ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИЙ АППАРАТНЫЙ МОДУЛЬ БАЗОВОЙ СТАНЦИИ

Заявка на выдачу патента на полезную модель подготовлена по итогам реализации мероприятий в рамках Программы деятельности лидирующего исследовательского центра (далее - ЛИЦ) «Сеть радиодоступа 5G с открытой архитектурой», реализующего дорожную карту по «сквозной» цифровой технологии «Технологии беспроводной связи».
Наименование тематики Программы ЛИЦ: Разработка единого цифрового платформенного решения, обеспечивающего эффективное проектирование и развертывание сетей радиодоступа, на основе гармонизированного с международным открытого стандарта связи нового поколения (5G).
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации (Минцифры России) и АО «РВК», а также Сколковского института науки и технологий, идентификатор соглашения предоставлении субсидии 0000000007119Р190002, №005/20 от 26.03.2020 г.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к телекоммуникационному оборудованию, в частности, к приемопередающему аппаратному модулю базовой станции для сетей радиодоступа 5G.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Наиболее близким аналогом является источник информации RU 148915 U1, опубликованный 20.12.2011. В данном источнике раскрыт приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки радиолокационной станции. В указанном решении, в известный многоканальный модуль, состоящий из приемопередающих каналов, узла управления и съемного блока вторичного электропитания, вводится планарное размещение в корпусе двух одинаковых многослойных печатных плат, конструктивно объединяющих в себе по четыре приемопередающих канала, включая управляемые 6-разрядный фазовращатель и 5-разрядный аттенюатор, которые являются общими для приемной и передающей частей приемопередающих каналов, два делителя 1:4 зондирующего импульса и контрольного сигнала приемной части, сумматор 4:1 приемных сигналов, функционально совмещенный с ним сумматор контрольного сигнала передающей части и узел управления, которые также являются общими для четырех приемопередающих каналов, что приводит к существенному снижению трудоемкости за счет изготовления сразу 4-х приемопередающих каналов за один технологический цикл и значительного уменьшения проводного монтажа внутри модуля. Повышение надежности, снижение массы и стоимости приемопередающего модуля достигается за счет уменьшения числа элементов схемы, являющихся общими для приемной и передающей части приемопередающего канала, и элементов, общих для 4-х приемопередающих каналов. На поверхность многослойной печатной платы установлены экранные перегородки для взаимной экранировки каналов. Блок вторичного электропитания устанавливается в герметичном отсеке на обратной стороне приемопередающего модуля. В этом же отсеке, с внутренней стороны крышки, расположена плата, включающая делитель 1:2 зондирующего импульса, делитель 1:2 контрольного сигнала приемной части и сумматор 2:1 приемных сигналов и контрольного сигнала передающей части, при этом крышка ППМ является радиатором для тепловыделяющих элементов блока вторичного электропитания, а основание модуля является радиатором для выходных усилителей передающей части.
Недостатками вышеуказанного технического решения является то, что вышеуказанное техническое решение специфицируется как блок для активной фазированной решетки в составе радиолокационной станции, предлагаемое решение является приемопередающим модулем. Кроме того, в вышеуказанном техническом решении объединяются элементы между приемной и передающей частями, в предлагаемом решении на плате аналогового модуля, приемные каналы объединены попарно блоком малошумящего усилителя (МШУ), что обеспечивает упрощение конструкции и снижение массы модуля, а также улучшает технические характеристики модуля, за счет того, что передающие каналы находятся отдельно друг от друга.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей заявленной полезной модели является разработка приемопередающего модуля базовой станции для сетей радиодоступа 5G.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении способности отвода тепла приемопередающего модуля за счет расположения 2-х аналоговых модулей на противоположных частях корпуса.
Заявленный технический результат достигается за счет работы приемопередающего модуля для сетей радиодоступа 5G, содержащий блоки, которые соединены в едином корпусе с внешними разъемами
цифровой блок, выполненный с возможностью цифровой обработки сигнала и осуществления контроля модулей приемопередающего модуля;
два аналоговых блока, выполненные с возможностью настройки амплитуды принятого РЧ-сигнала и формирования мощного РЧ-сигнала для передачи, причем на аналоговом узле каждого аналогового модуля, включающего четыре канала, приемные каналы объединены попарно блоком малошумящего усилителя (МШУ), имеющего два канала усиления в составе одной микросхемы; причем первый аналоговый блок закреплен в корпусе, а второй аналоговый блок закреплен на крышке корпуса;
блок питания, выполненный с возможностью формирования напряжения питания аналогового блока и цифрового блока;
два полосовых фильтра, выполненные с возможностью очистки спектра принимаемого и передаваемого сигнала за пределами полосы пропускания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Полезная модель будет более понятной из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 иллюстрирует схему приемопередающего модуля;
фиг. 2 иллюстрирует схему приемопередающего канала 1 и 2 аналогового блока.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
В приведенном ниже подробном описании реализации полезной модели приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящей полезной модели. Однако квалифицированному в предметной области специалисту будет очевидно, каким образом можно использовать настоящую полезную модель, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящей полезной модели.
Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что полезная модель не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящей полезной модели, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.
Предлагаемое решение является частью в составе комплекса оборудования базовой станции RAN 5G RUS, включающей по меньшей мере централизованный модуль, распределенный модуль и приемопередающий модуль. Каждый модуль имеет собственный корпус. Также предлагаемое решение может быть частью макробазовой станции стандарта 5G NR на сетях операторов мобильной связи и корпоративной связи.
Приемопередающий модуль подключается к распределенному модулю посредством оптоволоконного кабеля через разъем SFP28 к аппаратным ускорителям распределенного модуля, а распределенный модуль, в свою очередь, подключается к основному вычислительному блоку центрального модуля посредством блока интерфейсов взаимодействия.
Приемопередающий модуль 100 для сетей радиодоступа 5G проиллюстрирован на фиг. 1 и включает следующие блоки, соединенные в едином корпусе с внешними разъемами: цифровой блок 101, два аналоговых блока 102 и 103, блок питания 104 и два полосовых фильтра 105 и 106.
Цифровой блок 101 выполнен с возможностью цифровой обработки сигнала, поступающего от распределенного модуля и осуществления контроля блоков приемопередающего модуля.
Цифровой блок 101 включает программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) 1010, систему синхронизации и распределения тактовых сигналов, блок памяти, интерфейсы данных и управления, и схему распределения питания 1011.
Обмен данными между модулями цифрового блока 100 и ПЛИС 1010 на цифровой плате осуществляется по UART, SPI и I2C интерфейсам. Для обмена данными с внешними устройствами используются интерфейсы SFP28, RJ45, AISG. ПЛИС выступает в качестве мастера.
Центральной частью подсистемы синхронизации является сетевой синхронизатор, который использует стабильный опорный сигнал от ТСХО / ОСХО для ослабления дрейфа и джиггера от входных и восстановленных тактовых импульсов, а также обеспечения соответствующей стандартам точности частоты. Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) и тактовые буферы имеют низкий уровень джиттера, что обеспечивает чистые тактовые импульсы для каждого из блоков приемопередающего модуля. Для ослабления уровня джиттера, в системе синхронизации используется дополнительная микросхема - аттенюатор джиттера.
Цифровой блок 100 включает три различных типа памяти: энергозависимая память: динамическая память с произвольным доступом четвертого поколения (DDR4 DRAM), синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных четвертого поколения (DDR4 SDRAM) и энергонезависимая память: флеш-память представленная микросхемами QSPI, еММС и SD. Энергозависимая память хранит временные данные, чтобы обеспечить быстрый доступ к обработанным данным. Временные данные могут быть данными об обработке потоков данных, либо данными для передачи из одного потока в другой, либо данными для передачи из одного модуля в другой.
Для передачи данных и контрольных сигналов (дополнительная информация, которая необходима для того, чтобы приемопередающий модуль корректно преобразовал сигнал из временной области в частотную область, данные об антенне, на которой нужно передать сигнал, информация о корректировке антенны) по протоколу eCPRI (evolved Common Public Radio Interface) между приемопередающем модулем и распределенным модулем на цифровом блоке реализован оптический Ethernet порт, используемый для подключения к внешним сетям передачи данных. Интегрированные блоки ПЛИС 100G Ethernet в соответствии со стандартом IEEE Std 802.ЗЬа обеспечивают порты Ethernet 100 Гбит / с. Данные и контрольные сигналы, которые передаются по протоколу eCPRI ORAN 7.2х и раскрыты в уровне техники «О-RAN Fronthaul Working Group Control, User and Synchronization Plane Specification*, O-RAN.WG4.CUS.0-v07.00 Technical Specification.
Аналоговый блок 102, 103 выполнен с возможностью настройки амплитуды принятого РЧ-сигнала и формирования мощного РЧ-сигнала для передачи, причем на аналоговом узле каждого аналогового модуля, включающего четыре канала, приемные каналы объединены попарно блоком малошумящего усилителя (МШУ), имеющего два канала усиления в составе одной микросхемы.
Первый аналоговый блок 102 закреплен в корпусе, а второй аналоговый блок 103 закреплен на крышке корпуса. Данное расположение обусловлено тем, что при работе два аналоговых модуля отводят тепло на радиатор приемопередающего модуля и тем самым улучшается охлаждение всего приемопередающего модуля, что способствует улучшению технических характеристик приемопередающего модуля.
Каждый аналоговый блок 102, 103 включает аналоговый узел (4 приемопередающих канала), калибровочный канал, контрольные интерфейсы, система распределения питания.
Аналоговый узел каждого аналогового блока состоит из 4-х идентичных приемопередающих каналов (RF канал). Каждый канал включает в себя тракт передатчика, тракт приемника и канал обратной связи для внесения предыскажения в передаваемый сигнал. Приемные каналы двух приемопередающих каналов объединены попарно блоком малошумящего усилителя (МШУ), имеющего два канала усиления в составе одной микросхемы. На фиг. 2 проиллюстрировано, что два приемных канала 1 канала и 2 канала объединены блоком МШУ (LNA на схеме). Приемные каналы 3 и 4 каналов также объединены блоком МШУ (на фиг. не показано). Объединение приемных каналов 1 и 2, 3 и 4 каналов способствует тому, что передающие каналы разнесены друг относительно друга и при одновременной работе они не создают помех друг другу и осуществляется защита от интерференции. Кроме того, данное объединение способствует упрощению конструкции приемопередающего модуля.
Калибровочный канал осуществляет калибровку фазы и амплитуды антенных портов базовой станции для точного формирования диаграммы направленности антенной решетки (8 каналов) в режиме передачи и точной информации о диаграмме направленности в режиме приема. Это позволяет выбирать направление в пространстве для режима передачи в зависимости от направления, откуда были получены данные в режиме приема. Для осуществления калибровки предусмотрен специальный калибровочный порт, который через систему делителей мощности и направленных ответвителей связан с каждым из приемопередающих портов антенны по уровню от -20 дБ до -30 дБ.
Контрольные интерфейсы необходимы для управления функционалом аналогово блока цифровым блоком. Контрольные сигналы для приемопередающего модуля формируются с помощью ПЛИС на цифровом блоке и поступают на аналоговые блоки через коннекторы вместе с РЧ-сигналом. Контрольные сигналы необходимы для установления правильного значения усилителя, детектирования сигналов, управления ключами для определения приема или передачи. Модуль питания, выполненный с возможностью обеспечения напряжения аналогового модуля и цифрового модуля.
Система распределения питания в цифровом блоке 101 и аналоговых блоках 102, 103 необходима для преобразования и распределения входного напряжения (48 В) от базовой станции на цифровой блок и аналоговый блок в соответствии с тем напряжением, который соответствует каждому блоку.
Два полосовых фильтра 105, 106, выполнены с возможностью очистки спектра, принимаемого от аналоговых блоков (один полосовой фильтр принимает сигнал от одного аналогового блока) и передаваемого от антенны сигнала за пределами полосы пропускания.
Полосовой фильтр 105, 106 необходим для фильтрации внеполосных помех, которые могут формироваться передатчиком вследствие нелинейности оконечного каскада усиления и цифроаналогового преобразования. Также фильтр ограничивает амплитуду внеполосных помех, которые могут блокировать приемный тракт.
Внешние разъемы, расположенные на корпусе приемопередающего модуля необходимы для подключения цифровых и аналоговых интерфейсов от распределенного модуля и антенны и включают следующие разъемы:
коннекторы 4.3-10 (1 на корпусе и 8 на двух полосовых фильтрах) подключаются с помощью кабелей к внешней антенне и служат для передачи РЧ-сигнала,
коннектор AISG также подключается к внешней антенне и необходим для контроля угла наклона антенны,
разъем SFP28 подключается к распределенному модулю посредством оптоволоконного кабеля и предназначен для передачи контрольных сигналов и полезных данных между приемопередающим модулем и распределенным модулем,
разъем RJ45 служит для отладки и настройки приемопередающего модуля по Ethernet интерфейсу,
SMA коннектор подключается к внешней GNSS антенне для обеспечения возможности синхронизации приемопередающего модуля,
разъем питания обеспечивает подключение -48 В к приемопередающему модулю.
Распределенный модуль реализует цифровую обработку сигналов, предусмотренную спецификациями 3GPP серии TS 38.401 Release 16. Распределенный модуль представляет собой корпус, в котором размещены основной вычислительный блок, содержащий процессор, по меньшей мере один аппаратный ускоритель, выполненный с возможностью подключения приемопередающих модулей, блок синхронизации, выполненный с возможностью приема и передачи сигналов синхронизации и блока питания.
Централизованный модуль представляет собой корпус, в котором размещены: основной вычислительный блок, содержащий процессор; блок интерфейсов взаимодействия с по меньшей мере одним распределенным модулем базовой станции, соединенный с основным вычислительным блоком; блок интерфейсов взаимодействия с ядром сети 5GC, соединенный с основным вычислительным блоком и выполненный с возможностью сопряжения централизованного модуля базовой станции с опорной сетью ядра сети 5GC.
Цепь обработки данных для передаваемых сигналов выглядит следующим образом. Централизованный модуль сопрягается с опорной сетью (ядром сети) 5GC, посредством блока интерфейсов взаимодействия с ядром сети 5GC, и получает от нее данные. Полученные данные поступают на основной вычислительный блок централизованного модуля, обрабатываются в соответствии со спецификациями 3GPP TS 38.401 Release 16 для централизованного модуля и через блок интерфейсов взаимодействия с по меньшей мере одним распределенным модулем, поступают в распределенный модуль на основной вычислительный блок распределенного модуля через интерфейс взаимодействия распределенного модуля с централизованным модулем. В распределенном модуле полученные сигналы обрабатываются в соответствии со спецификациями 3GPP серии TS 38.401 Release 16 для распределенного модуля, синхронизируются посредством блока синхронизации и затем проходят через по меньшей мере один аппаратный ускоритель, который обеспечивает работу алгоритмов цифровой обработки сигналов 5G NR, в частности модуляцию/демодуляцию, помехоустойчивое кодирование/декодирование, прекодер, эквализацию сигнала, проверку контроля целостности (CRC), контроль и управление многоантенной передачей данных и т.д. (уровня L1-HighPHY) в соответствии с требованиями стандарта ORAN и раскрыты в уровне техники «О-RAN Fronthaul Working Group Control, User and Synchronization Plane Specification», O-RAN.WG4.CUS.0-v07.00 Technical Specification. Модуль аппаратного ускорителя ускоряет на аппаратном уровне цифровую обработку сигнала, а также обеспечивает работу интерфейса eCPRI ORAN 7.2х. Далее, посредством оптоволоконного кабеля через разъем SFP+ или SFP28, полученные данные передаются в цифровой блок приемопередающего модуля. Цифровой блок приемопередающего модуля обеспечивает работу алгоритмов цифровой обработки сигналов уровня L1-LowPHY в соответствии с требованиями стандарта ORAN, которые раскрыты в уровне техники «О-RAN Fronthaul Working Group Control, User and Synchronization Plane Specification», O-RAN.WG4.CUS.0-v07.00 Technical Specification, после чего передает полученный сигнал в по меньшей мере один аналоговый блок на передающий тракт аналогового узла, который в свою очередь осуществляет аналоговое усиление сигнала, фильтрацию, и передачу сигнала на соответствующий антенный порт приемопередающего модуля через циркулятор и полосовой фильтр.
Цепь обработки данных для передаваемых сигналов выглядит следующим образом. После прихода сигнала от антенны на один из антенных портов приемопередающего модуля сигнал передается на вход аналогового блока, который осуществляет усиление принимаемого сигнала и устраняет помехи. Приемные каналы аналогового узла объединены попарно блоком малошумящего усилителя (МШУ), имеющего два канала усиления в составе одной микросхемы. В составе приемопередающего модуля имеется дополнительный калибровочный канал приемопередающего модуля, который осуществляет калибровку фазы и амплитуды антенных портов базовой станции для точного формирования диаграммы направленности антенной решетки (8 каналов) в режиме передачи и точной информации о диаграмме направленности в режиме приема. С калибровочного канала сигнал переходит обратно на аналоговый узел и по приемному каналу передается в цифровой блок приемопередающего модуля. Полезный сигнал после аналогового узла передается на вход цифрового узла блока, который в свою очередь осуществляет цифровую обработку сигнала уровня L1-LowPHY в соответствии с требованиями стандарта ORAN, которые раскрыты в уровне техники «О-RAN Fronthaul Working Group Control, User and Synchronization Plane Specification», O-RAN.WG4.CUS.0-v07.00 Technical Specification, после чего передает обработанный сигнал через интерфейс eCPRI ORAN 7.2х и посредством оптоволоконного кабеля через разъем SFP+или SFP28 на аппаратный ускоритель распределенного модуля, который в свою очередь обрабатывает полученный сигнал в соответствии с алгоритмами цифровой обработки сигналов уровня L1-HighPHY в соответствии с требованиями стандарта ORAN и раскрыты в уровне техники «О-RAN Fronthaul Working Group Control, User and Synchronization Plane Specification», O-RAN.WG4.CUS.0-v07.00 Technical Specification и синхронизируются посредством блока синхронизации. Далее полученные сигналы передаются на основной вычислительный блок распределенного модуля, после чего через интерфейс взаимодействия распределенного модуля с централизованным модулем передаются на основной вычислительный блок централизованного модуля через соответствующий интерфейс централизованного модуля для взаимодействия с распределенным модулем, и далее через блок интерфейсов взаимодействия с ядром сети 5GC – в ядро сети 5GC.
В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.