de celdas pequeñas, sigue existiendo una mejora muy necesaria en la utilización del espectro disponible. En los últimos años, MIMO masivo ha surgido como una tecnología que puede proporcionar mejoras significativas en la eficiencia espectral. Massive MIMO se basa en el uso de muchos elementos de antena activos que se pueden adaptar de manera coherente para entregar una señal con precisión a un usuario previsto en el espacio, mientras se controla la interferencia a otros usuarios. La gran cantidad de antenas combinadas con algoritmos de procesamiento de señales permiten que los sistemas lleven esencialmente la reutilización de frecuencias a la microescala. Esto introduce un nuevo factor en la ecuación de reutilización de frecuencias por el que ahora se utiliza el espacio para permitir que la estación base entregue simultáneamente flujos de datos independientes a múltiples usuarios al mismo tiempo y en el mismo espectro. Esto da como resultado una gran mejora en la eficiencia espectral, lo que a su vez da como resultado una gran mejora en el rendimiento de la celda. La figura 1 ilustra un sistema de este tipo. La antena aparece físicamente como un panel, en el que se montan muchos radiadores (elemento de antena). Detrás de cada radiador hay una cadena de señales de radio.

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Figura 1. MIMO masivo.

¿Cuál es el estado de MIMO masivo?

Se ha demostrado que Massive MIMO proporciona una mejora de 3 a 5 veces en el rendimiento de datos móviles con la promesa de mejoras adicionales. Muchos operadores móviles de todo el mundo han completado pruebas masivas de MIMO y se espera que la implementación comercial inicial de esta tecnología comience en el período de 2022 a 2022 por parte de los primeros usuarios para abordar las áreas más congestionadas en sus redes. En el futuro, a medida que evoluciona la tecnología MIMO masiva y se agregan nuevas características en los estándares inalámbricos 3GPP, esperaríamos que este factor de forma de radio se propague a través de las redes móviles a nivel mundial.

¿Cómo está trayendo esta tecnología desafíos para la comunidad de ingenieros?

En los sistemas MIMO masivos, agregamos muchos más canales de radio al sistema escalando desde el típico cabezal de radio 8T8R (ocho transmisores, ocho receptores) TDD (dúplex por división de tiempo) hasta un sistema de 64T64R. Si bien los sistemas MIMO masivos brindan una gran mejora en la capacidad de la estación base, esta mejora tiene el costo de una mayor complejidad en el cabezal de radio. Los despliegues de radio históricos utilizan recintos de antenas pasivas alimentados por cables por cabezales de radio remotos. La estructura física masiva de MIMO se basa en una arquitectura de antena activa en la que las cadenas de señales de radio activas ahora están integradas dentro del ensamblaje de la antena. Dado que estos sistemas de radio suelen estar montados en torres o postes, existen limitaciones en cuanto al tamaño y peso permitidos del sistema de antena activo. Si bien el tamaño de la antena está dictado por el espaciado de los elementos de la antena, el consumo de energía de CC también es una consideración clave que afecta el peso del sistema. Existen muchos desafíos técnicos para que el diseñador de radio logre el rendimiento de radio requerido dentro de los límites de tamaño, peso y consumo de energía.

¿Cómo permiten los productos ADI 5G y cuáles son sus soluciones recientes para desarrollos de radio?

Existen varios enfoques para reducir el tamaño, el peso y el consumo de energía del sistema de radio, el enfoque más común aprovecha la integración de circuitos y la ley de Moore para reducir el tamaño y mejorar la eficiencia energética. En Analog Devices, promovemos un enfoque a nivel de sistema para resolver estos grandes problemas. Si bien la integración es, por supuesto, el camino más directo para reducir la radio, la integración por sí sola puede no generar los dividendos deseados. Sin embargo, si particionamos el sistema y optimizamos la arquitectura para la integración, producimos un resultado mucho más impresionante. Por ejemplo, si nos basamos en una arquitectura de radio que puede reducir y/o eliminar filtros grandes y otros elementos pasivos, esto conduce a una solución general superior. Por ejemplo, la adopción de una arquitectura de radio de IF cero conduce a la complejidad del sistema y al consumo de energía más bajos en general y conduce a altos niveles de integración de funciones de radio.

La cartera de Analog Devices de transceptores de radio CMOS integrados basados ​​en la arquitectura de IF cero presenta un alto nivel de integración que proporciona una mejora significativa en el tamaño, el peso y el consumo de energía del sistema de radio en general. Además de los transceptores de radio CMOS, ADI ofrece una amplia cartera de componentes de RF de alto rendimiento para las cadenas de señales de frontend de radio, funciones de control y monitoreo de precisión y circuitos de administración de energía altamente eficientes.

Algunos ejemplos de nuestra galardonada cartera de transceptores incluyen el AD9375 y el recientemente anunciado ADRV9009. En 2022, anunciamos nuestro AD9375, el primer transceptor de RF que incorpora el algoritmo de distorsión previa digital (DPD) en el chip diseñado específicamente para optimizar la eficiencia de potencia de transmisión para radios de celdas pequeñas y sistemas de antena activa. “La repartición del sistema DPD de la FPGA al transceptor reduce a la mitad la cantidad de carriles de interfaz de datos en serie JESD204B, lo que genera un ahorro de energía espectacular, especialmente a medida que aumenta la cantidad de antenas por estación base”.1

Figura 2. El transceptor de RF de mayor ancho de banda de la industria acelera el desarrollo de estaciones base de 2G a 5G y radares de matriz en fase.

Recientemente, ADI amplió nuestro galardonado RadioVerse ecosistema de tecnología y diseño con el transceptor de RF de mayor ancho de banda de la industria, el ADRV9009, que proporciona a los diseñadores una única plataforma de radio para acelerar el despliegue de 5G, mantener la cobertura 2G/3G/4G y simplificar el diseño de radar de matriz en fase. El transceptor de RF ADRV9009 ofrece el doble de ancho de banda (200 MHz) que los dispositivos de la generación anterior y reemplaza hasta 20 componentes, reduciendo la potencia a la mitad y el tamaño del paquete en un 60 %. El ADRV9009 admite la sincronización de fase multichip con LO (osciladores locales) internos, lo que permite una formación de haces digital de alto rendimiento al tiempo que reduce el tamaño, el peso y el consumo de energía.

Cuéntenos más sobre la tecnología inalámbrica RadioVerse de Analog Devices y cómo acelera 5G.

La tecnología RadioVerse es la encarnación de cómo hemos aprovechado nuestro enfoque a nivel de sistema para aportar valor a nuestros clientes. Nuestra cartera integral de productos de bits a antena más la experiencia a nivel de sistema nos permite convertirnos en más que un proveedor: nos convertimos en socios de nuestros clientes para ayudarlos a resolver sus problemas más difíciles. Por ejemplo, al involucrar y aprovechar el ecosistema de RadioVerse en nuestro sitio web, los clientes pueden pasar rápidamente del concepto al prototipo hasta la producción.

Ya sea que nuestros clientes estén diseñando con nuestros productos transceptores altamente integrados o con nuestro convertidor de datos de vanguardia y cartera de RF, la tecnología RadioVerse brinda amplia información técnica, diseños de referencia, software y herramientas para ayudar en el proceso de diseño. A través de EngineerZoneuna comunidad de soporte activo que incluye foros de soporte, blogs y más, los diseñadores pueden interactuar con nuestros expertos técnicos y obtener respuestas a las preguntas de diseño rápidamente.

El diseño de referencia de celda pequeña AD9375 es otro buen ejemplo de lo que puede encontrar en el ecosistema de RadioVerse. El diseño de referencia en la Figura 3 incluye todos los componentes necesarios para la radio de celda pequeña, desde la interfaz SERDES hasta la antena. El diseño es adecuado para celdas pequeñas de interior con potencia de salida 2T2R de 250 mW por antena. Todos los componentes de radio están en la placa, incluido el AD9375 con DPD, PA de alta eficiencia, LNA, filtros y una solución de alimentación. El consumo de energía es <10 W y viene en un factor de forma muy pequeño, sentado cómodamente en su mano. Un solo suministro de 12 V es todo lo que se requiere para alimentar la placa y viene con un kit de evaluación que se conecta directamente a un subsistema de banda base para permitir que un diseñador prototipee rápidamente su sistema.

Figura 3. Diseño de referencia.

¿Puede compartir la realidad comercial de 5G y su adopción y crecimiento?

A fines de 2022, el 3GPP publicó la primera especificación 5G NR (Versión 15). Si bien esta especificación no independiente es el primero de muchos pasos para lograr 5G, esto permitió a los proveedores de SoC avanzar con módems para respaldar la disponibilidad de teléfonos 5G en 2022. Recientemente, el 3GPP anunció otra piedra de molino sobre la finalización de la especificación independiente 5G NR, que permitirá el despliegue independiente de redes 5G NR. Si bien el espectro de elección varía según la región, se espera que las implementaciones de 5G se lancen comercialmente en 2022 y los consumidores comiencen a experimentar los primeros beneficios de la tecnología 5G. Esperamos que 5G MIMO masivo aproveche el espectro de banda media en muchas regiones, seguido de implementaciones de ondas milimétricas a medida que esta tecnología madure. En cualquier caso de implementación, ya sea de banda baja, banda media u onda milimétrica, ADI brinda a nuestros clientes una cartera de tecnología sólida y en constante evolución para permitirles mantenerse a la vanguardia de lo que es posible. en 5G.

Referencias

1 “Analog Devices sienta las bases para la migración de 4G a 5G con la tecnología inalámbrica RadioVerse ampliada y el ecosistema de diseño”. Dispositivos analógicos, Inc., junio de 2022.

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