Новые высокоскоростные трансиверы от Infineon Technologies

№ 4’2014
PDF версия
Большинство существующих транспортных сетей мобильной связи (Backhaul Mobile Networks, BMN) ограничены скоростями «вниз/вверх» в 100 и 50 Мбит/с соответственно. Для перехода на скорости свыше 1 Гбит/с необходимы комплектующие нового поколения. Специалисты компании — производителя чипсетов Infineon Technologies AG закончили испытания и приступили в 2014 г. к серийному выпуску высокоскоростных трансиверов миллиметрового диапазона серии BGTxx.

Транспортные сети мобильной связи Backhaul Mobile Networks

Концерн Infineon Technologies AG в 2014 г. приступил к серийному производству однокристальных приемопередатчиков серии BGTxx, предназначенных для транспортных сетей мобильной связи нового поколения. Сам производитель подчеркивает, что эта продукция предназначена именно для сетей BMN.

В англоязычной телекоммуникационной литературе под термином «Backhaul» в общем случае подразумевается совокупность всех ресурсов, выполняющих функции обмена информацией между базовой станцией (БС) и опорной сетью (ОС) оператора сотовой связи (core network).

В сетях 2G изначально использовался медный кабель. Следующим этапом было оптоволокно. Оба этих способа имеют ряд недостатков, связанных, прежде всего, с высокой стоимостью монтажа и эксплуатации. В сетях нового поколения, в которых используются микросоты, единственным рентабельным способом передачи информации между БС и ОС является беспроводная связь. При использовании технологии беспроводной связи сети, связывающие БС с оборудованием ОС сотового оператора, называют BMN (Backhaul Mobile Networks). Структура такой сети показана на рис. 1 [1].

Структура сети Backhaul Mobile Networks

Рис. 1. Структура сети Backhaul Mobile Networks

В настоящее время большинство операторов сотовой связи используют беспроводные IP ОС, которые позволяют наращивать пропускную способность и предоставлять новые сервисы, такие, например, как VoIP, IPTV, Long Term Evolution (LTE) и др.

В наиболее распространенном варианте сети BMN используется технология MPLS, которая позволяет реализовать следующие функции: поддержка изолированного от БС трафика, возможность предоставления всех необходимых сервисов, подключение корпоративных клиентов с использованием услуги L2VPN/L3VPN, поддержка необходимых показателей качества обслуживания (QoS), возможность синхронизации БС по IP (IEEE 1588) [2].

Следует обратить внимание, что именно BMN, в конечном итоге, определяют скорости передачи и то качество связи и услуг, которые предоставляет конкретный оператор сотовой связи.

В сетях LTE BMN обеспечивает также возможность соединения БС напрямую между собой. В настоящее время сети поколения 4G (LTE) развернуты в большинстве развитых стран мира. Как уже было сказано, многие из этих сетей позволяют работать со скоростями «вниз» (от БС к абоненту) 100 Мбит/с и «вверх» (от абонента к БС) 50 Мбит/с.

Вместе с тем уже сегодня «стандартные» LTE-сети не могут полностью удовлетворить таким, например, требованиям мобильного рынка, как:

  • необходимость увеличения скорости передачи данных (более 100/50 Мбит/с);
  • лавинообразный рост абонентского и служебного мобильного трафика передачи данных;
  • нарастающее увеличение объемов данных, передаваемых в сегменте «машина–машина» (М2М);
  • минимизация расходов на создание и поддержание новых сетей.

Поэтому ведущие мировые производители вкладывают огромные средства в разработку сетей нового поколения.

В первую очередь следует отметить LTE Advanced — стандарт мобильной связи, одобренный рабочей группой 3GPP «Международного союза электросвязи» как главное улучшение стандарта LTE. Данный стандарт соответствует спецификации 3GPP Rel. 10, согласно которой скорость передачи от БС к абоненту может превышать 1 Гбит/с. Уже сегодня такие сети реально существуют и развиваются.

Кроме того, в мире разрабатывается несколько проектов сетей поколения 5G.

Согласно оценке, приведенной в [1], сети 5G должны обеспечивать улучшение (по сравнению с 4G) следующих параметров:

  • увеличение объема передаваемых данных более чем в 1000 раз в каждой области обслуживания;
  • увеличение количества присоединенных абонентских устройств в 100 раз (LTE обеспечивает работу до 200 абонентов в соте);
  • увеличение скорости передачи данных на порядки (LTE обеспечивает работу со скоростями 100/50 Мбит/с «вниз/вверх» соответственно);
  • уменьшение задержки в цепочке «end-to-end» на порядок (LTE поддерживает 10 мс).

Таким образом, в ближайшем будущем можно ожидать массового появления сетей со скоростями несколько гигабит в секунду.

Естественно, что при создании новых сетей возникает множество технических проблем. Одна из них связана с обеспечением связи на скоростях выше 1 Гбит/с в транзитных сетях мобильной связи. Как уже упоминалось, большинство существующих сетей BMN ограничены скоростями 100 и 50 Мбит/с, поэтому для перехода на скорости больше 1 Гбит/с необходимы комплектующие нового поколения.

Выпускаемые компанией Infineon Technologies AG высокоскоростные трансиверы (приемопередатчики) миллиметрового диапазона серии BGTxx предназначены для работы в беспроводных системах связи на частотах 57…64, 71…76 или 81…86 ГГц.

Новые чипсеты позволят создавать компактное и надежное оборудование для инфраструктуры БС мобильной связи нового поколения [3].

Высокоскоростные приемопередатчики серии BGTxx

Семейство BGTxx включает три модели:

  • BGT60 для ISM-диапазона 57…64 ГГц;
  • BGT70 для диапазона Low Band 71…76 ГГц;
  • BGT80 для диапазона High Band 81…86 ГГц.

Модель BGT60 предназначена для работы в нелицензируемом диапазоне частот 57…64 ГГц, который используется в США. Некоторые поддиапазоны также доступны в Японии и Южной Корее. Планируется разрешить свободное использование этого устройства во всех странах Евросоюза. Модели BGT70 и BGT80 разработаны для использования в диапазоне E-Band (71…76, 81…86 ГГц). Параметры оборудования, предназначенного для работы в диапазоне E-band, регламентированы документом ETSI [4].

Идея применения диапазона E-band в сетях BMN заключается в последовательной координации работы приемопередатчиков с использованием метода pencil beam, который предъявляет очень жесткие требования к диаграмме направленности антенны. В частности, необходимо обеспечить коэффициент преобразования антенны не меньше 43 дБи и отклонение ширины луча не более 2°.

Для обеспечения высокой пропускной способности отводится 19 каналов шириной по 250 МГц. Кроме того, предусмотрены дополнительные полосы шириной по 125 МГц на краю каждой 5-ГГц зоны.

При этом допускается агрегация всех 19 каналов, которая позволяет более эффективно использовать пропускную способность и упрощает управление сетью. Поскольку агрегация осуществляется в точках, где сходится большое количество трафика от различных сот, ее значение будет возрастать по мере роста и развития широкополосных беспроводных услуг.

При использовании схемы модуляции 128-QAM и RIC (Minimum Radio Interface Capacity), равным 150, максимальная скорость передачи может достигать для этой технологии 19 Гбит/с. Радиус действия ограничен отношением сигнал/шум и составляет 2…3 км.

Следует отметить, что строгие требования, предъявляемые к уровню сигнал/шум, обуславливают уникальные характеристики оборудования, предназначенного для использования в сетях E-band Backhaul. Так, например, трансиверы, изготовленные по стандартной технологии, могут работать в таких сетях только при условии, если будут иметь BER (bit error rate) меньше одной миллионной. Поэтому развитие приемопередатчиков миллиметрового диапазона сдерживалось вплоть до последних лет.

Новейшие полупроводниковые материалы и новые технологии, появившиеся в последние годы, сделали возможным массовое производство трансиверов для миллиметрового диапазона. Так, при производстве серии BGTхх использована уникальная биполярная технология Infineon B7HF200 SiGeC. Все модели серии BGTxx изготовлены в одном конструктиве Infineon Embedded Wafer Level Ball-Grid Array (eWLB) Package.

Внешний вид трансивера BGT80 показан на рис. 2. Габаритные размеры 6×6×0.8 мм.

Внешний вид трансивера BGT80

Рис. 2. Внешний вид трансивера BGT80

Структурная схема трансивера BGT80 приведена на рис. 3.

Структурная схема трансивера BGT80

Рис. 3. Структурная схема трансивера BGT80

На одном кристалле (SiGe) размещен полностью законченный радиочастотный блок (RF), который включает в себя следующие устройства:

  • малошумящий усилитель (LNA);
  • усилитель мощности (PA);
  • программируемый линейный усилитель (PGA);
  • контроллер напряжения питания (VC);
  • контроллер выходной мощности (PW);
  • смеситель (M);
  • кварцевый генератор (VCO);
  • датчик температуры;
  • контроллер интерфейса SPI;
  • периферийные устройства.

Контроллер выходной мощности позволяет регулировать ее по петле обратной связи. Благодаря открытой архитектуре, передатчик прямого преобразования может быть подсоединен непосредственно к baseband-процессору через сбалансированные выводы I и Q. Выбор каналов и режимов Tх/Rх осуществляется через порт SPI. Кроме того, этот интерфейс можно использовать для калибровки приемопередатчика.

В таблице 1 приведены технические характеристики приемопередатчика BGT80.

Таблица 1. Технические характеристики приемопередатчика BGT80

Диапазон рабочих частот, ГГц

BGT60

57–64

BGT70

71–76

BGT80

81–86

Полоса ПЧ, МГц

50–1000

Модуляция

QAM32/QAM64

Скорость передачи данных, max, Гбит/с

1,25

Радиус действия, км

2,5

Ток потребления (max), мА

Tx off, Rx off

270

Tx on, Rx on

520

Напряжение питания, В

3,135–3,465

Выходная мощность, max (регулируемая), дБм

18

Коэффициент шума (по отношению к выходу LNA), дБ

6

Случайные флуктуации частоты генератора (VCO phase noise)

–85 дБс/Гц на 100 кГц

Коэффициент ошибки передачи данных (Bit Error Rate BER)

10–6

Конструктив

eWLB PG-WFWLB-119-1

Электростатическая защита (ESD HBM)

1 кВ (все контакты DC, I/O, RF)

Габаритные размеры, мм

6×6×0,85

Диапазон рабочих температур, °C

–40…+85

Трансиверы серии BGT могут работать в дуплексном режиме с частотным (FDD) разделением каналов или в полудуплексном режиме с временным разделением каналов.

На рис. 4 схематически показан пример передачи данных между двумя базовыми станциями с помощью трансиверов BGT70 и BGT80 в дуплексном режиме c частотным (FDD) разделением каналов.

Схема передачи данных между двумя БС с помощью трансиверов BGT70 и BGT80 в дуплексном режиме c частотным разделением каналов

Рис. 4. Схема передачи данных между двумя БС с помощью трансиверов BGT70 и BGT80 в дуплексном режиме c частотным разделением каналов

В сетях с FDD E-Band одна из двух частот (71–76 или 81–86 ГГц) используется для передачи, а другая — для приема. В системах с TDD E-Band одни и те же частоты используются и для приема, и для передачи.

Специально для разработки новых изделий на базе приемопередатчиков серии BGTxx выпускается отладочная плата Infineon BGT80e evaluation board. На ней размещены все необходимые интерфейсы, описание которых приведено в таблице 2.

Таблица 2. Интерфейсы отладочной платы Infineon BGT80e evaluation board

Наименование

Назначение

DMOD

Широкополосный выход PPD MOD

Muxout

Переключение напряжения питания в соответствии с режимами PPD PA или PPD MOD

IF_I_TX/IF_Ix_TX

Синфазный/Дополнительный вход передатчика «I»

IF_Q_TX/IF_Qx_TX

Квадратурный/Дополнительный вход передатчика «Q»

IF_I_RX/IF_Ix_RX

Синфазный/Дополнительный выход приемника «I»

IF_Q_RX/IF_Qx_RX

Квадратурный/Дополнительный выход приемника «Q»

TX/RX Port

Передача/прием

Внешний вид отладочной платы показан на рис. 5.

Внешний вид отладочной платы Infineon BGT80e evaluation board

Рис. 5. Внешний вид отладочной платы Infineon BGT80e evaluation board

Трансиверы серии BGTxx вместе с соответствующим модулем радиосвязи позволяют создавать быстродействующие системы для сетей BMN. Так, в октябре 2014 г. на выставке European Microwave Week в Италии компания Infineon Technologies продемонстрировала полностью законченное устройство для связи между БС в сетях Wireless Backhaul на базе BGT80 и Altera FPGA-250 МГц. Система успешно работает при скоростях выше 1,2 Гбит/с на расстояниях до 2,5 км [6].

Литература
  1. Unified MPLS Mobile Transport Design Guide, Cisco Community,
  2. Single-Chip Packaged RF Transceivers for Mobile Backhaul // Microwave Journal. August, 2013.
  3. ETSI TS 102 524 «Fixed Radio Systems; Point-to-Point equipment; Radio equipment and antennas for use in Point-to-Point Millimeter wave applications in the Fixed Services (mmwFS) frequency bands 71 GHz to 76 GHz and 81 GHz to 86 GHz».
  4. One-chip packaged RF Solution for E-band Radio Backhaul Transceiver Chipsets — BGT70 and BGT80
  5. Infineon to Demonstrate Gigabit Backhaul System for 3G/4G LTE // Technology Media. October, 2014.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *