این نوشته به بررسی نیازمندیهای سخت افزاری و چالشهای ساخت ایستگاه پایه نسل پنجم و راهکارهای موجود برای تحقق سختافزاری ایستگاه پایه میپردازد. افزایش تعداد باندهای فرکانسی، افزایش تعداد زنجیرههای فرستنده-گیرنده، افزایش پهنای باند، کاهش ابعاد، وزن و مصرف توان از چالشهای طراحی سختافزار ایستگاه پایه نسل پنجم 5G هستند.
کلمات کلیدی: 5G، ترنسیور مجتمع، ایستگاه پایه، شکلدهی پرتو، MIMO
مقدمه
افزایش تعداد باندهای فرکانسی، افزایش سیستمهای مرتبط به فرستنده و گیرنده، افزایش پهنای باند برای افزایش ظرفیت رادیو، همزیستی میان باندها و استانداردها، افزایش توان خروجی متوسط، کاهش ابعاد، وزن و مصرف توان (SWaP[1]) از چالشهای طراحی سختافزار ایستگاه پایه نسل پنجم 5G میباشند. با پیچیدهتر شدن پردازش شکلدهی پرتو[2] و افزایش حجم پردازشهای خطی سازی و بالا / پایین بردن دیجیتالی فرکانس بهدلیل افزایش تعداد زنجیرههای فرستنده / گیرنده، سختافزار پردازنده قدرتمندتر و تعداد خطوط ارتباطی بیشتر و سریعتری نیاز است. در این نوشته نگاهی به این چالشها و رویکردهای موجود برای ساخت ایستگاه پایه نسل پنجم میپردازیم.
باند فرکانسی 5G شامل محدوده زیر 6 گیگاهرتز (FR1) با پهنای باند تا 100 مگاهرتز و باند موج میلیمتری (FR2) با پهنای باند تا 400 مگاهرتز است که نیازمند فرستنده گیرنده با پهنای باند بالا و در نتیجه واسطهایی سریعتر مانند JESD204[3] است که مصرف توان بالایی دارند؛ بنابراین یکپارچهسازی بیشتر قطعات فرستنده-گیرنده، مبدل داده و پردازشگر ارجحیت مییابد.
با توسعه مبدلهای پرسرعت داده با نرخ نمونهبرداری دهها Gsps[4] این امکان فراهم شده است که طراحی با معماری RF مستقیم انجام شود. معماری RF مستقیم با حذف یا کاهش تعداد قطعات گران قیمت آنالوگ موجب افزایش کارایی، کاهش هزینهها و کاهش SWaP میشود. شکل 1 روند تکامل قسمت جلویی RF از ساختار آنالوگ سوپرهتروداین به ساختار نمونهبرداری مستقیم IF و ساختار نمونهبرداری مستقیم RF را نشان میدهد. با در دسترس قرار گرفتن مبدلهای آنالوگ قادر به تبدیل مستقیم RF، واسطهای موازی پرسرعت به گلوگاه جدیدی در طراحی بدل شدند. سرانجام واسط سریال JESD204 برای این مبدلهای سریع استانداردسازی شد. آخرین نسخه JESD204C از بیشینه نرخ انتقال 32 گیگابیت بر ثانیه در هر خط پشتیبانی میکند. این استاندارد سریال در مقایسه با اتصال موازی مزایای متعددی از جمله کاهش فضای برد، سادگی مسیردهی [5]PCB، کاهش اندازه پکیج تراشه مبدل، کاهش مصرف توان ورودی / خروجیها و ساده شدن زمانبندی واسط را دارد.
شکل 1: تکامل قسمت جلویی RF از کاملاً آنالوگ به دیجیتال با نمونهبرداری مستقیم RFا[3]
طراحان مدار مجتمع برای برآوردن نیاز 5G به توان بیشتر RF و ضریب قله بالاتر، به فناوریهایی مانند GaAs[6] برای تقویتکنندههای توان با بازده بیشتر و [7]MMICهای تقویت کننده توان با ساختار دو هرتی روی آوردهاند. هرچند این تقویتکنندهها نسبت به تقویتکنندههای کلاس AB بازده بالاتری دارند، ولی همچنان دارای مشخصات غیرخطی و حافظهدار میباشند که بهمعنای لزوم بهکارگیری روشهای پیش اعوجاج دیجیتال (DPD[8]) برای حفظ تمامیت سیگنال است. هرچه پهنای باند بیشتر باشد، قسمت جلویی دیجیتال ([9]DFE) که DPDرا پردازش میکند، نیاز به افزایش متناسب در توان پردازشی دارد.
شکل موجهای [10]CP-OFDM و [11]DFT-s-OFDM که در 5G-NRمعرفی شدهاند موجب افزایش کارایی طیفی میشوند، اما مستلزم پیچیدهتر شدن پردازش باند پایه لایه فیزیکی نسبت به OFDM مورد استفاده در LTE هستند. علاوه بر این، الگوریتمهای [12]LDPC و Polar برای بهبود نرخ داده در کانالهای نویزی استفاده میشوند. هرچند این الگوریتمها از نظر محاسباتی دارای پیچیدگی زیادی هستند. لذا برای سبک کردن محاسبات به سخت افزارهای شتابدهنده نیاز است.
الزامات ایستگاه پایه 5G
الزامات سختافزاری
شکل 2، اجزای کارکرد اساسی یک ایستگاه پایه یکپارچه gNodeB را نشانمیدهد. لایه 2 و لایه 3 مدل [13]OSI مسئول واحدهای پردازش پاکت هستند و الزامات زمانبندی سادهتری نسبت به لایه 1 فیزیکی دارند. این لایهها میتوانند بر روی پردازندههای همه منظوره (GPP[14]) اجرا شوند که معمولاً شامل چندین هسته Arm یا Intel هستند. تعداد هستههای این پردازندهها متناسب با نرخ داده مورد نیاز است. شتابدهندههای پاکت برای اتصال و امنیت در پشتیبانی، به کاهش بار پردازشی و بهبود گذردهی[15] کمک میکنند.
بهعنوان مثال Intel Atom P5900نخستین تراشه 10 نانومتری مبتنی بر معماری شرکت اینتل برای ایستگاه پایه است که پشتیبانی از نیازهای بحرانی شبکه 5G مانند ظرفیت بالا و تأخیر بسیار کم را نوید میدهد. اریکسون، نوکیا وZTE از این تراشه در ایستگاههای پایه خود استفاده خواهند کرد، اما هواوی در تجهیزات شبکه خود از فناوری خود (تراشه Tiangang) استفاده خواهد کرد.
شکل 2: یک gNodeB یکپارچه شامل یک هسته 5G ،PHY ،DFE، فرانت اند RF و پردازش پاکت لایه 2 و لایه 3 [1]
لایه فیزیکی باند پایه (لایه 1) نیازمند یک معماری زمان قطعی[16] (با حاشیه خطای زمانی تضمینشده) است که در آن چندین بلوک پردازش سیگنال در قالب واحدهای پردازش سیگنال اختصاصی کارایی را بهبود میبخشند. تعداد واحدهای DSP مورد نیاز را گذرداد، پهنای باند، تعداد حاملها و تعداد آنتنها تعیین میکنند. در لایه فیزیکی بالا (high-PHY)، تفکیک بار محاسباتی [17]FEC بهطور قابل توجهی منابع [18]DSP مورد نیاز در PHY را کاهش میدهد.
درقسمت جلویی دیجیتال DFE، برای فیلترینگ دیجیتالی، تبدیل بالا / پایین و روشهای خطیسازی مانند کاهش ضریب قله ([19]CFR) و پیش اعوجاج دیجیتال (DPD) منابع DSP بیشتری مورد نیاز است که باعث میشود تا مجتمعسازی فشرده با فرستنده گیرنده دیجیتالی [20]ADC و [21]DAC مورد نیاز گردد که میتواند بر روی تراشه باشد یا از طریق رابطی مانند JESD بهصورت خارجی به [22]DFE متصل شود.
قسمت جلویی RF آنالوگ شامل یک ترنسیور RF که سیگنال باند پایهای آنالوگ را به باند مورد نیاز برای انتقال بیسیم تبدیل میکند، یک تقویتکننده توان (PA[23])، یک تقویتکننده نویز پایین ([24]LNA) و فیلترینگ مربوط به حذف سیگنالهای ناخواسته است. TDD مستلزم یک سوئیچ ارسال / دریافت است که در مرزهای فریمها با کنترل نرمافزار PHY فعال میشود. طراحی تقویت کنندههای توان و فیلترها مختص هر باند انجام میشود.
اجزای نرمافزاری
شکل 3: اجزای نرمافزاری ایستگاه پایه نسل پنجم
شکل 3 نشان میدهد که الگوریتمها و وظایف انجام شده توسط اجزای نرمافزاری مشخصشده در بخش قبل بهطور دقیقتر چگونه عمل میکنند. SoC باندپایه از دو بخش HighPHY و LowPHY تشکیل میشود. در نقطه شکست 7.2[25] بخش اعظم HighPHY و اجرای شکلدهی پرتو در [26]AAU و LowPHY در [27]BBU پیادهسازی میشود.پشته[28] و PHY از رابط [29]FAPI استفاده میکنند و میتواند بر روی Ethernet نیز اجرا شود. FAPI 5G عملکرد GPP و SoC[30] باند پایه را از لحاظ فیزیکی جدا میکند.
معماری تراشهها متناسب با نیازمندیهای 5G
با شناخت الزامات ایستگاه پایه 5G سازندگان قطعات مدار مجتمع نیز برای پاسخ به نیازمندیهای 5G محصولات جدیدی به بازار عرضه کردهاند. این محصولات همسو با توسعه بازار و بلوغ 5G توسعه دادهشدهاند. رویکرد اصلی، ساخت قطعات جدید مجتمعسازی فرانت اند آنالوگ، توسعه تراشههای مجتمع شکلدهنده پرتو، مجتمعسازی DFE و مدارات مبدل داده و پردازنده و سرانجام سخت افزاری کردن کدهای [31]HDL و ساخت ASIC[32] ها برای رسیدن به محصول با شمارگان بالا است.
مجتمعسازی قسمت جلویی آنالوگ
با مطرح شدن فناوری MIMO[33] و عملیاتی شدن شکلدهی پرتو نیاز افزایش تعداد سیستمهای مرتبط به فرستنده و گیرنده در نسل پنجم پیش آمد که عملاً امکان پیادهسازی گسسته مدارات RF را با روشهای سنتی سوپرهتروداین غیرممکن ساخت. برای پاسخ به این نیاز فرستنده-گیرنده مجتمع چندکانالی به بازار ارائه شد. این ترنسیورها بخش قسمت جلویی آنالوگ را مجتمعسازی میکنند. فرستنده گیرنده چندکانالی با معماری IF مستقیم یا معماری RF مستقیم قابل پیادهسازی هستند. معماری RF مستقیم پهنای باند بیشتری با مصرف توان بیشتر در اختیار میگذارد و برای کاربرد موج میلیمتری مناسب است.
فرستنده-گیرنده IF مستقیم مدارات بالا / پایین برنده فرکانس و نوسان سازهای محلی و سینتی سایزرهای فرکانس، مبدلهای آنالوگ به دیجیتال و مبدلهای دیجیتال به آنالوگ و خطوط سریال JESD و برخی بلوکهای دیجیتال را بهصورت مجتمع در یک تراشه ارائه میدهند. از جمله این ترنسیورها میتوان به ADRV9026 و ADRV9029 شرکت آنالوگ اشاره کرد که دارای چهار فرستنده، چهار گیرنده و چهار گیرنده نظارتی (4T4R4O) با پهنای باند MHz ۲۰۰ برای گیرنده است. بهعنوان مثال برای ساخت یک سلول کوچک 4T4R نسل پنجم در باند زیر ۶ گیگاهرتز از یک عدد از این ترنسیورها در کنار یک FPGA[34] و مدارات قسمت جلویی و تقویتکننده و آنتن میتوان استفادهکرد.
از جمله فرستنده-گیرنده RF مستقیم میتوان قطعه AD9988 شرکت آنالوگ که دارای چهار کانال فرستنده و گیرنده با پهنای باند MHz ۱۲۰۰ یا قطعه AFE7920 شرکت تگزاس که دارای چهار کانال فرستنده با پهنای باند MHz ۱۲۰۰ و چهار کانال گیرنده با پهنای باند MHz 600 است را نام برد. این دو قطعه برای پیادهسازی AAU موج میلیمتری مناسب میباشند.
تراشههای مجتمع شکلدهنده پرتو
با ضرورت یافتن استفاده از MIMO و شکلدهی پرتو در 5G بهویژه در محدوده فرکانسی موج میلیمتری، تراشههای مجتمع اختصاصی برای شکلدهی پرتو طراحی و در دسترس قرار گرفته است. برخی از محصولات معروف در این زمینه عبارتند از:
RFFM4554، AFE7071، ADAR1000 همگی دارای 4 کانال برای فرکانسهای تا 6 گیگاهرتز.
PE29102 : دارای 4 کانال و قابلیت پشتیبانی از MIMOدر فرکانسهای تا 40 گیگاهرتز.
ADMV4821 و ADMV4828 دارای هشت کانال با قطبش افقی و هشت کانال با قطبش عمودی در باند 24 تا 29.5 گیگاهرتز.
مجتمعسازی DFE و ADC/DAC و پردازنده
مجتمعسازی مبدلهای داده موجب کاهش زیاد در تلفات حرارتی ایستگاههای پایه 5G میشود. مقدار صرفهجویی حدود یک وات برای هر جریان داده (هر خط JESD204) است. در یک 64T m-MIMO این صرفهجویی بیش از 60 وات از کل بودجه تلف حرارتی 250 واتی خواهد بود [2].
شرکت اینتل با معرفی سری FPGAهای RF مستقیم Agilex 9 و Stratix 10 و ASICهای قادر به تبدیل مستقیم سیگنال RF در چندین کانال ورودی و خروجی با نرخهایی بهسرعت 12 گیگابیت بر ثانیه روی 16 کانال و 64 گیگابیت بر ثانیه روی 8 کانال با پهنای باند 36 گیگابیت بر ثانیه امکان پیادهسازی راهحلهای بهینه در کاربردهای RF را فراهم کرده است [3]. شرکت زایلینکس نیز قطعات جدید Zynq UltraScale+ RFSoC خود را گسترش داده است که قادر به پوشش باند فرکانسی کامل زیر 6 گیگاهرتز برای پیادهسازی شبکه 5G هستند. این قطعات از مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) 14 بیتی با نمونهبرداری مستقیم RF تا نرخ 5GS/S و از مبدل دیجیتال به آنالوگ 14 بیتی (DAC) با نرخ GS/S 10 با پهنای باند آنالوگ تا 6 گیگاهرتز پشتیبانی میکنند. با حذف قطعات گسسته، تا 50 درصد کاهش توان و فضای برد فراهم میشود که این قطعات را برای ایستگاههای پایه MIMO نسل پنجم مناسب میکند. این پلتفرم رادیویی تطبیقپذیر با فراهم کردن سازگاری پین میان نسلهای مختلف تراشه، به مشتریان این امکان را میدهد تا با استفاده از تراشههای نسل اول، سیستم خود را طراحی و پیادهسازی کنند و راهبردی برای نسل دوم و سوم در پیش بگیرند تا عملکرد بیشتری برای خود بهدست بیاورند.
شکل 4: مصرف توان برحسب کارکرد در یک ترنسیور گسسته 5Gا[2]
شکل 5: مجتمعسازی مبدلهای داده و پردازندهها در محصول RFSoCا[2]
تبدیل کد نرم افزاری HDL به سختافزار ASIC
تبدیل کدهای HDL پردازشهای دیجیتال به سختافزار ASIC زمانی توجیهپذیر میشود که الزامات عملکردی تثبیت شده باشند و بازار کشش تولید انبوه را داشته باشد. این موضوع در مورد LTE محقق شده است و تولیدکنندگان در تولید ایستگاههای کاری از ASIC استفاده میکنند. در مورد 5G هنوز برخی از متغیرها به بلوغ کافی نرسیدهاند و جنبههای مختلفی از شبکه هنوز در حال تکامل میباشند. مثلاً پیادهسازی شکلدهی پرتو هنوز در حال بهبود است. پهنای باند در حال افزایش است و رویکرد این است که بهجای 100 مگاهرتز از پهنای باند 200 مگاهرتز یا بیشتر پشتیبانی شود تا نسخههای کمتری از یک محصول تولید شود که از لحاظ بهره برداری و نگهداری و تأمین قطعات مقرون به صرفه تر باشد. پیادهسازیهای استاندارد نوظهور O-RAN[35] تا نهاییسازی نقطه شکست 7.2 و قطعیشدن کارکردهای کلیدی مانند پیش کدینگ، نگاشت لایه و تخمین کانال در حال تغییر میباشند و چند سالی تا تثبیت آنها زمان لازم است، به ویژه در شرایط فعلی که بازار هنوز در حال شناخت عملکرد شبکه 5G در دنیای واقعی است و با گذار بهسوی 5G SA همچنان انعطافپذیری طراحی سیستم یک نیاز واقعی است. همه این دلایل باعث میگردد تا زمانی مجهولات و الزامات 5G بهدرستی شناخته شود، استفاده از ASIC به تأخیر بیفتد و از طرحهای منعطفتری مانند فرستنده-گیرنده چندکانالی مجتمع و FPGA یا RFSoC استفاده شود. با اقزایش این پیچیدگیها در 5G حجم آستانه برای توجیهپذیری سرمایهگذاری برای توسعه ASIC، تولید بیش از 200000 واحد در سال است. این حجم برای تولیدکنندگان چینی مانند هواوی و ZTE که نیاز بازار به حجم تولید بیش از 14 میلیون ASIC دارند، برای سرمایهگذاری و تولید ASIC کاملاً توجیهپذیر است.
نگاهی به رویکرد تولیدکنندگان ایستگاه پایه
شرکت سامسونگ
سامسونگ برای توسعه محصولات 5G خود توسعه و تولید سه نوع تراشه 5G را در دستور کار قرار داده است؛ مودمهای SoC، RFICهای موج میلیمتری و sub-6، تراشههای DFE و در نهایت مجتمعسازی [36]DFE-RFIC یا [37]DAFE.
شرکت سامسونگ نسل اول ایستگاه پایه رادیو 5G-NR خود را با واحد رادیو و دیجیتال مجزا (RU-DU با رادیو مجزا) راهاندازی کرد. تراشه مودم 5G SoC به کار رفته در این محصول S9100 نام دارد که موجب کاهش 25 درصدی ابعاد، وزن و مصرف توان در مقایسه با محصول بدون استفاده از تراشه مودم شدهاست. نسل سوم تراشه RFIC سامسونگ هر دو باند 28GHz و 39GHz را پشتیبانی میکند.
بهکارگیری RFICها نقش حیاتی در حمایت از کاهش اندازه و مصرف برق ایستگاههای پایه دارد.RFIC های جدید سامسونگ با استفاده از تکنولوژی نیمه رسانا CMOS 28nmدر پهنای باند تا حداکثر 1.4 GHz در مقایسه با 800 MHz برایRFIC های قبلی کار میکنند. اندازه RFIC به مقدار 36 درصد کاهش یافته و عملکرد کلی با کاهش سطح نویز و بهبود مشخصات خطی، تقویت شده است[4]. بدون سرمایهگذاری درASIC ها، DAFE بهتنهایی بسیار جاگیر و ناکارآمد در مصرف برق است و نمیتواند نیازهای محصول اپراتور را برآورده کند، بنابراین سامسونگ در کنار استفاده از RFIC ها DAFEخود را در قالب یک ASIC با مصرف کم و اندازه کوچک توسعه داده است. تراشه DAFE جدید سامسونگ وظایف RFIC و DFE را برای هر دو کاربرد زیر 6 گیگاهرتز و موج میلیمتری ترکیب نموده و از پهنای باند دو برابر قبل پشتیبانی میکند، ابعاد را کاهش داده و توان خروجی را برای راه حلهای 5G نسل بعدی افزایش میدهد. شرکت سامسونگ اطلاعات دقیقی در مورد شماره قطعه مربوط به SOC شکلدهی پرتو و DAFE خود منتشر نکردهاست، زیرا این تراشهها را بهطور انحصاری برای استفاده در محصولات خود طراحی و تولید کرده است.
شکل 5: روند توسعه تراشهها و محصولات 5G سامسونگ [4]
شرکت هواوی
شرکت هواوی تراشه تیان گنگ Tiangang را برای ایستگاههای پایه 5G طراحی کرده است. این تراشه از طیف وسیع فرکانس (پهنای باند ۲۰۰ مگاهرتز)، یکپارچهسازی بزرگ مقیاس تقویتکنندههای توان فعال و آنتنهای غیرفعال، ظرفیت محاسبات بالا و قابلیت کنترل تا 64 کانال با فناوری شکلدهی پرتو پشتیبانی میکند. تراشه Tiangang همچنین 50 درصد کوچکتر، 23 درصد سبکتر و 21 درصد مصرف انرژی کمتر از نسل قبل دارد. علاوه بر این هواوی مدعی است که زمان نصب ایستگاههای پایه 5G نصف ایستگاههای پایه 4G خواهد بود [5].
جمعبندی
همگام با توسعه و تکامل صنعت زیرساخت رادیویی نسل پنجم، صنعت تولید قطعات الکترونیکی نیز با توسعه فناوری مجتمعسازی، تراشههای جدیدی با معماری متناسب با نیازمندیها و الزامات آن روانه بازار کرده است. این تراشههای مجتمع با کاهش هزینههای SWaP امکان تجاریسازی محصولات را فراهم میکنند. این قطعات با ساختار منعطف امکان استفاده در فاز تحقیق و توسعه و نمونه اولیهسازی را برای طراحان رادیویی و باند پایه ایجاد میکنند. با تکامل و تثبیت عملکرد نمونه اولیه و توسعه بازار امکان سرمایه گذاری برای تولید ASIC و تجاریسازی محصول وجود خواهد داشت.
منابع
[1] Paul A. Moakes, “The challenges of building a 5G base station”, April 2021, (https://www.5gtechnologyworld.com/the-challenges-of-building-a-5g-basestation)
[2] DanMcNamara, ” FPGA vs ASIC: 5G changes the equation”,(https://www.mobile-experts.net/Home/Report/2172)
[3] Jim Felix, “Intel Delivers a Game-Changing Portfolio of Analog-Enabled Intel® Agilex™ 9 FPGAs Direct-RF Series, Structured ASICs, and ASICs”, White Paper, Intel Corporation
[4] http://news.samsung.com
[5] https://www.huawei.com/en/news/2019/1/huawei-first-5g-base-station-core-chip-5g
[6] https://www.5gtechnologyworld.com/functional-splits-the-foundation-of-an-open-5g-ran/
پینوشت
[1] Size Weight and Power
[2] Beamforming
[3] Joint Electron Device Engineering Council Serial Data Interface Standard 204
[4] Giga sample per second
[5] Printed Circuit Board
[6] Gallium Arsenide
[7] Monolithic Microwave Integrated Circuit
[8] Digital Pre-Distortion
[9] Decision Feedback Equalizer
[10] Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing
[11] Discrete Fourier Transform spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing
[12] Low-Density Parity-Check
[13] Open Systems Interconnection
[14] General Purpose Processor
[15] Throughput
[16] time-deterministic
[17] Forward Error Correction
[18] Digital Signal Processing
[19] Coefficient Frequency Response
[20] Analog-to-Digital Converter
[21] Digital-to-Analog Converter
[22] Decision Feedback Equalizer
[23] Power Amplifier
[24] Low-Noise Amplifier
[25] Split points
[26] Active Antenna Unit
[27] Baseband Unit
[28] استانداردهای موجود جهت محدود نمودن نرخ تبادل اطلاعات بین واحدهای مختلف چندین نقطه شکست ارائه دادهاند. نقطه شکست 7.2 در O-RAN استفاده میشود. جهت اطلاع بیشتر میتوانید به [6] رجوع کنید.
[29] Front-haul Application Programming Interface
[30] System-on-Chip
[31] Hardware Description Language
[32] Application-Specific Integrated Circuit
[33] multiple-input and multiple-output
[34] Field Programmable Gate Arrays
[35] Open radio access network
[36] Digital Front-End – Radio Frequency Integrated Circuit
[37] Digital / Analog Front End
