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Las limitaciones para el despliegue y la adquisición de estaciones base requieren equipos de radio y antenas más pequeños y ligeros adaptados Mimo a gran escala 5G((mimo)). Mejora del procesamiento de señales, Equipo de alta eficiencia, De componentes discretos a Módulo frontal (FEM) make it possible to meet these needs.
La industria de radiofrecuencia y microondas ha hecho grandes progresos en la realización de la infraestructura inalámbrica comercial de 6ghz 5G, as í como en la comunicación inalámbrica de onda milimétrica. La atención temprana a la 5G se ha desplazado a la formulación de normas de la industria 5G. Los fabricantes de componentes y sistemas han hecho varios ajustes en la arquitectura de la Estación base 5G aplicable y extensible. Estas arquitecturas se pueden utilizar para usuarios móviles, Internet de las cosas, etc. La aplicación proporciona un rendimiento de datos más rápido y una mayor capacidad.
Con el fin de lograr la evolución de 4G a 5G y aumentar la capacidad 100 veces para satisfacer nuestras crecientes necesidades de datos, es necesario realizar cambios fundamentales en la arquitectura y el diseño del sistema de radiofrecuencia de comunicaciones celulares. Frente a la mayor demanda de comunicación, como los usuarios, los equipos, los automóviles, los instrumentos inteligentes, los equipos de área extendida de baja potencia y otras comunicaciones de máquina a máquina, el sistema celular 4G que utiliza el sistema de antena de sector fijo se enfrentará a la escasez de capacidad. Es bien sabido que en la teoría de la comunicación de alto nivel, para maximizar el rendimiento del canal inalámbrico, es necesario maximizar la relación señal - ruido (SNR) o la relación señal - ruido (sinr). Las redes celulares de alta densidad suelen estar limitadas por perturbaciones en lugar de ruido, lo que obliga a las arquitecturas de radiofrecuencia a evolucionar hacia sistemas que gestionan las perturbaciones. Aquí es donde entra el sistema mimo. En comparación con el sistema 4G, mimo tiene más transceptores y unidades de antena, utiliza el procesamiento de señales beamforming para transferir energía de radiofrecuencia al usuario, y ajusta el azimut y la elevación para controlar dinámicamente el haz de antena para alejarlo de la fuente de interferencia, reduciendo así la interferencia. El sinr, el rendimiento y la capacidad general del sistema se mejorarán mediante la transferencia de energía de radiofrecuencia a los usuarios y la eliminación de las señales de interferencia.
Challenges of mMIMO
With the realization of 5G antenna arrays and Tecnología mimo, Los operadores de redes inalámbricas se enfrentarán a desafíos de despliegue al pasar de LTE 4G a estaciones base 5G. Es probable que esta evolución gradual sea testigo del desarrollo de ambas tecnologías durante mucho tiempo.. Las estaciones base 4G LTE y 5G tienen una disposición física similar y pueden montarse en torres celulares e instalaciones de techo existentes en la misma ubicación. De acuerdo con la configuración actual, Minimizar la interferencia y la brecha de cobertura.
Con la proliferación de estaciones base 5G en las estaciones existentes, el espacio de instalación disponible se reducirá drásticamente. Durante el despliegue continuo de la Estación base LTE 4G en algunas zonas, el espacio de instalación ha sido escaso. De hecho, muchas torres de teléfonos móviles se han sobrecargado hasta el límite de su capacidad de carga, lo que se refleja en el creciente caos en el entorno urbano.
La figura 1 muestra una instalación típica de la torre, que incluye una antena de dos capas, un cable de radio, un cable de radiofrecuencia y un alimentador. El peso de cada sector es de aproximadamente 250 kg. La carga eólica, la carga de hielo y el brazo de fuerza son los factores clave que influyen en la superposición de la Estación base en la torre. Durante la instalación, se prestará atención a la capacidad de recuperación de la Estación base y a la continuidad del servicio en condiciones meteorológicas adversas.
Para hacer frente a estos desafíos, es necesario utilizar un diseño de estación base Sub - 6 GHz 5G más pequeño y de mayor densidad. Al mismo tiempo, el peso y el volumen de la Estación base siguen siendo factores clave que deben ser considerados por los diseñadores de sistemas, ya que los operadores inalámbricos requieren una gran cantidad de mano de obra y costos de equipo durante la instalación y el mantenimiento posterior. Cuando el coste de funcionamiento se calcula únicamente sobre la base del tamaño de la abertura de la antena, el operador de la torre ha recurrido básicamente al modelo de fijación de precios, es decir, el peso de la Estación base, el tamaño de la abertura y el volumen se utilizan para calcular el coste. El costo inicial de la instalación también depende de la ubicación, el peso y el tipo de instalación: Torre o techo, una o dos unidades, si se utiliza una grúa, etc. el sistema 4G original se divide en la parte delantera de la radio y la antena. La parte delantera de la radio se encuentra generalmente en el suelo y la antena pasiva se monta en la torre. En otros dispositivos, la radio y la antena se encuentran en la torre, ambos a un costo comparable. La antena mimo de 5 g coloca la electrónica activa en la torre detrás de la antena para que se encuentren en la unidad integrada.
Por supuesto, el tamaño y el tamaño de la Estación base son siempre el núcleo de las preocupaciones de los proveedores de componentes de radiofrecuencia, diseñadores de estaciones base y operadores. La escasez de Torres y techos exacerbará estos problemas. Debido a que la frecuencia y el sentido común de la física requieren una distancia de 100 metros entre las estaciones base, es difícil obtener la estación en el camino para realizar la conexión comercial de onda milimétrica 5G. Cuando se instala en postes de luz, señales de tráfico, paradas de autobús u otras estructuras, el equipo de la Estación base de onda milimétrica debe ser mucho más ligero que cuando se instala por separado para que no parezca demasiado prominente.
Además, la atención prestada a la Potencia radiada omnidireccional efectiva (EIRP) en todos los ámbitos de la vida agravará el desafío de la adquisición de emplazamientos. Aunque las estaciones base LTE de 4G y 5g de sub6 GHz pueden mostrar niveles similares de EIRP en el cálculo de la ganancia de beamforming, las frecuencias más altas y las frecuencias más altas requerirán una mayor potencia de radiofrecuencia para compensar la pérdida de penetración del edificio y mejorar la EIRP para lograr un nivel similar de cobertura interior. La pérdida de difracción, la eficiencia de apertura y la pérdida de trayectoria se ven afectadas por la frecuencia (es decir, de 6 a 12 DB por octava). Al mismo tiempo, debido a la profundidad de la piel y la conductividad del vidrio recubierto, la mampostería conductiva (húmeda), la superficie del ladrillo y otros materiales, la pérdida de permeabilidad aumentará dramáticamente a altas frecuencias.
Los requisitos de salud y seguridad establecen límites de radiación para la EIRP (1 MW por centímetro cuadrado) y las zonas restringidas deben mantenerse a niveles aceptables durante la transición de 4 g de LTE a 5 G. Por lo tanto, el aumento del nivel de EIRP plantea naturalmente algunos problemas de instalación. Si se utiliza la Potencia máxima teórica, se combinarán con la implementación de la técnica de beamforming mimo. A diferencia de las antenas convencionales, los conjuntos de antenas de barrido de haz pueden irradiar en varias direcciones, incluso en la acera. Esta cuestión relacionada con la salud y la Seguridad limitará aún más la adquisición de estaciones base 5G y aumentará la presión sobre el diseño de estaciones base pequeñas y de baja potencia que deben desplegarse de manera flexible y garantizar la seguridad.
Reduce size and weight
When optimizing the size and weight of sub-6 GHz base stations, Los factores de diseño deben tenerse en cuenta. Del componente al sistema, Consumo de energía, Eficiencia, La disipación de calor es lo más importante.
El tamaño de la abertura de la antena depende totalmente del número de elementos de la antena, y el número de elementos de la antena depende de la capacidad de red requerida y de la interferencia esperada. Independientemente de que la matriz tenga 64, 128 o 192 células, su tamaño físico depende de las características físicas de la matriz, los requisitos del ángulo de escaneo, el rendimiento del lóbulo de rejilla y el ancho del haz. El tamaño y la altura de la Estación base están determinados por el equipo electrónico subyacente y la disipación de calor. En ese sentido, vemos un amplio margen de mejora.
En comparación con el sistema LTE típico, el aumento del hardware de procesamiento de señales es el factor clave que afecta el tamaño del sistema que a menudo se ignora en el mimo de 5 G. El sistema mimo puede conectar 192 elementos de antena a 64 FEMS transmisores / receptores (trx). Estos FEMS trx tienen 16 transceptores rfic y 4 frontales digitales (dfe), que son los mismos que los cuatro transceptores en un mimo LTE 4T típico. En comparación, el rendimiento del procesamiento digital de señales puede mejorarse 16 veces (figura 2). Por ejemplo, cuando la frecuencia aumenta de 20 MHz a 100 MHz, el ancho de banda se multiplica por cinco, y los múltiplos de procesamiento de señales son sorprendentes.
La pila muestra las funciones de la antena integrada mimo típica y la radio. La capa superior incluye una unidad de antena y la capa inferior incluye un circuito RF y digital. Aunque las capas trx Fem, rfic y dfe son placas de circuitos independientes, en realidad estas tres funciones se combinarán en una o dos capas de funciones densamente encapsuladas para minimizar la interconexión.
En comparación con el hardware adicional en los sistemas mimo, el impacto posterior en el consumo de energía y la disipación de calor puede ser más sorprendente. En el pasado, el consumo de energía del amplificador de potencia (PA) fue la consideración más importante en el diseño del radiador y la fuente de alimentación de la Estación base. En la actualidad, el consumo de energía de los dispositivos electrónicos de procesamiento de señales se acerca al consumo de energía del amplificador de potencia del vehículo, y en algunos casos incluso supera el consumo de energía del amplificador de potencia del vehículo.
Al optimizar el algoritmo de ajuste de la señal y la forma de onda que se aplica a la transmisión de la señal, el aumento significativo del hardware de procesamiento de señales se puede cancelar en cierta medida. Los algoritmos tradicionales de acondicionamiento de señales, como la reducción del factor de corte máximo y la predistoración digital (DPD), se desarrollan principalmente para macroestaciones base con amplificadores de alta potencia. En comparación con el uso de amplificadores de potencia de menor tamaño y menor potencia para llenar la antena mimo, los algoritmos tradicionales requieren una carga de trabajo de procesamiento más compleja y pesada. Ya sea asic / SOC Personalizado o FPGA, estos algoritmos pueden consumir fácilmente el 75% de los recursos de procesamiento de señales disponibles en el procesador dfe. Al simplificar estos algoritmos en la arquitectura mimo de 5 g y reasignar funciones a múltiples bloques lógicos, los algoritmos de optimización en cada bloque minimizado mejorarán la eficiencia del procesamiento de señales y reducirán el consumo total de energía.
La figura 4 es un Diagram a funcional que ilustra la relación entre el procesamiento digital de señales y el transceptor 16 en un sistema mimo. Esta arquitectura es un diseño típico de mimo, but there are some differences in logical partitioning (such as 8 or 16-channel DFE), O utilizar componentes discretos en lugar de Fem integrado. Según la figura 4, De izquierda a derecha, 64 rutas de radio y transceptor se dividen en 16 rfics transceptores. Estos 16 transceptores rfic se utilizan para conducir 4 dfes, Estos dfe procesarán datos digitales de 64 canales y se conectarán al procesador beamforming y al procesador de interfaz de Banda base. The advent of RF SOC with direct sampling analog-to-digital converter (ADC) and digital-to-analog converter (DAC) with a conversion rate of approximately 60 GSPS helps to reduce the steps required for analog-to-digital and digital-to-analog conversion in traditional transceiver architectures. Por lo tanto, el tamaño y el peso de la antena 5G se reducen.. Abandonar el mezclador, Convertidor y Oscilador local, Reducción del número y el costo generales de los componentes.
Con mmic avanzado y Tecnología de empaquetado MCM En el diseño Fem, Capacidad adicional de refrigeración y ahorro de espacio. La figura 7 muestra un diseño mimo simplificado, Excluyendo la fuente de alimentación y la interfaz de fibra óptica. La carcasa encapsulada extiende el radiador dentro de la carcasa para reducir el peso de las piezas moldeadas y mejorar la eficiencia térmica. El tablero trx integra FEM y rfic, Fem conduce calor a través de un agujero caliente, El calentamiento rfic se hará a través de la tapa. Esto permite que el calor se disipe en varias direcciones en lugar de en una dirección de FEM y rfic. El calor puede emanar de la tapa superior y la parte inferior del paquete a través de los agujeros de tierra y la placa inferior, Reducción más eficiente y eficiente de los conjuntos de radiadores. Además, Fem puede conducir calor a través de agujeros calientes y tapas para maximizar el rendimiento de disipación de calor.
