ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫЙ АППАРАТНЫЙ МОДУЛЬ БАЗОВОЙ СТАНЦИИ

Полезная 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 централизованному аппаратному модулю базовой станции для сетей радиодоступа 5G.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известен источник информации RU 2 751 217 С2, опубликованный 12.07.2021, раскрывающий базовую станцию. Предложенная базовая станция выполнена с возможностью осуществления связи со множеством пользовательских устройств. Указанная базовая станция содержит модуль передачи с возможностью передачи множества радиосигналов во множество пользовательских устройств; и модуль управления с возможностью размещения периодических блоков, содержащих сигнал синхронизации и системную информацию, в одном или более радиосигналах из указанного множества радиосигналов на основании разноса поднесущих.
Из уровня техники известен источник информации RU 2 491 780 С2, опубликованный 27.08.2013, раскрывающий способ беспроводной связи и используемые в нем станцию мобильной связи и базовую станцию. Базовая станция, включающая в себя интерфейс для беспроводной связи со станцией мобильной связи и процессор, конфигурация которого предусматривает обеспечение беспроводной связи со станцией мобильной связи с использованием агрегирования нескольких несущих; передачу управляющей структуры нисходящей связи по первому из нескольких несущих на станцию мобильной связи, где управляющая структура нисходящей связи обозначает управляющую информацию, по меньшей мере, на второй несущей, отличной от первой несущей; и передачу управляющей информации для декодирования станцией мобильной связи по каналу управления нисходящей связью второй несущей.
Заявленное техническое решение отличается от известных из уровня техники решений тем, что централизованный модуль базовой станции работает с использованием высокопроизводительного многоядерного процессора с использованием энергоэффективных ядер архитектуры ARMv8.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей заявленной полезной модели является разработка централизованного аппаратного модуля базовой станции для сетей радиодоступа 5G.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в улучшении технических характеристик централизованного аппаратного модуля базовой станции, за счет использования высокопроизводительного многоядерного процессора с использованием энергоэффективных ядер архитектуры ARMv8 и высокоскоростных интерфейсов передачи данных для подключения узлов распределенной базовой станции. Дополнительно, технический результат заключается в расширении арсенала технических средств.
Заявленный технический результат достигается за счет работы централизованного модуля базовой станции, представляющий собой корпус, в котором размещены:
основной вычислительный блок, содержащий процессор с архитектурой ARMv8;
блок высокоскоростных интерфейсов взаимодействия с по меньшей мере одним распределенным модулем базовой станции и соединенный с основным вычислительным блоком, поддерживающих Ethernet 10G/25G;
блок высокоскоростных 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, поддерживающих Ethernet 10G/40G.
В частном варианте реализации предлагаемого модуля, корпус централизованного модуля имеет ширину 19'' и высоту 1U.
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 структурную схему централизованного модуля.
Фиг. 2 иллюстрирует структурную схему распределенного модуля.
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 макро базовой станции стандарта 5G NR на сетях операторов мобильной связи и корпоративной связи.
Централизованный модуль включает аппаратные ресурсы, позволяющие реализовать все виды обработки данных, предусмотренных спецификациями проекта 3GPP TS 37.324 (SDAP), TS 38.331 (RRC), TS 38.323 (PDCP) и др. и физические интерфейсы, обеспечивающие взаимодействие централизованного модуля с распределенными модулями и с ядром сети 5GC, а также все необходимые подсистемы, обеспечивающие функционирование централизованного модуля.
На фиг. 1 проиллюстрирован централизованный модуль 100, представляющий собой корпус, в котором размещены: основной вычислительный блок 101, блок интерфейсов взаимодействия с по меньшей мере одним распределенным модулем 102, блок интерфейсов взаимодействия с ядром сети 5GC 103, блок питания 104.
Корпус централизованного модуля базовой станции 100 имеет габаритные размеры 430 × 44×425 мм. Корпус выполнен с шириной 19'' и высотой 1U, что способствует установке данного модуля в стандартный телекоммуникационный шкаф. Такое исполнение устройства обеспечит высокую универсальность применения предлагаемого решения на сетях операторов связи.
Основной вычислительный блок 101 является средой для выполнения функционала протоколов базовой станции RAN 5G RUS в соответствии со спецификациями альянса 3GPP.
Основной вычислительный блок 101 построен на многоядерном процессоре с использованием энергоэффективных ядер, архитектуры ARMv8 обеспечивающей необходимый уровень вычислительной мощности для работы стека протоколов базовой станции RAN 5G RUS.
Основные характеристики процессора:
Архитектура ядер CPU - ARM v8.2;
Количество ядер - 24;
Тактовая частота ядер - до 2.2 ГГц;
Количество и тип интерфейсов памяти - 3х DDR4, 72 бит;
Количество и тип интерфейсов PCIe - 1-4х PCIe Gen4, режимы х1, х2, х4, х8, х16;
Количество и тип интерфейсов Ethernet - 12х Serdes, поддерживаются режимы SGMII, 10GBASE-R, 25GBASE-CR, 40GBASE-R4, 100GBASE-CR4.
Аппаратные ускорители сетевых и криптографических функций.
Основной вычислительный блок 101 включает интерфейсы взаимодействия с распределенными модулями 200, посредством блока интерфейсов взаимодействия с по меньшей мере одним распределенным модулем 102 базовой станции и с ядром сети 5GC, посредством блока интерфейсов взаимодействия с ядром сети 5GC 103.
Блок интерфейсов взаимодействия с по меньшей мере одним распределенным модулем 102 базовой станции.
Блок интерфейсов взаимодействия с распределенными модулями 102 поддерживает 4 интерфейса для подключения по меньшей мере одного распределенного модуля. Тип физических интерфейсов: Ethernet 10G/25G. Параметры физических интерфейсов: протокол Ethernet, режимы 10GBASE-R / 25GBASE-R, форм-фактор SFP28.
Централизованный модуль 100 способен поддерживать виды инкапсуляции данных, отраженные в актуальных версиях спецификаций ORAN-WG5.U.0-v01.00 и ORAN-WG5.C1-v01.00.
Блок интерфейсов взаимодействия с ядром сети 5GC 103 обеспечивает сопряжение централизованного модуля 100 с опорной сетью ядра сети.
Параметры физических интерфейсов для подключения к ядру сети 5G: протокол Ethernet, режимы 100GBASE-R / 40GBASE-R, форм-фактор QSFP28.
Параметры интерфейса, а также поддерживаемые протоколы и способы инкапсуляции данных соответствуют актуальным редакциям спецификаций ORAN-WG5.C1-v01.00 и ORAN-WG5.U.0-v01.00.
Также централизованный модуль 100 оснащен слотами для двух блоков питания 104 для обеспечения необходимого уровня надежности системы электропитания централизованного модуля 100 при его работе в непрерывном режиме. Блоки питания 104 способны работать в режиме резервирования, обеспечена возможность их горячей замены.
Распределенный модуль 200 реализует цифровую обработку сигналов, предусмотренную спецификациями 3GPP серии TS 38.200, и подключается к основному вычислительному блоку централизованного модуля, посредством блока интерфейсов взаимодействия централизованного модуля, и к приемопередающему модулю, посредством аппаратных ускорителей.
На Фиг. 2 проиллюстрирован распределенный модуль 200, который представляет собой корпус, в котором размещены основной вычислительный блок 201, содержащий процессор с использованием энергоэффективных ядер архитектуры ARMv8, по меньшей мере один аппаратный ускоритель 202, выполненный с возможностью подключения приемопередающих модулей, блок синхронизации выполненный с возможностью приема и передачи сигналов синхронизации и блок питания 204.
Основной вычислительный блок 201 распределенного модуля построен на многоядерном процессоре с использованием энергоэффективных ядер, архитектуры ARMv8 обеспечивающей необходимый уровень вычислительной мощности для работы стека протоколов базовой станции RAN 5G RUS в соответствии со спецификациями 3GPP.
Основные характеристики процессора:
Архитектура ядер CPU - ARM v8.2;
Количество ядер - 24;
Тактовая частота ядер - до 2.2 ГГц;
Количество и тип интерфейсов памяти - 3х DDR4, 72 бит;
Количество и тип интерфейсов PCIe - 1-4х PCIe Gen4, режимы х1, х2, х4, х8, х16;
Количество и тип интерфейсов Ethernet - 12х Serdes, поддерживаются режимы SGMII, 10GBASE-R, 25GBASE-CR, 40GBASE-R4, 100GBASE-CR4;
Встроенные аппаратные ускорители сетевых и криптографических функций.
Основной вычислительный блок 201 распределенного модуля включает интерфейсы взаимодействия (прием и передача данных) с централизованным модулем. Не менее четырех из имеющихся на плате интерфейсов используются для сопряжения с централизованными модулями. Параметры физических интерфейсов: протокол Ethernet, режимы 10GBASE-R / 25GBASE-CR, форм-фактор SFP28.
Разделение функций между распределенным модулем 200 и централизованным модулем 100, а также используемые протоколы и виды инкапсуляций данных соответствуют требованиям актуальных версий спецификаций ORAN WG5.C.1 и ORAN WG5-U.0v01.00.
Распределенный модуль 200 также содержит по меньшей мере один аппаратный ускоритель 202, для подключения распределенного модуля к приемопередающим модулям. Всего может быть использовано до четырех аппаратных ускорителей. Каждый аппаратный ускоритель 202 оснащен двумя сетевыми интерфейсами, что обеспечивает возможность прямого подключения до 8 приемопередающих моделей.
Аппаратный ускоритель 202 обеспечивает ускорение обработки сигнала.
Подключение приемопередающих модулей через аппаратные ускорители 202 осуществляется посредством физических интерфейсов аппаратных ускорителей протокол Ethernet, режимы 10GBASE-R/25GBASE-CR, форм-фактор SFP28.
Распределенный модуль 200 обеспечивает возможность реализации всех необходимых инкапсуляций данных, отраженных в спецификациях ORAN-WG4.CUS.0-v02.00 или ее актуальной на момент выполнения работ версии, ORAN WG4.MP.0-v02.00.00 или ее актуальной на момент выполнения работ версии и разрабатываемого стандарта RAN 5G Rus.
Подключение аппаратных ускорителей 202 к основному вычислительному блоку 201 распределенного устройства осуществляется посредством блока подключения аппаратных ускорителей 2021.
Блок подключения аппаратных ускорителей 2021 представляет собой преобразователь группового интерфейса PCIe х16, обеспечивающего сопряжение с основным вычислительном блоком распределенного модуля, в четыре интерфейса PCIe x4, обеспечивающие подключение аппаратных ускорителей.
Распределенный модуль 200 также содержит блок синхронизации 203, который поддерживает функции приема и передачи сигналов синхронизации в соответствии с требованиями спецификации ORAN-WG4.CUS.0 к источникам и к точности синхронизации.
Блок синхронизации состоит из двух компонентов - платы синхронизации 203 и платы интерфейсов 204, служащей для подключения спутникового GPS-приемника в качестве источника синхронизации.
Распределенный модуль 200 также содержит блок питания 205. Распределенный модуль 200 оснащен двумя слотами для установки блоков питания 205 и поддерживает возможность резервирования и горячей замены блоков питания. Это обеспечивает необходимый уровень надежности системы электропитания устройства при его работе в непрерывном режиме.
Корпус распределенного модуля имеет габаритные размеры 438 × 86 × 477 мм. Корпус выполнен с шириной 19'' и высотой 2U, что способствует установке данного модуля в стандартный телекоммуникационный шкаф. Такое исполнение устройства обеспечит высокую универсальность применения предлагаемого решения на сетях операторов связи. Распределенный модуль 200 имеет модульную конструкцию, с возможностью установки необходимого количества аппаратных ускорителей функций обработки стека протоколов стандарта 5G.
Приемопередающий модуль подключается к распределенному модулю посредством оптоволоконного кабеля через разъем SFP28 к одному из аппаратных ускорителей распределенного модуля, а распределенный модуль, в свою очередь, подключается к основному вычислительному блоку центрального модуля посредством блока интерфейсов взаимодействия.
Приемопередающий модуль представляет собой корпус, в котором размещены 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 обеспечения напряжения аналогового модуля и цифрового модуля; два полосовых фильтра, выполненные с возможностью очистки спектра принимаемого и передаваемого сигнала за пределами полосы пропускания.
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 модуль на передающий тракт аналогового модуля, 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 узла 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 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 осуществление 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.