Tiểu Luận - Thu Phát Vô Tuyến - Đề Tài - Sự Phát Triển Của Kiến Trúc Trạm Gốc Di Động

Có thể tóm tắt số lượng các công nghệ khác nhau cung cấp giải pháp hiệu quả và tương đối rẻ tiền cho vấn đề xây dựng các trạm gốc vô tuyến di động đa chế độ, đa băng tần, đa chức năng, p

z

- -

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI TẬP

SỰ PHÁT TRIỂN CỦA KIẾN TRÚC TRẠM GỐC DI ĐỘNG Tên học phần: THU PHÁT VÔ TUYẾN

Sự phát triển của kiến trúc trạm gốc di động

Igor S Simić

Với sự gia tăng của các tiêu chuẩn không dây như GSM / EGPRS, WLAN, WiMAX, WCDMA, HSDPA / HSUPA và WiBRO -các trạm gốc vô tuyến không dây trong tương lai

sẽ cần hỗ trợ nhiều giao diện không khí, dải tần và định dạng điều chế Công nghệ vô tuyến cho phép phần cứng có thể cấu hình lạiqua nhiều tiêu chuẩn là một thách thức lớn đối với các nhà phát triển trạm gốc Trong bài báo này, kiến trúc trạm gốc phát triển theo hướng công nghệ vô tuyến được xác định bằng phần mềm đầy đủ được phân tích

Từ khóa - Kiến trúc trạm gốc, phần mềm định nghĩa vô tuyến, xử lý tín hiệu băng cơ sở

I.GIỚI THIỆU

chính là cấu trúc liên kết mạng di động và sự phụ thuộc của nó vào thiết bị vô tuyến đắt tiền

và khó nâng cấp Trong mạng di động, thiết bị vô tuyến nằm trong các trạm gốc (BS) được phân phối rộng rãi trong toàn mạng Các nhà khai thác mạng phải tái tạo lại các trạm gốc này bằng các thiết bị vô tuyến mới hoặc lắp đặt các trạm mới, mỗi khi họ muốn giới thiệu băng tần mới, bổ sung dung lượng, nâng cao hiệu quả phổ, nâng cấp công nghệ hoặc thêm

và tương đối rẻ tiền cho vấn đề xây dựng các trạm gốc vô tuyến di động đa chế độ, đa băng tần, đa chức năng, phần mềm xác định radio (SDR) Không có định nghĩa SDR duy nhất nào tồn tại Thông thường, nó được coi là tổng hợp các công nghệ phần cứng và phần mềm, trong đó các phần thiết yếu của hoạt động có thể được cấu hình lại bằng cách nâng cấp phần mềm của nó Các thuật ngữ khác được sử dụng trong ngữ cảnh của hệ thống di động có thể lập trình hoặc cấu hình lại là: thiết bị đầu cuối đa tiêu chuẩn, vô tuyến nhận thức, vô tuyến có thể cấu hình lại và vô tuyến kiến trúc linh hoạt

Công nghệ được Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ thúc đẩy để thay thế một số giao thức đơn lẻ - radio bằng 1 nền tảng chung có thể được lập trình lại để đảm bảo khả năng tương tác Trong bối cảnh quân sự, lợi ích của SDR là rõ ràng: thay đổi đột xuất không chỉ mã xáo trộn / mã hóa mà còn cả sơ đồ điều chế, tốc độ dữ liệu, băng thông kênh Để phát triển các tiêu chuẩn cho thiết bị của chính phủ Hoa Kỳ, dự án Hệ thống vô tuyến chiến thuật chung (JTRS) đã được tạo ra JTRS bắt đầu vào năm 1997 để thay thế khoảng 750 000 máy thu phát quân sự bằng

250 000 bộ đàm SDR Trong những năm qua, phạm vi của JTRS đã được mở rộng để cho phép khả năng tương tác với NATO và các hệ thống vô tuyến khác của “Lực lượng Đồng minh”

Trong phần mềm liên lạc di động, đài phát thanh nổi lên như một “chủ đề” vào đầu những năm 1990, khi nhiều người nhìn thấy công nghệ như một giải pháp cho các vấn đề xử

lý tín hiệu phức tạp cần thiết trong các thiết bị đầu cuối di động đa chế độ / đa băng tần hiện đại Gần đây, hầu hết các thiết kế trạm gốc đều được phát triển theo hướng kiến trúc SDR Trong chương 2, các danh mục SDR được giải thích theo sau với các công nghệ cho phép được mô tả trong chương 3 Sự phát triển của phần cứng trạm gốc kiến trúc hướng tới SDR được phân tích trong chương 4 và 5

II Danh mục SDR

Diễn đàn về SDR (Tổ chức quốc tế về thúc đẩy sự phát triển và sử dụng các công nghệ SDR) đã tạo ra 5 nhóm danh mục về phần mềm vô tuyến (gọi là bậc) Bao gồm:

 Bậc 0: Radio phần cứng

thực hiện trong phần mềm Xử lý băng tần cơ sở được thực hiện với ASIC hoặc phần cứng cố định

nay Chủ yếu, phần mềm được sử dụng để điều khiển nhiều loại kỹ thuật điều chế: hoạt động băng rộng hoặc băng hẹp, các chức năng bảo mật và các yêu cầu về dạng sóng của các tiêu chuẩn hiện tại và đang phát triển trên một dải tần số

Cấp 2 Ngày nay, đây là loại SDR tiên tiến nhất có thể đạt được trong tương lai gần và nó loại bỏ sự khuếch đại tương tự hoặc trộn lẫn tạp chất trước khi chuyển đổi kỹ thuật số-tương tự Khả năng lập trình của nó mở rộng cho toàn bộ hệ

thống, với các chuyển đổi tương tự diễn ra ở ăng-ten, loa và micrô

mục đích so sánh

Hình 1: Kiến trúc SDR lí tưởng Hình 1 cho thấy một đài phát thanh phần mềm lý tưởng, nơi chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số diễn ra sau ăng-ten và tất cả các xử lí tiếp theo được thực hiện trong phần mềm

Phương pháp tuần hoàn thông thường được sử dụng để cách ly các bộ phận phát

và thu của bộ thu phát Nhược điểm của kiến trúc này là toàn bộ phổ RF được chuyển đổi bởi bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kĩ thuật số (ADC) làm cho các thông số kỹ thuật

TX / RX

PA

DAC

của thiết bị này (băng thông, dải động và tốc độ lấy mẫu) không thể thực hiện được với

các công nghệ của ngày nay Tất cả các chức năng chính được thực hiện trong phần mềm

bao gồm xử lý IF và RF của tín hiệu, tiếp theo là các chức năng của băng tần cơ sở như là

điều chế và giải điều chế Mặc dù radio phần mềm lý tưởng hiện tại có thể không khả thi

nhưng cần lưu ý rằng nhiều chức năng trong thiết bị cầm tay và trạm gốc ngày nay là

được triển khai dưới dạng mã phần mềm chứ không phải dưới dạng bộ phận phần cứng

Đây có thể được coi là phần mềm radio thực tế

Hình 2: Kiến trúc SDR thế hệ hiện tại

Thiết kế phần cứng chung của một trạm gốc dựa trên SDR ngày nay có thể được cấu

hình lại để hỗ trợ nhiều tiêu chuẩn được thể hiện trong Hình 2 Bộ chuyển đổi tương tự sang

kỹ thuật số và bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) hoạt động ở tần số trung gian

(IF) và đầu cuối tương tự băng rộng riêng biệt được sử dụng để xử lý tín hiệu tiếp theo đến

các giai đoạn RF

Digital IF mở rộng phạm vi xử lí tín hiệu kỹ thuật số ra ngoài miền băng cơ sở ra

ngoài ăng ten Điều này làm tăng tính linh hoạt của hệ thống đồng thời giảm chi phí sản

xuất Chuyển đổi tần số kĩ thuật số cung cấp tính linh hoạt cao và hiệu suất cao hơn (về mặt

suy giảm và chọn lọc) so với tín hiệu tương tự truyền thống

Các tiêu chuẩn 3G và truy cập dữ liệu gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) sử dụng

các kỹ thuật điều chế phong bì không đổi như QPSK và 16QAM Điều này đặt ra các yêu

cầu nghiêm ngặt về độ tuyến tính đối với bộ khuếch đại công suất Kỹ thuật tuyến tính hóa

hoặc kỹ thuật tiền biến dạng kỹ thuật số (DPD) có thể cải thiện hiệu quả bộ khuếch đại công

suất thường được thực hiện trong miền kỹ thuật số Các kỹ thuật DPD đã được phát triển để

cho phép sử dụng các bộ khuếch đại công suất RF chi phí thấp hơn thay vì các bộ khuếch

đại công suất tuyến tính cao, đắt tiền Sự không tuyến tính tồn tại trong bộ khuếch đại công

PA

DDC

DPD DUC

DDC : Bộ chuyển đổi Downconverter kỹ thuật

số DUC : Bộ chuyển đổi

kỹ thuật số DPD: Dự đoán kỹ thuật

số

suất chi phí thấp hơn được sửa chữa một cách giả tạo bằng cách sử dụng các chức năng bộ lọc thích ứng trong miền kỹ thuật số

DPD kỹ thuật số băng tần thích ứng là một công nghệ hoàn thiện đã chuyển từ phòng nghiên cứu thành các sản phẩm triển khai Khi kết hợp với các thuật toán giảm công suất đỉnh tiên tiến, DPD cải thiện đáng kể hiệu quả so với các PA tiếp theo Đối với hoạt động bốn sóng mang WCDMA, hiệu suất công suất của chuỗi máy phát (tức là bộ thu phát và bộ khuếch đại công suất) có thể được cải thiện từ mức thường dưới 10% lên khoảng 18% Hiệu quả năng lượng có môi trường tác động và ảnh hưởng đến chi phí hoạt động Tiêu thụ điện năng thấp hơn có thể làm giảm chi phí năng lượng và giảm phí theo yêu cầu (ampe hợp đồng) Công nghệ DPD cho phép radio hoạt động các bộ phận của BS được tích hợp thành một đơn vị vô tuyến hoàn chỉnh (RU) với các tín hiệu đầu vào băng gốc kỹ thuật số

Với DPD, đường cong PA buộc phải có phản hồi tuyến tính trên một phạm vi hoạt động

cụ thể Hình 3 cho thấy một sơ đồ khối của hệ thống thống DPD hoàn chỉnh [7] Trước khi vào DAC, các mẫu của tín hiệu đầu vào băng tần cơ sở được nhân với các hệ số phức tạp rút ra từ bảng tra cứu Các hệ số thực hiện chức năng phân bổ trước, được cập nhật theo những thay đổi trong hành vi PA liên quan đến những thay đổi về lưu lượng, môi trường và các hiệu ứng lão hóa

Hình 3: Nguyên tắc phân bố kĩ thuật số

Trong chuyển đổi kỹ thuật số lên (DUC), phức hợp đầu vào tín hiệu băng gốc được lấy mẫu ở tốc độ lấy mẫu tương đối thấp, điển hình là tốc độ ký hiệu điều chế kỹ thuật số Băng tần cơ bản tín hiệu được lọc và chuyển đổi thành tốc độ lấy mẫu cao hơn trước khi

IF từ ADC

NS

được điều chế thành tần số sóng mang được tổng hợp kỹ thuật số trực tiếp (DDS) [2] DUC thường thực hiện định hình xung và điều chế tần số sóng mang trung gian thích hợp để điều khiển tín hiệu tương tự cuối cùng (Hình 4)

Lọc nội suy

Hình 4: Bộ chuyển đổi kỹ thuật số lên (DUC)

Ở phía đầu thu, Bộ chuyển đổi kỹ thuật số xuống (DDC) là dùng để thực hiện các chức năng truy cập kênh Nó có một đường dẫn tín hiệu có thể định cấu hình bao gồm hệ số nhân, DDS và bộ lọc phân rã Tỷ lệ phân rã có thể được thay đổi Trong hình 5, sơ đồ khối của một DDC được hiển thị Tín hiệu RF từ ADC được nhân với tín hiệu định kỳ (sin/cos) được tạo ra trong DDS và quá trình dịch phổ sang băng tần cơ sở được thực hiện Với bộ lọc decimating, tín hiệu băng tần cơ sở mong muốn được lọc và chuyển đổi thành tốc độ lấy mẫu thấp hơn trước khi được gửi đến nền tảng DSP chung

Hình 5 Bộ chuyển đổi kỹ thuật số xuống (DDC)

Bản dịch của tín hiệu IF kỹ thuật số sang băng tần cơ sở được hiển thị trong bức tranh

Băng rộng quang phổ Tín hiệu hữu ích quang phổ ban đầu

NS

Hình 6: Dịch xuống tín hiệu DDC

III Công nghệ khởi động SDR

Các công nghệ bán dẫn cho phép hệ thống SDR là ADC/DAC, bộ xử lí tín hiệu kỹ thuật

số (DSP), mảng cổng có thể lập trình trường (FPGA), bộ lọc và khuếch đại RF ADC là yếu tố quan trọng nhất của SDR vì tốc độ của nó xác định khối xây dựng cơ bản của các trạm gốc SDR

và chắc chắn là công nghệ cho phép ban đầu của SDR DSP cung cấp các chức năng trải rộng, khử trải rộng, điều chế, giải điều chế và lọc, và thường có thể triển khai nhiều giao diện vô tuyến cùng lúc

Mảng cổng lập trình trường (FPGA) là các thiết bị có thể lập trình có chức năng kết nối và logic có thể được xác định lại sau khi sản xuất, với khả năng tùy chỉnh chương trình

và lập trình lại chức năng của thành phần Có nhiều loại kiến trúc FPGA, một số trong số đó

có thể rất phức tạp, không chỉ bao gồm các khối logic có thể lập trình được mà còn cả các kết nối và chuyển mạch có thể lập trình được

IV Kiến trúc SDR BS

Một trạm gốc điển hình (Hình 7) có bốn mô-đun chính: tần số vô tuyến (RF), băng tần cơ sở, điều khiển và truyền dẫn Mô- đun RF nhận/truyền tín hiệu và chuyển đổi chúng từ/sang dữ liệu kỹ thuật số Mô-đun băng tần cơ sở xử lý tín hiệu được mã hóa trước khi truyền/nhận nó từ/đến mạng lõi thông qua mô-đun truyền dẫn Sự phối hợp giữa ba chức năng này được duy trì bởi một mô-đun điều khiển Một số điểm tham chiếu (RP) đã được xác định với trọng tâm của ngành là đạt được chi phí thấp hơn cho các mô-đun khác nhau

Ví dụ về trạm gốc SDR được thể hiện trên Hình 8

Hai kiểu tổng hợp tài nguyên khác nhau sau đây có thể được xác định cho các trạm

gốc:

Kết quả là, cùng 1 tổng công suất BS có thể được cung cấp với ít tài sản hơn nếu các

nguồn lực cho các lĩnh vực khác nhau sẽ được tách biệt với nhau Tổng mức tăng gộp trong 1

trạm gốc có thể còn cao hơn nữa nếu kiến trúc phần cứng cho phép tổng hợp không chỉ trên các

cung khác nhau mà còn trên các lớp tần khác nhau (hình 9)

Hình 8: Mô đun Trạm gốc WCDMA

Ericsson

Đơn vị RF

RP1

Đơn vị RF

ơn vị RF

RF Đơn vị RP3

Baseband

P2

Kiến Kiến Kiến

NS NS NS

TX TX TX

DC

ET

NS

ET 3- 4 ET / E T / RAX / RAX / RAX / RAX / RAX / RAX /

O

NS

Quyề n Quyề n Quyề n

- 48 V 0

/ DCF

AC

DC r a

Xe buý t

NS

O

AC

DC r a

Xe buý t

NS

O

AC

DC r a

Xe buý t

NS

O

FCU

Quạt

Các đơn vị lọc

Điều khiển và vận

radio Nguồn

cấp điện

Hình 9: Tổng công suất băng tần cơ sở Trong tiêu chuẩn 3GPP, thuật ngữ "phần tử kênh" được giới thiệu để đo khả năng xử

lí tín hiệu ảo của BS Phần tử kênh (CE) mô tả các tài nguyên dung lượng cần thiết cho người dùng với một dịch vụ cụ thể, vì vậy nó có thể được công nhận là dung lượng phần cứng của trạm gốc Số lượng phần tử kênh dựa trên loại lưu lượng và phụ thuộc vào bộ mang sóng vô tuyến được sử dụng cũng như số lượng người dùng đồng thời cho bộ mang sóng vô tuyến cụ thể

Mặc dù CE là tài nguyên tương đương không được 3GPP tiêu chuẩn hóa và do đó không được các nhà sản xuất khác nhau định nghĩa như nhau (định nghĩa khác nhau về số lượng CE được yêu cầu cho một dịch vụ nhất định, liệu tài nguyên CE có cần thiết cho tín hiệu chung, các phép đo chế độ nén, v.v.), nó đại diện cho một phép đo đơn giản và trực quan về dung lượng băng tần cơ sở

Bộ khuếch đại công suất và mô-đun RF thường chiếm gần 50% chi phí BS và các nhà sản xuất hiện đang làm việc để tích hợp hai chức năng đó vào một mô-đun chi phí thấp hơn, dẫn đến các sáng kiến như Giao diện vô tuyến công cộng chung (CPRI) và Sáng kiến tiêu chuẩn trạm cơ sở mở ( OBSAI) để xác định và thống nhất về kiến trúc trạm gốc ở cấp độ mô-đun

CPRI làm việc để thiết lập giao diện tiêu chuẩn mô-đun RF nhằm khuyến khích các nguồn thay thế, cạnh tranh cho mô-đun RF và PA Tương tự như CPRI, OBSAI xác định các giao diện mở tại nhiều điểm tham chiếu trong kiến trúc trạm gốc, với điểm tham chiếu 3 (RP3) đại diện cho giao diện xử lí RF front-end tới baseband

Thông số kĩ thuật OBSAI RP3 xác định giao diện giữa mô-đun băng tần cơ sở và mô-đun RF Đặc điểm kỹ thuật cho phép tối đa 9 cặp liên kết đơn hướng cho mọi băng tần

cơ sở và mô-đun RF Đối với một BS điển hình, các liên kết đó có thể được kết nối với một lưới hoặc một cấu trúc liên kết và phân phối tập trung (C/D) Cấu trúc liên kết C/D phù hợp hơn với một BS lớn, vì nó có thể được quản lí dễ dàng hơn so với cấu trúc liên kết lưới Tác phẩm mới nhất của OBSAI trên RP3 là phần mở rộng RP3-01 Nó chỉ định giao thức giao diện RP3 để sử dụng đơn vị RF từ xa Hình 10 cho thấy tài liệu tham khảo kiến trúc của một

BS với các đơn vị RF từ xa

Hình 10: Kiến trúc đơn vị vô tuyến từ xa OBSAI

V Sự phát triển của kiến trúc trạm cơ sở

Kiến trúc trạm gốc được chuyển từ kiến trúc cơ bản dành riêng cho điều chế sang kiến trúc do phần mềm xác định Động thái gần đây hướng tới tiêu chuẩn hóa các giao diện

kỹ thuật số BS nội bộ, trong các sáng kiến của OBSAI và CPRI, về cơ bản sửa đổi các mô hình sản xuất BS Các giao diện tiêu chuẩn hóa đó tạo cơ hội cho nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) thuê ngoài cả phần cứng thẻ kĩ thuật số băng tần cơ sở và sản xuất phần cứng thu phát RF công suất cao Điều này giúp OEM được tự do tập trung vào phần mềm và dịch vụ ứng dụng phức tạp, vốn là những yếu tố khác biệt chính của họ trong nhiều ứng dụng (Hình 11)

Trong một trạm gốc thông thường, băng gốc và phần RF của bộ thu phát thường gần nhau về mặt vật lý Tuy nhiên, nguồn RF không được tạo ra gần với ăng-ten (điểm sử dụng

dự định của nó) và một lượng đáng kể bị lãng phí trong cáp Có hai cấu trúc liên kết thay thế được kích hoạt bằng cách sử dụng SDR: trạm gốc phân tán kiến trúc và mạng RF mồ côi (còn được gọi là “BS hotelling”)

Một ví dụ về sự tách biệt đơn vị kỹ thuật số và RF (kiến trúc BS phân tán) là việc sử dụng bộ thu phát RF (đơn vị RF từ xa - RRU) ở đỉnh tháp chứa ăng ten phát và nhận, như minh họa trong Hình 12 Các bộ phận BS còn lại có thể dễ dàng được đặt trong không gian tầng hầm chi phí thấp hơn, với một liên kết cáp quang giữa cả hai Cách tiếp cận này có một

số lợi ích so với cách tiếp cận truyền thống hơn là gắn bộ khuếch đại trong tủ BS, vì nó loại

bỏ tổn hao cáp RF công suất cao

Hình 11: Mô hình sản xuất BS mới