mMIMO有源天線單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

面向mMIMO的Open RAN無線電單元架構(gòu)

Volker Aue，AMD賽靈思

《開放式RAN系統(tǒng)架構(gòu)和mMIMO》一文發(fā)表在《微波雜志》2022年1/2月號中，介紹了天線AAU中的天線的性能特征，包括增益、等效全向輻射功率(EIRP)、開放式RAN(O-RAN)架構(gòu)與O-RAN聯(lián)盟選擇的分布式單元(DU)與無線電單元(RU)之間的劃分。2 本文以面向mMIMO的有源天線單元(AAU)架構(gòu)和主要需求為重點，進(jìn)一步對RU進(jìn)行探討。本文最后提出了一種面向5G頻段77的AAU設(shè)計并給出初步測量結(jié)果，該設(shè)計采用AMD賽靈思數(shù)字前端(DFE)和Versal處理器實現(xiàn)。

mMIMO有源天線單元

決定mMIMOAAU性能的主要因素有：

? 天線——所有與輻射層有關(guān)的參數(shù)

? RF信號鏈——主要與RF收發(fā)器有關(guān)的參數(shù)

? 產(chǎn)品——影響AAU性能的其他因素

?機械設(shè)計、散熱設(shè)計和外部操作環(huán)境，每個因素都將在本節(jié)中詳細(xì)講解。

天線

AAU中的天線的性能特征包括增益、等效全向輻射功率(EIRP)、旁瓣電平、轉(zhuǎn)向角和仰角傾斜。

增益和EIRP——mMIMO面板的最大可實現(xiàn)增益決定了可以指向特定用戶的最大傳輸功率，而EIRP則直接與天線陣列的增益有關(guān)。在接收用戶信號時，對應(yīng)的衡量指標(biāo)是等效全向靈敏度(EIS)。

增益有其代價。要提高增益，必須擴大天線的有效面積，也就是說面板的尺寸越大，增益就越高。隨著增益的增加，波束寬度變窄。這可以從天線焦距的增大直觀地做出判斷。由于收發(fā)器的數(shù)量有限，給定最大旁瓣電平下的轉(zhuǎn)向角(即波束從視軸偏離的方位角或仰角范圍)也會變小。天線設(shè)計由部署環(huán)境和所需的轉(zhuǎn)向范圍共同決定。對于典型的宏基站而言，根據(jù)最小波束寬度，應(yīng)需要高達(dá)±60度的橫向轉(zhuǎn)向范圍。通常情況下，偏離視軸±10度或更小的縱向轉(zhuǎn)向范圍已經(jīng)足夠。

旁瓣電平(SLL)——mMIMO和RU性能取決于天線輻射層產(chǎn)生的旁瓣。如今的O-RAN mMIMO系統(tǒng)致力于在整個球體上將旁瓣電平限制在低于-10dB，特別是在橫縱轉(zhuǎn)向范圍上。如果旁瓣沒有得到主動抑制，功率也會在旁瓣方向上發(fā)送，導(dǎo)致有用方向上的發(fā)送功率下降。雖然主動抑制技術(shù)能夠降低旁瓣電平，但同時也會降低主瓣上的功率。

從旁瓣輻射出的信號能在有害方向上導(dǎo)致干擾。橫向旁瓣將干擾相鄰扇面，縱向扇面將干擾相鄰蜂窩。上下旁瓣都應(yīng)該納入考慮。上旁瓣在主波束向下轉(zhuǎn)向時，會進(jìn)入另一蜂窩。下縱向旁瓣的地面反射能產(chǎn)生類似效果。

在接收時，可能接收到通過旁瓣傳遞的有害方向上的功率。雖然DU能對此進(jìn)行補償，但補償通常會增大剩余信號的噪聲水平。

轉(zhuǎn)向——轉(zhuǎn)向范圍由AAU使波束偏離視軸并保持低SLL的能力決定。隨著波束偏離視軸，旁瓣有增大的趨勢。縱向上轉(zhuǎn)向范圍往往受到柵瓣的限制。柵瓣導(dǎo)致SLL超出規(guī)定的限值。

對于一個64T64R AAU (SLL≤-10dB)，動態(tài)轉(zhuǎn)向范圍典型值是橫向±45度，縱向±5度。對于每列只有兩個單元子陣列的32T32R AAU，縱向轉(zhuǎn)向范圍更小。對于大多數(shù)宏基站，±2度已經(jīng)足夠。

預(yù)傾角——宏基站AAU常安裝在高架站點。從天線的角度來看，用戶流量大部分來自水平線以下。因為縱向轉(zhuǎn)向范圍受限，天線在安裝時常帶有預(yù)傾角。實現(xiàn)方式可以是機械方式，也可以通過在子陣列間形成線性漸變相位差(圖1)。預(yù)傾角常見于收發(fā)器不超過32個的AAU。

?圖1 天線波束縱向轉(zhuǎn)向和預(yù)傾角。

遠(yuǎn)程電傾斜——遠(yuǎn)程電傾斜(RET)能遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)AAU的預(yù)傾角。實現(xiàn)方法較為簡單，或遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)內(nèi)置在子陣列中的移相器，或使用電機驅(qū)動的支架改變天線的傾斜。與預(yù)傾角相似，遠(yuǎn)程電傾斜一般也只用于收發(fā)器數(shù)量不大于32個的AAU，因為與收發(fā)器數(shù)量更多的AAU相比，它們的縱向轉(zhuǎn)向范圍有限。

RF信號鏈

與天線相連的RF信號鏈在發(fā)送功率、帶寬和誤差矢量幅度(EVM)方面影響AAU的性能。

傳導(dǎo)RF功率——功率放大器(PA)向天線提供的發(fā)送功率也被稱為傳導(dǎo)RF功率，決定了最大覆蓋范圍和蜂窩最大容量。發(fā)送功率和天線增益共同決定著鏈路能承受的最大傳播損耗。在mMIMO AAU中，RF功率分布在多個空間流和資源塊(RB)上。對于較大蜂窩而言，提高PA功率能增大蜂窩的下行鏈路容量。

帶寬——三個帶寬與AAU有關(guān)。首先是占用帶寬(OBW)。它是AAU主動發(fā)送和接收時使用的總帶寬。與占用頻譜同義，OBW是所有活動載波帶寬之和，也是RU能處理的上限。其次是AAU的瞬時帶寬(IBW)。它是最低載頻左邊緣到最高載頻右邊緣的帶寬。最后是工作帶寬，也就是AAU支持的帶寬。一般也被稱為工作頻段。為了獲得頻譜敏捷性，運營商要求RU的IBW能夠為整個頻段提供支持，也就是IBW應(yīng)等于OBW。

誤差矢量幅度(EVM)——EVM是衡量調(diào)制信號失真度、體現(xiàn)發(fā)送鏈路線性度的指標(biāo)。在大多數(shù)高效的調(diào)制方案中，如256-QAM或1024-QAM，更多比特被映射到副載波。與較低階的調(diào)制相比，這需要不斷提高發(fā)送信號的質(zhì)量。發(fā)送鏈路中的非線性增大了發(fā)送信號的噪聲，導(dǎo)致星座點偏離理想值，使得接收器解調(diào)發(fā)送信息更加困難。

產(chǎn)品

除了天線和RF信號鏈，設(shè)計還從這些方面影響mMIMOAAU系統(tǒng)的性能：數(shù)據(jù)流數(shù)量、相位與幅度控制和校準(zhǔn)、前傳、可編程性、安全性和功耗。

數(shù)據(jù)流數(shù)量——mMIMO架構(gòu)的目的是利用空間域增大數(shù)據(jù)容量。如果傳播條件允許用戶分開，RU能處理的空間流數(shù)量是有限的。對于64T64RAAU而言，通常認(rèn)為能夠處理16層下行鏈路和8層上行鏈路就足以滿足要求。而對于32T32R AAU而言，空間可解析信號的數(shù)量會變少。為了降低前傳數(shù)據(jù)速率，32T32RAAU常使用8個下行鏈路流和4個上行鏈路流。

相位與幅度控制和校準(zhǔn)——3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了5G信號的結(jié)構(gòu)。3 雖然規(guī)定了用于生成通道和信號的方法，但3GPP標(biāo)準(zhǔn)沒有明確接收器應(yīng)如何處理信號。這方面的算法留給設(shè)備設(shè)計師處理。

類似地，3GPP標(biāo)準(zhǔn)也沒有對無線電資源管理器(RRM)所使用的算法做出規(guī)定。RRM的功能是通過向用戶分配RB并控制調(diào)制和誤差編碼等參數(shù)，讓基站向用戶合理分配無線電資源，以最大限度提升蜂窩容量與覆蓋率，并改善用戶體驗。

在mMIMO中，RRM還用于控制波束賦形矢量等參數(shù)。某些算法可能需要特定的波束形狀，對將相應(yīng)的波束賦形圖型下載到AAU后產(chǎn)生的旁瓣電平也有要求。為獲得準(zhǔn)確的波束形狀，輻射單元的實際幅度和相位一定不得顯著偏離波束賦形矢量定義的值。主瓣對幅度偏差和相位偏差的要求相對不那么嚴(yán)格。仿真證明，相位偏差最大5度，幅度偏差最大0.5dB，不會對波束總體形狀造成“可察覺”的影響。在時分復(fù)用(TDD)系統(tǒng)中，上行鏈路和下行鏈路共享同一頻段，DU可以利用傳播通道的逆特性。例如，DU可以使用上行鏈路估算值推導(dǎo)下行鏈路波束權(quán)重矢量。因此，AAU應(yīng)確保發(fā)送器和接收器不劣化共享通道的可逆性。為了讓用戶避開其他用戶信號的干擾，DU必須能夠在其他用戶方向上的波束圖型中布置-35到-40dB的凹槽。如果在假設(shè)具有可逆性的情況下計算這些凹槽，收發(fā)器的相位差和幅度差必須分別不大于1度和1dB。

由于組件參數(shù)會隨溫度、電壓和使用年限發(fā)生變化，因此需要用精確的閉環(huán)校準(zhǔn)來保持所需的精度。所需的校準(zhǔn)頻次隨部署場景和地域發(fā)生變化，因此，mMIMO設(shè)計應(yīng)允許在多種精度和校準(zhǔn)頻次間做出選擇。

前傳——前傳(FH)負(fù)責(zé)將DU連接到RU。一般而言，RU和DU應(yīng)通過技術(shù)手段縮小FH帶寬，因為帶寬會增大互聯(lián)解決方案的成本，即線纜、交換機和收發(fā)器的成本會隨帶寬增大而增大。O-RAN“控制面、用戶面與同步面規(guī)范”定義了幾種減少FH流量的壓縮方法。4 對于用戶面而言，它規(guī)定了各種比特寬度，該規(guī)范以調(diào)制壓縮為最主要方法，這種方法是將調(diào)制函數(shù)轉(zhuǎn)移到RU。DU將原始的未調(diào)制比特發(fā)送到RU，無需發(fā)送頻域符號。通過將用戶面劃分為不同的段，通過FH接口即可發(fā)送被使用的符號?？刂泼媪髁堪ǜ虏ㄊx形矢量。在5G中，這些矢量可以隨每一個正交頻分復(fù)用(OFDM)符號更新。在每個時隙更新矢量，構(gòu)成了超過30%的FH流量。因此，O-RAN聯(lián)盟已經(jīng)推出了減少控制面流量的方法。O-RAN標(biāo)準(zhǔn)使用索引，將波束賦形矢量存儲在O-RANAAU上的數(shù)據(jù)庫中。通過引用相應(yīng)的索引，就能從這個數(shù)據(jù)庫檢索出存儲的波束賦形矢量。這樣就能更新波束賦形矢量。此外，O-RAN標(biāo)準(zhǔn)也支持在AAU中計算波束賦形矢量。但是這種方法并沒有完全實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，造成DU可能不知道計算的實際結(jié)果，使這種方法的使用受到限制。

O-RAN聯(lián)盟正在制定互操作性配置文件，以便AAU兼容多家廠商的DU。只要AAU遵循所選的互操作性測試(IOT)配置文件，就能確保互操作性。

可編程性——5G O-RAN系統(tǒng)中的mMIMO仍然相對較新，需要在現(xiàn)場應(yīng)用中完善。部署后的現(xiàn)場使用經(jīng)驗很可能要求AAU增加功能以提升系統(tǒng)性能。由于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的更換成本相當(dāng)高昂，因此在設(shè)計上應(yīng)支持設(shè)備在部署后擁有較長的使用壽命，至少應(yīng)達(dá)到七年。為實現(xiàn)這個目標(biāo)，AAU必須具備固有的靈活性，能通過更新獲得新功能，無論是AAU主控制器中的軟件，還是數(shù)據(jù)路徑上的功能。

O-RAN聯(lián)盟將通過增加壓縮方法(更高效地利用可用的FH帶寬)，繼續(xù)提升FH性能。方法之一是在AAU中為半持續(xù)調(diào)度(SPS)提供支持。如果將SPS信息發(fā)送給AAU，調(diào)度信息只需發(fā)布一次。如果欠缺這項功能的可用FH帶寬制約著波束賦形矢量的更新速率，在AAU中啟用SPS，將釋放帶寬，從而提升系統(tǒng)性能。在其他常發(fā)生更新的例子中，啟用SPS將改善DFE中的線性度、降低功耗，并改善溫度控制。

靈活的AAU架構(gòu)設(shè)計讓制造商能在新技術(shù)問世后立即采用，還能針對各種市場需求定制衍生產(chǎn)品。為了更新已經(jīng)部署到現(xiàn)場的單元，O-RAN聯(lián)盟已經(jīng)制定了通過移動面進(jìn)行現(xiàn)場升級的標(biāo)準(zhǔn)。

安全——為保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施免受攻擊，RU必須具備安全機制，包括針對軟件更新的認(rèn)證和完整性檢查。

功耗——RU的功耗增大了網(wǎng)絡(luò)的運營開銷，當(dāng)數(shù)千部單元投入使用，每部耗電約1kW，能耗成本相當(dāng)可觀。mMIMO基站的功耗取決于負(fù)載、瞬時RF輸出功率和系統(tǒng)效率。滿載時功耗主要由PA和發(fā)送鏈路效率決定。雖然PA效率相當(dāng)重要，PA與天線間的損耗以及接收鏈路、數(shù)字電路和電源穩(wěn)壓器的功耗也必須最小化。

多數(shù)情況下，AAU的最大負(fù)載發(fā)生在每天高峰時段的極端狀況下。典型負(fù)載狀況和低負(fù)載狀況下的功耗也應(yīng)優(yōu)化。這一般通過使用AAU省電方法來實現(xiàn)，如關(guān)閉PA，甚至關(guān)閉完整的載波。除了RF輻射功率，AAU消耗的功率被轉(zhuǎn)換成熱量，需要高效率地耗散到周邊環(huán)境中，以最大限度降低電子裝置的溫度。功耗推動系統(tǒng)的散熱設(shè)計，增大AAU的尺寸和重量。

機械與環(huán)境

AAU的尺寸是一項重要要求，因為塔臺或電桿上可供安裝使用的空間有限。在某些情況下，現(xiàn)有的多頻段無源天線上方的空間剛夠安裝一個5G面板，前提是它不太高。風(fēng)載也是一個重要因素，因為電桿和塔臺構(gòu)件的建造和認(rèn)證需要滿足最大風(fēng)載要求。基站一般要求在最大風(fēng)速150km/h下保持正常運行，在最大風(fēng)速200km/h下不發(fā)生損壞。AAU的風(fēng)載與它的表面積(即面板尺寸)和它的外形有關(guān)。圓潤化邊緣，并采用專用鰭片，可以在不改變外形尺寸的情況下降低風(fēng)載。

AAU的重量決定安裝成本。需要多少技術(shù)人員安裝設(shè)備?是否需要車載式升降臺等設(shè)備輔助安裝?在某些情況下，塔臺公司會按風(fēng)載和重量收取租金，這增大了運營商的月開支。

對所有無線電設(shè)計都適用的其他常見要求包括：

?工作溫度范圍，通常在-40°C至+55°C。為保障單元可靠運行，較高溫度下需降低輸出功率。

?由于AAU內(nèi)含大量組件，長于200,000小時的典型平均故障間隔時間(MTBF)成為一個難題。浪涌保護(hù)，保護(hù)AAU免受雷擊破壞。

? 防護(hù)等級，一般額定標(biāo)準(zhǔn)IP65。

?美觀大方。

O-RAN Split7.x mMIMO

為加快mMIMO AAU在O-RAN中的部署，AMD賽靈思已基于AMD賽靈思IC技術(shù)開發(fā)出參考設(shè)計與原型(圖2)。作為示例，表1列出的是對覆蓋5G頻段n77的64T64R mMIMO AAU的設(shè)計要求。該單元采用了AMD賽靈思架構(gòu)和芯片組實現(xiàn)。

?圖2 賽靈思64T64R AAU硬件架構(gòu)。

O-RANFH接口、波束賦形器、物理隨機接入信道(PRACH)和探測用參考信號(SRS)抽取均實現(xiàn)在單片Versal VC1902 SoC上。Versal ACAP是一種完全軟件可編程異構(gòu)計算平臺。它融合靈活應(yīng)變的標(biāo)量引擎與智能引擎，提供優(yōu)于最高速FPGA實現(xiàn)方案高達(dá)20倍、最高速CPU實現(xiàn)方案百倍以上的性能提升。6Versal器件內(nèi)置功能強大的ARM處理器子系統(tǒng)、可編程邏輯(PL)和AI引擎。AI引擎是超長指令字、單指令多數(shù)據(jù)矢量處理引擎，很適合高效計算波束賦形器運算，如矩陣乘法、奇異值分解，以及逆矩陣(若需要)。7

Zynq UltraScale+ RFSoC主要針對RF應(yīng)用而設(shè)計。它集成了實現(xiàn)直接RF采樣收發(fā)器所需的主要子系統(tǒng)。其采用16nmFinFET CMOS技術(shù)的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是大量投資的成果。每個ZynqUltraScale+ RFSoC內(nèi)置多個GSPS模數(shù)和數(shù)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器具有高精度、高速度、高能效，且高度可配置。

最新一代ZynqUltraScale+ RFSoC，也被稱為ZynqUltraScale+ RFSoC DFE，專門提供通信中常用的數(shù)字功能。它們支持各種類型的蜂窩應(yīng)用，包括工作在sub-6GHz(FR1)頻段和毫米波(FR2)頻段的室內(nèi)基站、宏基站和FR1 mMIMO AAU。DFE的專用邏輯功能經(jīng)過優(yōu)化，可擴展、可參數(shù)化。這些邏輯功能用標(biāo)準(zhǔn)單元硬化塊開展計算，與PL相結(jié)合后，能適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。標(biāo)準(zhǔn)單元硬化塊的性能可媲美ASIC，與此同時PL提供FPGA所具備的靈活性。綜合這兩種功能，ZynqUltraScale+ RFSoC DFE提供了相當(dāng)于上代RFSoC兩倍的性能，同時功耗減半。

邏輯塊用于濾波、數(shù)字升頻/降頻(DUC和DDC)、內(nèi)插和抽取、峰值因子減少(WCFR)和數(shù)字預(yù)失真(DPD)。

其他邏輯塊還包括OFDM調(diào)制常用的快速傅里葉變換(FFT)。因為O-RAN聯(lián)盟選擇了7.2功能劃分，這項功能歸屬于RU。

RFSoC上未使用的FPGA容量用于補充功能，方便AAU部署到現(xiàn)場后追加新功能。

圖3所示的是使用AMDSoC和GaNPA的320W功率64T64RmMIMO無線電單元的各組件能耗對比。65%的功耗來自模擬組件，如PA和驅(qū)動器。17%的功耗來自RFSoC DFE。其中相當(dāng)一部分用于模數(shù)轉(zhuǎn)換和DFE功能。ASIC實現(xiàn)方案中存在同樣的情況。

?圖3 采用賽靈思SoC和GaN PA的320W功率64T64R mMIMO無線電單元的組件能耗。

AAU的性能

AMD針對北美n77頻段制作了這個AAU的原型并對其測試。根據(jù)3GPP規(guī)范測試并比較發(fā)送、接收和波束賦形性能。用是德科技的DU模擬器仿真使用O-RAN FH接口的AAU。圖4所示的是256-QAM調(diào)制下100MHz信號帶寬、8.8dB CFR時該AAU的測試性能。測得的RF輸出功率滿足每端口37dBm(5W)的要求，EVM指標(biāo)良好，在物理下行鏈路共享信道(PDSCH)上僅有2.6%。測得的鄰道泄漏比(ACLR)為-49dBc，證明數(shù)字預(yù)失真算法有效地線性化GaNPA，滿足泄漏要求。頻率對準(zhǔn)誤差與時間對準(zhǔn)誤差符合3GPP規(guī)范要求，定義的信號帶寬為97.3MHz，符合具體要求。

?圖4 100MHz帶寬256-QAM調(diào)制信號的EVM測量。

使用該AAU的全部64個收發(fā)器，在暗室內(nèi)測量空中的波束賦形性能。測量結(jié)果與天線層測量結(jié)果比對(參見圖5)。天線被設(shè)置在視軸上，即橫向轉(zhuǎn)向角和縱向轉(zhuǎn)向角均為0度，并使用均勻系數(shù)的波束賦形矢量。對于±45轉(zhuǎn)向范圍，兩圖在0到30度范圍重疊，在30到45度范圍有一定差異。

?圖5 天線層和AAU OTA波束賦形測量。

總結(jié)

O-RAN生態(tài)系統(tǒng)尚處于發(fā)展初期。O-RAN系統(tǒng)正在與資深網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商提供的端到端解決方案競爭。要獲得市場認(rèn)可，O-RAN解決方案需要在成本低于現(xiàn)有廠商提供的解決方案的情況下，提供不亞于甚至更優(yōu)秀的性能。

mMIMOAAU因其架構(gòu)新、歷史短，平添一層不確定性。只有在天線塔上能可靠運行數(shù)年，不必拆下進(jìn)行更新或維護(hù)，mMIMO面板的安裝成本才具有合理性。值得關(guān)注的是，mMIMO的性能肯定會隨時間不斷提升，主要來自軟件改進(jìn)和算法改進(jìn)。因此如果現(xiàn)場部署當(dāng)前一代的硬件，其必須能靈活地接納提升系統(tǒng)性能的新功能。

賽靈思UltraScale+ RFSoC DFE向mMIMO應(yīng)用提供直接RF采樣收發(fā)器平臺。它兼具媲美ASIC的性能，F(xiàn)PGA的靈活性和適中的功耗。測量證明，采用這種SoC解決方案能夠達(dá)成3GPP規(guī)范和O-RAN聯(lián)盟要求的性能目標(biāo)。通過將高性能和高度靈活的功能引入O-RAN，AMD賽靈思希望加快市場對O-RAN和mMIMO AAU的采用。

審核編輯：湯梓紅