A vezeték nélküli lefedettség forradalmasítása

A celluláris DAS integrált megoldások ereje

A kereskedelmi épületek és sportlétesítmények minőségi mobil lefedettséget igényelnek, de ezek a környezetek kihívást jelentenek a jelek vételére. A cikk átfogó megoldást mutat be az elosztott antennarendszerek (DAS) számára, amelyek elengedhetetlenek a cellás lefedettség és kapacitás kiterjesztéséhez az épületszerkezeteken belül. Felvázolja a magasan integrált rendszertervek előnyeit, amelyek egy RF-adó-vevőt tartalmaznak kétirányú erősítővel vagy távoli hozzáférési egységgel összekapcsolt berendezéssel. A megoldás feltárásával a javasolt blokkdiagramokon keresztül az olvasók jobban megérthetik, hogyan működnek együtt ezek az elemek.

A modern környezetek, például a kereskedelmi épületek és a sportlétesítmények gyakran igényelnek jobb cellás lefedettséget a zökkenőmentes kapcsolatok biztosításához. A mai nagy kereskedelmi épületek, kórházak és sportlétesítmények vastag acél-, beton- és energiatakarékos üvegfalai azonban könnyen megakadályozhatják, hogy a mobiltelefonok jelei elérjék a lakók mobiltelefonjait. Más szóval, a megerősített szerkezet és az erősen sötétített ablakok, valamint más építőanyagok miatt az épületek RF-pajzsként viselkednek. A magas épületek emellett a közeli mobiltornyoktól származó magas szintű RF-interferenciát is tapasztalhatnak, ami tovább ronthatja a szolgáltatást. A túlterheltség egy másik oka a rossz mobiltelefon-vételnek, amikor túl sok ember foglal el egy kis helyet. Ezek a tényezők együttesen okozzák a rossz mobiltelefonos vételt. Az integrált DAS-megoldás (Distributed Antenna Systems) elengedhetetlen a minőségi mobilszolgáltatás megvalósításához és a vezeték nélküli hálózatok jövőbeli növekedésének felgyorsításához.

Mi az a DAS?

A DAS egy olyan, az épületen belüli vezeték nélküli rendszer, amely megbízható mobiltelefonos lefedettséget biztosít az épületben tartózkodók számára. A DAS olyan, egymástól térben elkülönített antennacsomópontok hálózata, amelyek kiterjesztik a cellás hatótávolságot és növelik a jelerősséget, hogy a nagy sűrűségű beltéri vagy kültéri helyszíneken kiváló cellás csatlakozási szintet érjenek el. Bár nincs két egyforma DAS-megvalósítás, egy tipikus telepítés magában foglalhat közvetlen kapcsolatokat egy donorantenna, egy RF-jel BDA (Bidirectional Amplifier) vagy booster, egy vezeték nélküli szolgáltató bázis adó-vevő állomása (BTS – Base Transceiver Station), optikai szálelosztó fejállomások, RAU-k (Remote Access Unit/Remote Fiber Distribution Unit) és számos, az épületben stratégiailag elhelyezett mennyezeti antenna között. Egyes esetekben több BTS-t telepítenek; minden egyes szolgáltatóhoz egyet-egyet.
Gyakran előfordul, hogy több rádiófrekvenciás betáplálást kombinálnak, majd továbbítják a fejállomáshoz, a fő elosztóegységhez. Az épület tetején elhelyezett donorantenna jeleket küld és fogad a mobilszolgáltatótól, és a vezeték nélküli jelet egy optimálisan elhelyezett RF-jel BDA-n keresztül juttatja be az épületbe. A fejállomás berendezése ezután különböző optikai kábeleken keresztül táplálja a RAU-kat. A RAU-k pedig koaxkábeleken keresztül táplálják az antennarendszereket. Egyetlen RAU-ról több mennyezeti antenna is táplálható. Ez hang- és adatszolgáltatást biztosít az épületben lévő mobileszközök számára, hasonlóan ahhoz, ahogyan egy mobilhálózatban egy mobilhálózat lefedettségét egy mobilhálózat telephelye biztosítja. Az 1. ábra egy tipikus, teljes mértékben DAS-architektúrát mutat.

1. ábra Hibrid DAS-architektúra

 
Az épületen belüli vezeték nélküli lefedettség javításának két fő trendje a csak RF booster vagy BDA termékek használata, amelyek egyszerű jelismétlők (más néven passzív DAS), vagy egy teljes aktív DAS rendszer használata, ahogy az 1. ábrán látható. Mind a passzív, mind az aktív DAS jelelosztó rendszereket a helyzettől függően használják a kereskedelmi épületeken belüli vezeték nélküli lefedettség és kapacitás javítására. Hibrid DAS-ról akkor beszélünk, ha az elosztórendszer a passzív és az aktív típusok aspektusait is magában foglalja.

A kétirányú erősítő

Ahogy az RF-jelek egyre távolabb kerülnek a donorantennától, egyre gyengébbek lesznek a hosszú koaxiális kábelezés okozta csillapítás miatt. Ennek elkerülése vagy enyhítése érdekében a passzív DAS a jelek növelésére vagy erősítésére és újbóli meghajtására többsávos RF-ismétlők széles választékát kínálja. A BDA front-end egy szűrőből, alacsony zajszintű erősítőből (LNA – low noise amplifier) és néha egy automatikus erősítésszabályozó (AGC – automatic gain control) áramkörből áll. Az AGC-összetevőket úgy tervezték, hogy korlátozzák az RF-teljesítményszintet, valamint megvédjék a BDA-t a károsodástól vagy torzítástól. A BDA egyszerre két irányban erősíti a rádiófrekvenciás jeleket. Nem modulálják, módosítják vagy más módon torzítják a tényleges rádiójelet. Fő céljuk, hogy az RF-jelet az egész épületben erősnek tartsák. A legtöbb BDA modult úgy tervezték, hogy egyszerre több vivőjelet erősítsen, és használatukhoz nem szükséges a vivőjelekkel való megállapodás. A 2. ábra mutatja a magas szintű blokkdiagramot a BDA javasolt elektronikus alkatrészeivel az RF-jel erősítésére és újrasugárzására.

 2. ábra A BDA/RF booster blokkdiagramja

A DAS távoli hozzáférési/elérési egység

A DAS fejállomás berendezése analóg-digitális átalakítást végez, és képes átalakítani az egy vagy több vivőből származó RF-jeleket. Ezért van szükség általában a szolgáltató jóváhagyására minden egyes szolgáltatótól az aktív DAS telepítéséhez. Az RF-jel digitalizálása és nagy sávszélességű optikai kábelezésen történő elhelyezése lehetővé teszi, hogy a jelet nagy sávszélességgel és teljes erősséggel, sokkal nagyobb távolságokra, minimális veszteséggel továbbítsák a kereskedelmi épületben minden emeleten stratégiailag elhelyezett RAU-khoz. Ezzel az eljárással a jelek sokkal kevésbé érzékenyek az interferenciára.
A RAU-k az optikai kábeleken jövő digitális jeleket visszaalakítják analóg RF-jelekké, és a DAS mennyezeti antennáira táplálják. A RAU koaxiális kábeleken keresztül csatlakozik a távoli mennyezeti antennákhoz, ami nagyobb lefedettséget és hatótávolságot biztosít, és így minden felhasználó számára lehetővé teszi a jobb szintű cellás kapcsolódást. Az 1. ábra a fejállomás és az összes RAU közötti optikai kábelezést mutatja.
A DAS fő és kulcsfontosságú funkciója a RAU, amely megkönnyíti az RF-kapacitás bővítését. A RAU fő feladata a digitális-RF és RF-digitális átalakítás. Az ADI magasan integrált és gyors RF- adó-vevő megoldásai, mint például az ADRV902x család, az alapvető integrált áramköri elemek, amelyek lehetővé teszik, hogy a RAU komplex feladatokat lásson el.
A 3. ábra egy tipikus DAS RAU magas szintű blokkdiagramját mutatja. Az 1. táblázat felsorol néhány javasolt alkatrészfunkciót és -számot. Annak ellenére, hogy az ábra több konkrét alkatrészjavaslatot tesz a platformra, a cikk további részében csak az RF- adó-vevőre, az ADRV9029-re és néhány csatlakoztatott teljesítménykomponensre összpontosítunk.

3. ábra Egy tipikus RAU blokkdiagramja az ADRV9029 RF-adó-vevővel

1. táblázat A RAU kialakításának javasolt elemei

Magas integráltságú Zero-IF mintavételező analóg adó-vevő: ADRV9029

Az ADRV9029 egy magas integráltságú, zéró-IF mintavételezésű analóg adó-vevő, amely képes a szélessávú jelek szintetizálására és digitalizálására. Az eszköz frekvenciaosztásos duplex (FDD) és időosztásos duplex (TDD) alkalmazásokban való használatra egyaránt programozható. Az eszköz biztosítja a DAS cellás infrastruktúraalkalmazások által megkövetelt teljesítményt, különösen a RAU-val. Az eszköz két kulcsfontosságú funkciót tartalmaz a digitális front-end blokk részeként, ami megkülönbözteti a versenytársaktól. Ezek a funkciók a digitális előtorzítás (DPD) adaptációs motor és a csúcstényező-csökkentéses (CFR – crest factor reduction) motor. Azokban az esetekben, amikor a DAS-rendszer szigorú késleltetési követelményekkel rendelkezik, a CFR megkerülhető. Az ADRV9029 funkcionális blokkdiagramja a 4. ábrán látható.

4. ábra Az ADRV9029 funkcionális blokkdiagramja

Digitális előtorzítási funkció

A DPD – a digitális előtorzítási funkció vagy képesség lehetővé teszi a vezeték nélküli rendszer számára, hogy a teljesítményerősítőket (PA-kat) a telítettséghez közelebb vezesse (anélkül, hogy a teljesítményerősítő telítődne), ami nagyobb hatásfokú teljesítményerősítőt tesz lehetővé a linearitás fenntartása mellett. Ez azt jelenti, hogy a DPD funkció lehetővé teszi a RAU-k számára, hogy a PA lineáris működési tartományának kiterjesztésével nagyobb teljesítményerősítő hatékonyságot érjenek el, miközben az átviteli jelláncban továbbra is teljesülnek a szomszédos csatornák szivárgási arányára (ACLR) vonatkozó követelmények. A távoli DAS-csomópontban lévő PA segít a teljes energiafogyasztás csökkentésében is. Az ADRV9029 megfigyelt vételi útvonalai a DPD működtetőhöz és az együttható-számítási motorhoz kapcsolódnak, hogy segítsék a rendszer PA-inak nagy hatékonyságú működését.
Az ADRV9029 DPD algoritmusa akár 200 MHz-es vivő­sávszélességet is támogat. A DPD funkció integrálása az ADRV9029-be jelentős rendszerszintű költség-, hely- és teljesít­ménymegtakarítást eredményez egy olyan diszkrét megvalósításhoz képest, amely egy FPGA-alapú DPD-megoldással ellátott RF-adó-vevőt használt. Ha pedig egy adott alkalmazás megköveteli, az ADRV9029-ben lévő DPD motor GPIO vezérléssel teljesen megkerülhető.
Az 5. ábra a DPD 20 MHz-es LTE-jel alapsávú adataira történő alkalmazását követő ACLR-teljesítményjavulást mutatja, amely a kijelölt csatornán sugárzott teljesítmény és a szomszédos rádiócsatornán kiszivárgó teljesítmény aránya. A teljesítményspektrális sűrűség ábrái azt mutatják, hogy a sávon kívüli nemlinearitások, amelyeket az LTE 20 MHz-es jel intermodulációs termékei okoznak, a DPD alkalmazása után 15-20 dB-lel csökkennek.

5. ábra Az ACLR javulását mutató teljesítményspektrális sűrűség a DPD alkalmazása után egy 20 MHz-es LTE-jel esetében

Csúcstényező-csökkentő blokk

A vezeték nélküli rendszerekhez használt jelenlegi technológiák, különösen a többhordozós hullámformák, mint például az ortogonális frekvenciaosztásos multiplexelés (OFDM – orthogonal frequency division multiplexing) sajátosságai miatt a jelnek magas lehet a felvételi és átlagos teljesítményaránya (PAPR – pick-to-average power ratio), ami hátrányosan befolyásolhatja a PA-k hatékonyságát. Ennek fő oka, hogy a jelnek olyan csúcsai vannak, amelyek meghaladják a teljesítményerősítők (PA-k) lineáris működési tartományát. A csúcstényező-csökkentési (CFR – Crest Factor Reduction) séma biztosítja, hogy a jel által igényelt tartomány a teljesítményerősítő lineáris tartományán belül legyen, és segít a rendszerben a PAPR hatásának mérséklésében vagy akár kiküszöbölésében.
Az ADRV9029 fedélzeti CFR-motorral rendelkezik, amely segít a felvételi és átlagos teljesítményarány (PAPR) csökkentésében. A csökkentett PAPR-rel a RAU PA-i nagyobb kimeneti teljesítményen működhetnek, ami növeli a teljesítményerősítő hatékonyságát az átviteli sorban. Az eszköz három CFR-motorral van felszerelve. Röviden, ez a jól szabályozható monolitikus platform egy DPD-motort biztosít, amelyet egy CFR-blokk elősegít. Ez az egy chipen lévő jeleken végzett munka kombinációja az, ami elválasztja az ADRV9029-et a versenytársaktól a PA-k lineárisan tartásának feladatát illetően.
Megjegyzendő, hogy az ADRV9029 a CFR-t az impulzuskioltási technika egy variációjával valósítja meg azáltal, hogy egy előre kiszámított impulzust von ki az észlelt csúcsokból, hogy a jelet a teljesítményerősítő lineáris tartományába hozza. Ezért minden vivőkombinációhoz impulzust kell generálni és betölteni. Ezen és más okok miatt a CFR blokk növeli a késleltetést. A legtöbb esetben a DAS rendszereknek szigorú késleltetési követelményei vannak. Ebben az esetben a CFR funkció egyszerűen megkerülhető. Az ADRV9026 a DPD és CFR nélküli termékcsalád tagja.

Tápegységek

Miután mindent jól csináltunk a lehető legmagasabb hibavektor-magnitúdó (EVM), a szomszédos csatorna szivárgási arány (ACLR) és a statikus adóteljesítmény-mérőszámok elérése érdekében, a RAU rendszer tápegységtervezésének figyelmen kívül hagyása veszélybe sodorhatja az összes jó RF-tervezési és szimulációs munkát. Működés közben az ADRV9029 tápáramai jelentősen változhatnak, különösen TDD üzemmódban történő működés esetén. Ha a tápellátásból származó zaj nincs szabályozva, az akár a JESD204B/JESD204C kapcsolat teljesítményét is befolyásolhatja.
Az ADI kifejlesztette az összes RF-adó-vevő és más 5G RF SoC alkatrész, például az ADRV9029 támogatásához szükséges innovatív kapcsolóüzemű tápellátási és tokozási technológiákat. A Silent Switcher^® 3 IC-család kivételesen alacsony frekvenciájú kimeneti zajjal, gyors tranziens reakcióval, alacsony EMI-kibocsátással és nagy hatékonysággal rendelkezik. Az LT8642S, LT8625S és LT8627SP ajánlott a RAU-hoz, amint az a 3. ábra blokkdiagramján látható. A Silent Switcher eszközök teljes portfóliója megtalálható az analog.com/silentswitcher oldalon.
A legtöbb esetben a harmadik generációs ADI Silent Switcher eszközök kiküszöbölik az LDO szükségességét, még a legtöbb tápellátási zajra érzékeny alkalmazásban is, mint például a fázisvezérelt hurok és az LNA-k tervezése. Ha LDO-ra van szükség, az ADM7172 és az LT1761 ajánlott. Az ADRV9029 a nemkívánatos bekapcsolási áramok elkerülése érdekében speciális bekapcsolási szekvenciát is igényel, erre az ADM1166-ot javasolták megoldásként.

Következtetés

A DAS segít hatékony RF-lefedettséget és kapacitást biztosítani, ami megkönnyíti a zökkenőmentes összeköttetést a megbízható hang- és adatátvitel iránti mai nagy igény kielégítése érdekében. Ez a cikk azt tárgyalta, hogy egy BDA (más néven passzív DAS) vagy egy teljes aktív DAS megoldás hogyan javíthatja a cellás jeleket az épületszerkezeteken belül, hogy a lakóknak robusztus vezeték nélküli kapcsolatokat biztosítson az egész létesítményben. A RAU ugyanúgy szerves része a teljes aktív DAS kommunikációs megoldásnak, mint az ADRV9029 a DAS csomópontnak. Az ADI a referenciatervet, felhasználói kézikönyveket, firmware-könyvtárakat és egyéb tervezési segédanyagokat kínál a mérnökök tervezési munkájának támogatására. Az ADRV9026 RF-adó-vevővel és a tervezési segédanyagokkal kapcsolatos részletesebb információkért, illetve a teljes rádiós fejlesztőkártya megvásárlásához kérjük, látogasson el ide: EVAL-ADRV9026/ADRV9029 Evaluation Board | Analog Devices

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Szerző: Hamed M. Sanogo – Kommunikációs és felhőszolgáltatások piaci szakértője, Analog Devices

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com