实现5G新型无线电大规模MIMO系统

大规模MIMO依赖于使用大量天线,是实现必要改进的关键技术,以证明从4G到5G无线网络的演进是合理的。

正在定义第五代(5G)无线接入网络,以满足2020年及以后的容量需求的持续增长,并解决新的用例和应用。5G新无线电(NR)的目标是为每个用户提供高达10Gbps的峰值数据速率,以提供增强的移动宽带(eMBB)服务,这比4G网络提供了大约100倍的改进。

大规模MIMO是实现这一目标的主要手段。该技术特别适用于6 GHz以下未充分利用的TDD(时分双工)频段,如40频段(2.3 GHz),41频段(2.5 GHz),42频段(3.5 GHz)和43频段(3.7 GHz),为无线通信预留了许多未经许可的频段,以及将为商业无线网络重新分配的其他频段。

大规模MIMO对于使动态数字波束成形实现逐个用户波束在理论上为每个用户提供全小区容量是重要的,否则在用户之间在时间和频率上共享。现有用户设备无需改变即可从具有大规模MIMO功能的蜂窝塔中受益。

大规模MIMO的承诺非常吸引人,许多运营商不想等待5G NR标准的完成,并且正在考虑将其部署在4G设备上。然而,这些好处带来了一系列挑战。

由于在实施大规模MIMO无线电时系统复杂性的多倍增加,更大的占地面积和更高的功率和成本是一个主要障碍。克服这些挑战需要将模拟信号链与无线电中的数字前端(DFE)设备集成,同时显着提高信号处理计算能力。

大规模MIMO和波束成形
波束成形不是一个新概念,并且已经作为有源天线系统(AAS)在蜂窝市场中出现,其在无线电中使用静态波束成形作为权衡以包含系统成本和复杂性。AAS适用于覆盖范围有限的网络,但是今天拥挤的网络需要动态数字波束成形以获得最大可能的频谱效率改进。

具有全数字波束成形的大规模MIMO为频率和时间维度增加了空间维度,从而显着提高了频谱效率。由多个波束的阵列增益和正交性引起的所得SNR(信噪比)改进意味着相同的时间和频率分配可被多个用户重用。


图1有源天线系统和大规模MIMO

大规模MIMO系统:基站解聚和功能划分
与大规模MIMO架构相关的复杂性需要进行重大的设计更改:基站的分解以支持新的功能分区来管理系统内连接带宽。

例如,在100 MHz 64T64R(发送/接收)天线阵列系统中,基带和无线电功能之间的带宽为230 Gbps,假设基带和无线电功能均使用每个设备实现。实际上,系统使用多个设备来实现8T8R或16T16R阵列DFE无线电功能模块,从而使系统内连接带宽要求翻倍。

图2提供了大规模MIMO无线电系统的概念图。数字无线电处理模块通过集成的模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)实现8T8R或16T16R DFE功能。这是消除连接数字和模拟域通常所需的JESD204B连接链路的必备条件; 它们的消除将有助于降低系统占地面积,功耗和成本。



图2
概念性大规模MIMO架构
 
波束成形设备将第1层基带功能带入无线电,​​以通过现在可能在移动边缘虚拟化的更高层基带功能来显着降低连接带宽要求。集成,灵活性和更高的计算能力是优化实施大规模MIMO系统和发展相关波束成形和DFE算法以不断提高性能,成本和功耗的三个关键要求。

可编程RFSoC
5G NR大规模MIMO实现需要无线电中的大量有源信号链连接到阵列中的每个天线或天线子集。这些有源信号链传统上包括数据转换器,滤波器,混频器,功率放大器和低噪声放大器,可导致系统功率,形状因数和成本的显着增加。大规模MIMO系统中的大量有源信号链会增加系统功率和占用空间,从而难以实现商业上可行的系统。在RF前端(RFFE)和DFE之间移动数据相关的成本是5G必须解决的关键挑战之一; 必须在软件,硬件和系统级别解决该问题。

为了应对这一挑战,Xilinx通过将直接RF采样数据转换器集成到现有的16nm FinFET多处理SoC(MPSoC)系列产品中,取代了多个ADC和DAC以及板上的许多其他RF元件。无线电应用。这种新的SoC器件系列称为“All Programmable RFSoC”,它单片集成了RF采样数据转换器技术,为无线电系统提供完全硬件和软件可编程的宽带宽平台。

该架构基于与FPGA可编程逻辑合并的ARM级处理子系统,具有12位,4GSPS(每秒千兆采样)RF采样ADC,以及14位,6.4GSPS直接RF DAC,以及优化的数字下变频和上转换信号处理。

通过集成RF采样数据转换器技术将RF移入数字域不仅可以克服功率,空间和成本方面的缺点,还可以实现宽带宽和多频段系统。 

现有无线电系统中的模拟RF通常被设计为放宽离散数据转换器规范。此外,离散数据转换器和模拟RF组件使用较旧的工艺节点,通常针对窄带宽进行优化。这导致模拟RF解决方案在宽带MIMO和大规模MIMO无线电系统的尺寸,功率和成本方面是昂贵的。集成高速数据转换器,6.4GSPS直接RF DAC和4GSPS RF采样ADC,使数字RF具有灵活,低功耗和宽带宽,非常适合构建具有更小占位面积,功耗和成本的MIMO和大规模MIMO系统。
16nm FinFET技术
高速RF元件的单片集成得益于16nm FinFET工艺中可以实现的出色模拟晶体管特性。晶体管的导通电阻极低,这允许实现具有高精度的宽带RF采样信号开关。反过来,这可以集成经济高效,高功效的高速比较器,放大器,时钟电路和数字辅助模拟校准逻辑,所有这些都具有出色的特性。

16nm FinFET与65nm(通常用于模拟RF元件)的数字实现可实现10倍以上的面积缩减和4倍的功耗降低。Xilinx创新了理想的设计解决方案,以实现电源完整性,高精度数字校准环路和强大的隔离策略。

图3 RFSoC数字射频资源

RFSoC中集成的数字RF资源由6.4个GSPS DAC和4个GSPS ADC的多个通道,集成的低相位噪声PLL和全复合混频器组成 - 每个DAC和ADC均采用48位数控振荡器(NCO)。RF数据转换器阵列配有1×,2×,4×,8×插值和抽取滤波器,并实现灵活的FPGA架构接口。此外,直接RF-DAC模块实现了正交调制校正(QMC)和Sin x / x(Sinc)校正滤波器。

RFSoC中的大规模MIMO 
图4图1说明了使用其中一个RFSoC器件的典型大规模MIMO无线电实现。RFSoC具有33 Gbps收发器,带有硬化的100G以太网MAC / PCS和RS-FEC,可根据前传接口的风格进行利用,无论是25G CPRI还是eCPRI协议。

部分L1功能,例如iFFT / FFT变换和相关的物理随机接入信道处理,可以移动到无线电,以在无线电和基带单元之间减少50%的带宽(以及成本和功率节省)。

RFSoC器件提供丰富的高性能低功耗DSP资源,可实现数字前端,包括数字上变频,波峰因数降低,数字预失真,无源互调校正,均衡和下变频。

发送路径上的适当插值滤波器和接收路径上的抽取滤波器用于在高时钟频率下运行RF-DAC和RF-ADC,与FPGA架构频率无关,以实现更好的频率规划。通过仔细的频率规划,可以同时支持多个频段,例如用于FDD大规模MIMO的频段1和频段3以及用于TDD大规模MIMO的频段38,40,41和频带42和43,利用集成RF信号链的宽带宽。 

RFSoC具有运行速度高达1.5 GHz的四核ARM Cortex-A53多处理器内核以及运行频率为533 MHz的双核实时ARM Cortex-R5多处理器内核。这是用于计算预失真系数和执行系统控制,RF校准以及一般操作和维护功能的重要计算资源。

与片上计算相结合的可编程逻辑可用于支持开源API,以便将来用于软件定义网络的无线电系统,其中无线电可以根据客户需求动态配置。机器学习算法可以在结构中有效地实现,以自动管理越来越多的分段频谱带,频谱共享和托管移动虚拟网络运营商(MVNO)。

图4 RFSoC上的大规模MIMO无线电实现,具有部分L1功能卸载

为了实现集成,Xilinx提供了最先进的DFE IP库,用于CFR(波峰因数降低)和DPD(数字预失真)以及DFE子系统参考设计和用于4G,LTE-Pro和5G应用的DFE演示套件。

为了演示RFSoC上的系统性能,基于ZU28DR器件的RFSoC特性板连接到Xilinx RF前端卡,该前端卡具有两个发送和两个多路复用接收路径,以支持PA反馈(图5)。通过该电路板设置,将单个PA连接到一个DAC / ADC对,完成了现有Xilinx 16nm MPSoC器件的快速DFE参考设计端口(v2.1),利用RFSoC和16nm SoC之间的结构通用性进行设计重用。

在这方面,Xilinx CFR IP的运行速度为245.76 MSps(使用TM3.1a信号实现了7.5%PAPR的3%EVM)和491.52 MSps的DPD IP(使用3.93216 GSps时钟和8x插值/抽取的第二奈奎斯特运行的DAC / ADC) ,在160MHz的瞬时带宽内具有复合信号2c LTE20 + 1c LTE20。PA输出为45 dBm或32瓦。在运行DPD之后,实现的ACP(在图5的右侧示出)是54.91dBc并且上ACP是-55.14dBc,其符合LTE频谱发射掩模要求的足够余量。

图5用于2c LTE20 + 1c LTE的RFSoC设置,IBW为160MHz

Xilinx All Programmable RFSoC单片集成高速宽带宽RF采样数据转换器,具有丰富的数字信号处理和计算资源,可满足5G NR和LTE-Advanced Pro MIMO以及大规模MIMO无线电系统实现的多种多频带要求。该技术通过显着降低系统占用空间,功耗和成本,解决了大规模MIMO的挑战。RFSoC器件固有的可编程性和现有解决方案的重复使用可加快产品上市速度,同时允许简单的现场更新,以符合新兴标准和更新的算法和PA技术。

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