用於實現O-RAN無線解決方案的5G技術設備

作者：ADI系統工程師Brad Brannon

摘要

O-RAN目的在推動無線社區轉型、開闢新無線設備通道和推動創新，以履行3GPP關於5G的承諾。¹要取得成功並保持高性價比，必須提供開源的無線電設備和優化的5G技術。本文將介紹其中一種用於設計和建構高功效比的解決方案。

5G帶來了哪些挑戰？

無線電和網路工程師目前使用幾種技術來實現這些目標。除了將資料服務移動到網路終端之外，還使用大規模MIMO和小型行動通訊技術來協助提高容量和輸送量。大規模MIMO技術在陣列中使用多個無線電，此舉不僅可以實現容量，還可以覆蓋中心位置。和它的前身全功率大型基地台一樣，大規模MIMO無線電可以圍繞該位置提供相對廣泛的覆蓋範圍。但是，大規模MIMO無線電使用更高的頻率，一般是2.6 GHz及以上，這個頻率對建築物的穿透性並不高。為了服務室內位置和其他難以到達的室外區域，我們將使用小型行動通訊。有鑑於室內和室外位置的數量，從家庭到企業安裝，再到消費購物場所乃至競技場，小型行動通訊的使用將是5G取得成功的關鍵。由於網路中需要使用數量龐大的小型行動通訊和多種佈署，所以安裝和運行成本必須低廉；這是推動實現5G的關鍵。

可以使用哪些技術？

在過去幾年裡，多種技術朝著支援5G解決方案的方向發展。首先，從基頻角度來看，摩爾定律不僅繼續降低每個閘極的矽成本，而且將更複雜的功能整合到無線電技術中。現在可以將許多所需的控制演算法直接整合到無線電設備中，包括數位預失真(DPD)等功能。隨著新生代無線電設備的問世，出現了許多其他的可能性。

其次，像O-RAN²這樣的產業聯盟正在整個無線產業進行合作，以實現規模經濟，不僅可以降低成本，還可以提高供應鏈的安全性，並提供透過這些無線網路盈利的新方法。具體來說，O-RAN聯盟是由營運商建立的，目的在明確定義要求，並協助建立供應鏈生態系統來實現其目標。

為了實現這些目標，O-RAN聯盟的工作奉行「開放和智慧的原則」。³因此，他們側重於定義3GPP指定的物理介面，以實現標準化，並在產業中作為可交互操作的白盒解決方案使用。此外，O-RAN還定義了硬體要求，並提供了O-CU、O-DU和O-RU（分別表示開放式集中單元、開放式分配單元和開放式無線電單元）的參考設計。它們會使前傳網路和基頻處理器實現標準化，進一步降低解決方案成本。它們與其他整合式5G設備（例如整合式無線電）一起，可用於定義小型行動通訊的發展，並推動進行這些標準。這些機構的工作是非常關鍵的一步。

第三，無線電技術在過去幾年中得到迅速發展。高性能無線電現在有多種架構，可以滿足3GPP在38.104和相關檔案中要求的性能標準。¹這些無線電高度整合，不僅包含類比和RF元件，還包括DPD和削峰(CFR)等關鍵演算法。雖然這些無線電是基於細線CMOS建構的，但RF前端也在經歷其他發展，其中，低成本RF製程（SiGe、SOI、GaN、GaAs等）正轉變為高度整合的LNA和高功率、高性能的PA，可以滿足這些標準的要求。

最後，提供高度整合和節能的解決方案，包括乙太網路供電(PoE)、標準電源裝置、監控和保護解決方案，它們尺寸精巧，但可以提供所需的電源。這些解決方案在無線電環境中提供非常高的效率和非常低的雜訊，且提供選項，用於保護關鍵裝置，例如功率放大器。

這些技術結合在一起，實現了低成本、高性能的小型行動通訊平台，可以高效佈署在營運商網路中，以支援小功率和大功率系統。

系統概述

圖1顯示了典型的4T4R（4個發射器和4個接收器）5G小型行動通訊的框圖。可以採用多種排列，包括2T2R和一系列功率等級（從24 dBm和更高）。後續討論以此圖為基礎，主要介紹可以輕鬆擴展，適應O-RU中的頻段和功率變化的5G技術設備。

主要無線電元件

在過去10年，整合式收發器已發展成為高性能平台。 ADI RadioVerse^™ 系列包含多種整合式收發器，它們支援高達200 MHz佔用頻寬，整合了DPD等先進功能。該系列產品不僅滿足5G技術設備的要求，也一如既往支援LTE和多載波GSM RF要求。對於這些設備，雖然我們在不斷進行新一代的開發，最新一代如圖2所示，為 ADRV9029，是一種4T4R配置。還提供其他產品，包括具有和不具有整合式DPD，以及採用包括2T2R在內的其他配置的裝置。

每款RadioVerse裝置都包含建構完整無線電所需的一切（LNA和PA除外）。這包括發送和接收、合成器和時脈等所有功能。還包括運行AGC和增益控制放大器所需的狀態機和VGA。雖然RadioVerse產品都使用高達6 GHz的寬頻，但LNA和PA並非如此，必須制定頻段或頻率範圍。因此，為了完成無線電設計，必須將合適的LNA和PA與RadioVerse IC配對。以下章節將描述5G NR小型行動通訊的接收和發送訊號鏈，並對如何選擇這些裝置提供一些見解。

接收器訊號鏈示例

ADRV9029與 ADRF5545A組合使用時（如圖3所示），可以輕鬆建構2晶片接收器。 ADRF5515 接腳相容，也可以使用。它與幾個被動元件組合，就可以構成非常精巧的高性能接收器設計，如圖4中的訊號鏈所示。此架構的關鍵優勢在於可能達到高水準整合，如此不但可以實現極低的進行成本，還能使功耗降至最低。⁴

RadioVerse系列的架構取消了經典接收器設計中常使用的許多元件，包括一些RF放大、濾波和剩餘大部分無線電功能的整合，包括通道濾波器（類比和數位）和基頻放大器。這些元件通常是系統中最大、功率最高的裝置，相較於包括直接RF採樣在內的其他架構，此架構可明顯節省成本。

如圖4所示，小型行動通訊接收器系列包括環形器（適用於TDD應用）、ADRF5545A、SAW/BAW（表面聲波/體聲波）或整體式濾波器、巴倫和收發器。鑒於ADRV9029和RadioVerse系列中的其他產品具有卓越的雜訊性能和低輸入IP1dB，所以無需使用其他放大器或VGA。使用這個訊號鏈之後，從天線到資料位元，可以支援整個系統低至2 dB的雜訊係數。雖然此設計中包含一個整合式RF前端模組(FEM)，但許多設計仍然使用分立式設計（此處不予詳述）。整合式FEM利用整合來滿足天線濾波器稍微提高的濾波器要求，但仍然提供對於許多高度整合的解決方案來說具有吸引力的設計，例如大規模MIMO和其他TDD佈署。通常，使用分立式前端來實現FDD設計。

假設LNA之前的耗損為約0.5 dB，如果具有濾波器的耗損為1 dB，根據兩款主動裝置的資料手冊規格，則整個接收器訊號鏈的標準NF應為約2 dB。假設與MCS-4一致的訊號雜訊和失真率為0 dB，那麼G-FR1-A1-1 5G載波(~5 MHz)的參考靈敏度為約–104.3 dBm。這足以滿足章節7.2.2中38.104的廣域傳導要求，且留有餘量，對局域/小型行動通訊來說也綽綽有餘，如表1所示，在這種情況下需要–93.7 dBm。一些低性能小型行動通訊應用可能能夠使用單級LNA，例如GRF2093，後接一個SAW濾波器。

表1. 38.104接收器分類

	廣域(dBm)	中程(dBm)	局域(dBm)
5 MHz BW/15 kHz	–101.7	–96.7	–93.7
20 MHz BW/15 kHz	–95.3	–90.3	–87.3
50 MHz BW/30 kHz	–95.6	–90.6	–87.6
100 MHz BW/30 kHz	–95.6	–90.6	–87.6

此外，38.104章節的7.4.1要求在低於–52 dBm（廣域）ACS阻塞下，接收器的衰減不超過6 dB。根據圖5所示的NF與輸入位準，在–52 dBm時產生的額外雜訊並不比在更低位準下產生的雜訊多。事實上，雜訊基底在Blocker訊號達到–40 dBm後才會上升，非常適合需要–44 dBm容差的局域ACS。

一般阻塞要求(7.4.2)要求對相關頻段內的接收器施加–35 dBm（局域）的干擾，偏移為±7.5 MHz，衰減不得超過6 dB。從圖5顯示的ADI的訊號鏈的性能來看，衰減僅為約0.9 dB。窄頻阻塞是一種功率稍低的CW類阻塞，但這也不是問題。

章節7.5.2中的帶外阻塞可能算是一種更為有趣的挑戰。其中，–15 dBm訊號被傳輸至天線輸入。對於頻率低於200 MHz的小型行動通訊，此訊號最接近頻帶邊緣的頻率為20 MHz。測試要求對1 MHz至12.75 GHz範圍進行掃描，不包括20 MHz工作頻率以內的頻段。這裡，有幾個因素會推動訊號鏈產生優勢。第一，環形器具有有限頻寬，會拒絕許多頻外訊號，但包含在內的訊號不會產生很大影響。第二，ADRF5545A之後的濾波器會提供一定程度的濾波，一般來說，對於帶外20 MHz，~20 dB抑制是合理的。第三，ADI收發器系列獨有且最有用的特性要屬內建的頻外抑制，這是收發器結構固有的特性。在ADI應用筆記 AN-1354的圖20中，原有的頻外抑制被表示為增加的阻塞訊號位準。在該應用筆記中，圍繞通帶任一方向的頻率掃描顯示，在相同等級的衰減下，可以支援更大的訊號。在該應用筆記中可以看到，在靠近頻帶邊緣的位置，6 dB衰減可以對應10 dB。之後，整合式濾波器對帶外訊號進行大幅衰減，這些訊號不會在帶內混疊，主要被晶片內濾波和外部濾波衰減。

這些模組將–15 dBm帶外干擾濾波到約–40 dBm至–45 dBm，直到20 MHz排斥帶。繼續向前，可能受到更高的抑制。在這個階段，圖5顯示出現的衰減可能非常小。

前端模組的線性度可能是更大的問題。此時，可能得出很大的IM3產物。根據實際選擇的FEM，可能需要將頻帶選擇濾波器移動到第二個LNA之前，以保護其不受帶外訊號影響，這通常會產生較大的IM產物。無法在這類FEM的級之間放置濾波器，所以需要採用備用選項。

為了協助限制大型帶外阻斷器的互調的影響，典型的FEM包含二級旁路開關，用於降低增益和保護二級不會被驅動產生非線性，如圖3所示。切換LNA增益使訊號鏈SNR降低1 dB，但限制這些大型阻斷器引起的互調失真有助於保護整體動態範圍，抵消雜訊性能的損失。總體而言，如此產生的最差NF為約5.7 dB，這仍然在參考靈敏度的局域（小型行動通訊）覆蓋範圍要求之內。剩餘的濾波器要求由天線濾波器提供，抑制可以根據接收器FEM的低增益壓縮點和IP3決定。

發送器訊號鏈示例

將ADRV9029和合適的RF驅動放大器，或RFVGA組合使用時（請瀏覽 analog.com/rf 瞭解更多選項），可以輕鬆建構合適的PA、精減的室內微微行動通訊、室外微微行動通訊或室外微行動通訊⁵。這些5G技術設備與幾個被動元件組合，就可以構成非常精小且高效的發送器設計，如圖6中的訊號鏈所示。此架構的關鍵優勢在於可能達到的高水準整合，透過使用所選的ADI收發器具備的整合式DPD功能，不但可以實現極低的實施成本，還能使功耗降至最低。

如圖6所示，小型行動通訊發送器系列由環形器、PA、濾波器和收發器組成。此外，電路的PA輸出端中包含一個耦合器，用於監測輸出失真（也可以用於監測天線的VSWR和正向功率），可以配合DPD使用，以改善發送功能的運行效率，以及改善雜散性能。雖然可以使用外部DPD，但選擇的ADI收發器包含完全整合的DPD，該DPD採用350 mW或更低的增量功率，具體由給定的PA所需的校正量決定。低功率PA需要進行的校正較少，所以DPD消耗的功率更低。此外，由於DPD的頻寬擴展完全在收發器內部進行，觀察接收器SERDES路徑被完全取消，發送器有效載荷降低，使得整合式DPD將SERDES路徑的數量降低至外部基頻晶片的一半。FPGA中的等效DPD通常具有10倍以上的功率，對於低功耗小型行動通訊和大規模MIMO來說是無效或低效的。但是，透過將DPD整合到收發器中，非常低的功耗和低成本使得DPD能被用於低功耗小型行動通訊中，可以在不增加外部計算負擔的情況下提高效率和變送線性度。

圖7和圖8顯示ADI的DPD用於低功耗和中功耗小型行動通訊應用的示例。圖示的激勵源是針對5個相鄰的20 MHz LTE載波，總共100 MHz。一般來說，LTE要求最低達到45 dB ACLR，大多數佈署都可以超過此值。ADI運行一個連續測試實驗室，始終會檢查所有功率等級的新PA。查看 功率放大器測試報告，或諮詢工廠，獲取ADI提供的可用的DPD技術的最新資訊，以及最近通過測試的PA的列表。

它們如何組合使用？

圖9顯示完整的訊號鏈，其中包括一些所需的控制訊號。為了提高功效，該電路包含發送和接收訊號功能，以在各自的週期內為TDD啟用和禁用放大器。同樣，它可與FDD配合使用，在插槽未使用時關斷電源，以節省功率。還需要使用LNA開關來更改LNA上的輸入開關，以將返回的變送功率分流至端電極，而不是分流至核心放大器輸入。這些不同的訊號可以由ASIC、FPGA或收發器產生和編配。

接收器訊號鏈包括一個可以相應改變數位資料流程的函數，以說明類比增益降低的原因，在訊號發送至低PHY，然後發送至基頻下游其他部分時保持絕對訊號位準。

此處所示的應用適用於單頻段。雖然收發器使用寬頻且覆蓋至高達6 GHz的所有頻率，但並非設計中的所有裝置都是如此。LNA和PA這類裝置通常使用頻段，需要根據支援的頻段進行選擇。通常情況下，這些裝置在接腳相容選項中提供，覆蓋6 GHz以下的所有常用頻段，且易於掃描。如此，可以支援所有的常用TDD和FDD頻段，包括用於5G和提議用於O-RAN的頻段。

時脈樹

根據配置，可以使用幾種不同的時脈配置。如果需要精準的時間校準，則需要使用2級時脈合成。第一級是通過ASIC、FPGA或控制器連接至基頻，以準確計時和校準無線電數位化功能。此應用要求透過前傳網路或本地GPS接收器來處理提供的精準時間協定(PTP)資訊。如此確保無線電和基頻處理器知道因應無線電幀進行處理的準確時間。

AD9545 系列非常適合用於準確調節無線電的主時脈的頻率、相位和時間。其優點在於，可以配置為在無參考時脈的情況下臨時運行，且在與TCXO（溫度補償晶體振盪器）或OCXO（恆溫晶體振盪器）耦合之後，且在參考時脈出現故障或斷續的情況下保持精度。

對於無需準確的時間校準的配置，或者作為校準的第二級，需要使用時脈分配裝置。分配裝置的作用在於，為整個無線電產生時脈範圍。這包括JESD、eCPRI、乙太網路、SFP所需的範圍，以及整個無線電的其他關鍵訊號所需的範圍。 AD9528 提供14種不同速率的低抖動時脈，包括支援JESD204B/JESD204C設備時脈和SYSREF訊號功能。

2級時脈框圖如圖10所示。對於無需準確校準時間的應用，可以去掉或繞過AD9545，僅使用AD9528。系統的輸入時脈來自於基本的網路定時，由乙太網路功能塊或FPGA中的基頻和網路功能恢復，具體由實際架構決定。可以根據無線電的具體要求選擇多種備用配置，此處只顯示一種表示方法。

功率

功耗是由多種因素決定的。這些因素包括選擇的FPGA、採用的功能、選擇的收發器、啟用的選項、所需的時脈樹，以及產生的RF功率。

進行O-RAN CUS和M面處理的典型中等範圍FPGA SoC，加上與IEEE 1588 v2 PTP堆疊同步，會消耗約15 W。典型的ADRV9029收發器會消耗5 W至8 W，由TDD或FDD配置，以及啟用的DFE功能的範圍決定。為此，必須增加時脈功率、接收器功率、發送器功率，以及其他功率。表2顯示系統（不包括發送器鏈）的功耗總和示例，功率輸出等級不同時，該值存在很大差異。

表2. 預算功耗

元件	需要數量	TDD 70:30典型功耗
中等範圍 FPGA SoC	1	~15 W
ADRV9xxx	1	~5 W
ADRF5545A	2	0.6 W
AD9545	1	0.7 W
AD9528	1	1.4 W
Pa驅動放大器	4	1.2 W
其他	1	2 W
總計	14	26 W 至 29 W

將無線電的功耗相加，Tx:Rx在70:30操作週期下的總功耗為26 W至29 W，具體由實際採用的無線電配置決定（不包括與PA相關的功耗）。表3顯示少數幾個PA功耗示例。由於PA主要在AB類電晶體的線性範圍內工作，所以它們的效率在20%到50%之間。在這個範圍內，整合式DPD大有優勢。即使對於小頻寬、低功耗PA，幾十mW的DPD功耗也會抵消PA效率的改進。

表3. 發送功耗

元件	需要數量	TDD 70:30典型功耗
PA (+24 dBm/天線)	4	~2.5 W
PA (+37 dBm/天線)	4	~47 W

對於低功耗小型行動通訊，增加約2.5 W額外功率會讓總功耗增加至約30 W，對於由PoE解決方案供電的被動冷卻室內小型行動通訊非常合適。

一種潛在的PoE解決方案如圖11所示。該解決方案包括 LT4321 橋控制器，它使得MOS電晶體可以用於理想的二極體，而不是整流器，其優點在於可以大幅提高效率。其後接 LT4295，這是一個符合802.3bt標準的PD裝置。還可以後接合適的本地穩壓器，以滿足之前的表中所示的要求，按照需要提供高達90+ W的功率。

除了PoE轉換裝置外，還可以使用許多其他裝置來支援小型行動通訊參考設計。其中包括基礎裝置，例如 ADP5054 系列，該系列專用於為ADI收發器、許多其他降壓轉換器和低雜訊LDO穩壓器供電，如圖12所示。

選項

這個無線電架構的一大優點是：它非常彈性，可以滿足多種市場需求。此架構針對多種應用進行優化，包括FDD和TDD。它可以在低、中和高頻段內保持高性能，非常適合小型行動通訊到大規模MIMO平台。可以在發送器和接收器電路中進行不同的權衡取捨，以優化成本、尺寸、重量和功率。雖然本部分側重於更高的性能和整合，但可以透過選擇稍微不同的選項，做出可以改善成本的取捨。

例如，一些低功耗PA不需要使用驅動放大器，可以不要求配備。對於許多小型行動通訊應用來說，RF功率都較低，所以可以使用簡單的TR開關來取代環形器。最後，如果只需要區域性能，可以使用簡單的單級LNA來替換雙級LNA。結果是，成本更低的選項仍然能夠提供不錯的無線電性能。實例如圖13所示。還可以使用許多其他排列，在廣泛的頻率和功率選項內，滿足多種可能。

結論

本文所述的5G技術設備適用於通訊應用，支援實現適合5G開發的低成本設備，尤其是實現O-RAN O-RU解決方案的裝置。其中包括來自RadioVerse系列的裝置、RF放大器、時脈恢復/同步，以及乙太網路供電/負載點調節。這些高度整合的裝置組合可用於實現5G小型行動通訊、全功率大型基地台、微行動通訊和大規模MIMO應用。

與FPGA、eASIC或ASIC中提供的合適的PHY和軟體組合使用時，可以開發完整的O-RU解決方案，如圖14所示。此解決方案是與Intel^®、Comcores和 Whizz Systems等合作夥伴共同開發的。這些解決方案不僅滿足所需的RF特性，而且滿足佈署低成本、高性能O-RAN平台所需的成本和功率預算。

參考電路

¹ ftp://ftp.3gpp.org/specs/latest/Rel-15/38_series/

² O-RAN聯盟。

³ 「O-RAN：朝向開放和智慧的RAN發展」。O-RAN聯盟，2018年10月。

⁴ Brad Brannon. “「零中頻的優勢：PCB尺寸減小50%，成本降低三分之一」。 《類比對話》，第50卷第3期，2016年9月。

⁵ 規格。O-RAN聯盟。