beamforming phase-array fondamentale per le innovazioni in 5G RAN

Telecoms.com invita periodicamente terze parti esperte a condividere le loro opinioni sulle questioni più urgenti del settore. In questo pezzo Mihai Banu CTO di Blue Danube Systems, esamina alcune delle tecnologie all’avanguardia presenti nelle radio 5G.

Nuove applicazioni come uffici remoti, realtà virtuale immersiva, veicoli autonomi e telemedicina alimentano sempre più la domanda di connettività wireless onnipresente e affidabile. Oggi, l’industria delle telecomunicazioni sta espandendo rapidamente l’implementazione delle tecnologie 5G per soddisfare queste esigenze, insieme all’enorme volume di contenuti che ora viaggia su ogni rete mobile.

Ma affinché il 5G raggiunga il suo vero potenziale, gli operatori devono valutare come massimizzare l’efficienza delle frequenze dello spettro.

Driver tecnologici in RAN per 5G e oltre

Storicamente, l’interfaccia aerea fornita dalla rete di accesso radio (RAN) limita le prestazioni di una rete cellulare wireless. In linea di principio, 5G RAN è significativamente più capace dei suoi predecessori grazie all’introduzione di canali più ampi nelle bande inferiori a 6 GHz, a un aumento significativo dell’efficienza dello spettro inferiore a 6 GHz, all’uso dello spettro mmWave e alle capacità di orchestrazione del cloud ampliate.

Nella tradizionale gamma di frequenza 1, o FR1, bande (da centinaia di MHz a 6 GHz), i canali fino a 100 MHz sono ora consentiti in 5G; un aumento di cinque volte della larghezza di banda del canale rispetto al 4G. Un canale più ampio supporta una maggiore velocità di flusso di informazioni, producendo velocità di download/upload più elevate nella rete cellulare.

Il 5G aggiunge anche FR2 alla gamma di frequenza tradizionale, che copre frequenze molto più elevate di FR1 (ad esempio, 15-70 GHz). Lo spettro MmWave supporta larghezze di banda del canale ancora più ampie rispetto a FR1, da centinaia di MHz a GHz, aumentando proporzionalmente la velocità del flusso di informazioni. Tuttavia, le bande mmWave soffrono di un’elevata perdita di propagazione e persino di una perdita totale di collegamento nelle trasmissioni non in linea di vista. Il raggio di trasmissione in FR2 è molto più piccolo rispetto a FR1 che l’utilizzo del design RAN convenzionale, come in FR1, non è adatto nella pratica.

Beamforming e coerenza di fase

Il beamforming phase-array può mitigare la difficoltà di portata nei sistemi mmWave distribuendo numerosi elementi di antenna attivi configurati in un array denso di dimensioni considerevoli per trasmettere e ricevere segnali wireless in modo coerente (cioè, in un’esatta relazione reciproca di fase e grandezza). Il controllo della fase e dell’intensità dei segnali su ogni elemento dell’antenna crea schemi di interferenza elettromagnetica costruttiva e distruttiva nell’aria, generando fasci fisici 3D che agiscono come faretti, una tecnica utilizzata con successo nei radar e nell’esplorazione spaziale.

Il risultato netto dell’utilizzo di raggi fisici nelle comunicazioni 5G mmWave è che il numero significativo di antenne attive utilizzate moltiplica le forze del segnale, estendendo la portata di conseguenza. Inoltre, la separazione dell’utente avviene naturalmente, poiché i raggi illuminano solo angoli solidi stretti. Il beamforming phased-array, quindi, ottiene facilmente il multiplexing spaziale (trasmissione di più flussi di dati sulla stessa larghezza di banda), un modo efficace per aumentare la capacità del sistema.

La chiave per ottenere questi effetti benefici in pratica è assicurarsi che tutti gli elementi attivi dell’antenna funzionino in modo sincrono; calibrato ad alta precisione in tutte le condizioni. Ma questa è una specifica di progettazione impegnativa, soprattutto quando si cerca di gestire i costi.

Coerenza RF nei sistemi MIMO Massive

Ho accennato in precedenza che il 5G aumenta significativamente l’efficienza dello spettro FR1 (numero di bit per Hz). Come i sistemi mmWave, un approccio generale per raggiungere questo obiettivo è con gli array di antenne attive Massive MIMO (MaMIMO), che hanno 16, 32 o 64 elementi di antenna attivi anziché 2, 4 o 8 come in 4G.

Esistono due casi d’uso generali per i sistemi MaMIMO. L’intenzione principale per il primo caso d’uso è per i sistemi di multiplexing a divisione di tempo (TDD) basati sul suono del canale e sull’elaborazione del segnale per ottenere gli effetti di beamforming dei phased array. Il channel sounding consiste nella trasmissione di segnali pilota dall’alto per misurare le caratteristiche del canale, comprese le catene radio (stime da banda base a banda base). Quindi, utilizzando queste misurazioni del canale, un calcolo appropriato crea schemi di interferenza costruttivi e distruttivi, proprio come i phased array.

Poiché il suono del canale e i calcoli vengono eseguiti rispettivamente per i percorsi di ricezione e trasmissione, questo metodo è appropriato per TDD in cui i due percorsi sono identici (reciprocità del canale). In genere, il potenziamento del segnale e l’estensione della portata si ottengono in modo coerente nei sistemi TDD, ma il multiplexing spaziale è più impegnativo a causa di errori pratici nella stima del canale e danni hardware. Tuttavia, i sistemi di multiplexing a divisione di frequenza (FDD) che utilizzano questo metodo hanno mostrato prestazioni inferiori fino ad oggi a causa della mancanza di reciprocità dei canali.

Il secondo caso d’uso dei sistemi MaMIMO è basato su fasci fisici phased-array ed è appropriato sia per TDD che per FDD. L’uso di raggi fisici aumenta naturalmente la potenza e la portata del segnale e consente un facile multiplexing spaziale. Tuttavia, la qualità della sua implementazione determina le prestazioni di MaMIMO. Sincronizzando e calibrando approssimativamente l’array si ottiene solo un’estensione della gamma moderata e un piccolo aumento della capacità. L’estensione dell’intervallo e gli aumenti di capacità più significativi sono possibili solo quando gli elementi dell’array sono sincronizzati e calibrati con precisione, ad esempio entro pochi gradi nell’errore di fase e una frazione di dB nell’errore di magnitudine.

Chiamiamo questo livello di precisione “coerenza RF” perché produce risultati praticamente indistinguibili dai phased array ideali (errore di fase/magnitudo zero).

Miglioramenti delle prestazioni a un costo inferiore

Recenti prove sul campo hanno dimostrato che è possibile ottenere la coerenza RF negli array attivi 4G e 5G a un costo inferiore. Il raggiungimento della coerenza RF è possibile attraverso nuove metodologie di sincronizzazione e calibrazione RF, implementate con circuiti integrati personalizzati a segnale misto a bassa complessità, metodi di connettività dei circuiti stampati e metodi software/firmware.

Sebbene questa tecnologia di coerenza RF si applichi a tutti i sistemi MaMIMO (16-64 Tx/Rx), è compatibile con array MaMIMO a basso costo con catene radio ridotte. Qui, ogni catena radio si collega all’intera apertura attiva in contrasto con gli array MaMIMO convenzionali, dove ciascuna catena radio si collega solo a una piccola porzione dell’apertura attiva.

Raggiungere l’efficienza spettrale attraverso tecniche AI/ML avanzate

L’orchestrazione del cloud nella RAN tradizionale, nota anche come tecnologia Self Optimized Network (SON), è stata per lo più limitata a semplici aggiornamenti della configurazione e ridistribuzione occasionale della copertura RF con antenne Remote Electrical Tilt. L’introduzione di MaMIMO in 5G e RF Coherency offre l’opportunità di migliorare in modo significativo l’orchestrazione del cloud e fornire miglioramenti tangibili delle prestazioni della rete.

Ad esempio, l’intelligenza artificiale basata su cloud e le tecniche di apprendimento automatico possono controllare in modo dinamico e automatico la forma e il posizionamento precisi dei raggi fisici 3D nel secondo caso d’uso MaMIMO che ho illustrato. Il risultato finale è una drastica riduzione dell’interferenza cellula-cellula e un adattamento ottimale dell’energia RF alle richieste di traffico degli utenti, con un conseguente aumento significativo della capacità e una migliore esperienza dell’utente.

Le interfacce specificate in Open RAN abilitano la capacità “Super-SON” sopra descritta. Combinando i vantaggi delle tecnologie Open RAN e RF Coherency, gli operatori possono adottare una soluzione RAN 5G altamente avanzata.

Miglioramenti del beamforming e sinergie di adozione di Open RAN

L’efficienza spettrale e l’agilità del raggio migliorate utilizzando la coerenza di fase e le massicce tecnologie MIMO Open RAN creano nuove sinergie e opportunità nel mercato globale delle telecomunicazioni affrontando casi d’uso precedentemente non possibili. Queste tecnologie combinate consentono vari modelli di implementazione in mercati molto densi e a bassa economia come l’India e i paesi LATAM. D’altra parte, ha anche applicazioni per i governi del primo mondo e l’industria della difesa, dove sono richieste prestazioni più elevate e applicazioni di precisione.

Oltre al 5G, queste tecnologie saranno necessarie per raggiungere gli obiettivi di prestazioni chiave del 6G per abilitare le applicazioni che utilizzano topologie di distribuzione ultra-dense e situazioni di spettro ancora più impegnative.

Il Dr. Banu è uno dei fondatori di Blue Danube Systems, che è stata recentemente acquisita da NEC Corporation. Ha oltre 30 anni di esperienza nella ricerca e sviluppo di circuiti e sistemi, con particolare attenzione ai circuiti integrati analogici, a radiofrequenza e segnali misti. Il Dr. Banu è autore di oltre 30 articoli tecnici, diversi capitoli di libri e molti brevetti statunitensi e internazionali. Ha conseguito la laurea, il master e il dottorato di ricerca in ingegneria elettrica presso la Columbia University ed è IEEE Fellow.

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