מגבר לתאים סלולריים קטנים ושיקולים לתכנון המערכת

Adi Shieber and Yan Vainter, Freescale

עתה, לאחר שתעשיית המערכות האלחוטיות עמדה בהבטחתה, והיא מספקת שירות נתונים מהיר באמת, בצורה של תקשורת בתקן LTE עם מחשבי לוח (tablet) וטלפונים חכמים שמנצלים אותה, האתגר של ספקיות הסלולר משתנה מעכשיו והופך להיות הבטחת זמינותם של קצבי הנתונים הגבוהים, באופן אחיד בכל האזורים הגיאוגרפיים. לביצוע משימה זו, קיים פתרון בפריסה רחבה, הקרוי “תאים סלולריים קטנים” (small cells). תאים אלו קטנים, קלי משקל, זולים ואפשר להציבם בקלות באתר, בניגוד לקודמיהם, הלא הם תאי המאקרו (macrocell) המגושמים. אלו מספקים גם דרכים להקלת העומס מעל הרשת ולהעברת התעבורה בין תחנות הבסיס (backhaul). כדי להבין תחנות בסיס של תאים סלולריים קטנים יש צורך להבין את האופן שבו הם שונים בארכיטקטורה מתאי מאקרו, לבחון את הבלוקים הפונקציונליים העיקריים ואת הרכיבים שלהם, וכן את תחומי הביצועים שעליהם יש לענות, ואותם יש להביא לפעולה מיטבית.

ההגדרה של התא
הסלולרי הקטן
בדומה למונחי “טכנולוגיה עלית” רבים, גם תחנות בסיס אלו החלו את דרכם כתאי פמטו סלולרייים (femtocells), אשר היו בשימוש באזורי מגורים (ומשתמשים בהם גם כיום באופן מתרחב והולך), על מנת לשפר את כיסוי הרשת. ואולם, עם ההופעה של תקנים מתקדמים בדור השלישי והרביעי כדוגמת HSPA+,
CDFMA 2000, מהדורה A ו-LTE, חברות התשתית נוכחו לדעת שתאים סלולריים קטנים הם גם התשובה לטיפול בתעבורת הנתונים בנתיבי החיבור אל תחנות הבסיס (uplink), מתחנות הבסיס (downlink) ובין תחנות הבסיס, זו אשר נוצרת בכמויות עצומות על ידי רשתות מהירות אלו. תחייה מחודשת זו של התעניינות הולידה מושגים חדשים לרוב, לרבות תאים סלולריים ברמת המטרו (metrocell), תאי פמטו סלולריים ברמת המטרו
(metro femtocell), תאי פמטו סלולריים ברמת הארגון (enterprise femtocell), תאי סופר פמטו סלולריים (super femtocell), תאי פמטו סלולריים רמה 3 (Class 3), תאי פיקו סלולריים (picocell) ותאי מיקרו סלולריים (microcell).
באופן סמלי, הגישה המפוקחת ביותר היא לקבץ את כל סוגי התאים האלו יחד, תחת השם “תאים סלולריים קטנים”, מפני שבלי כל קשר לגודלם או לגודל שטח הכיסוי שלהם, כולם מתוכננים לספק פחות או יותר אותו הדבר: שיפור של עוצמת האות על מנת להגיע לרמות סבירות באזורים שבהם הוא חלש, כמו למשל, “בעמקי קניונים עירוניים” (urban canyons), בערים שבהן בניינים חוסמים את נתיב האותות או באזורי מגורים או במתחמי עסקים שבהם האותות נחסמים על ידי קירות או תקרות ובאזורים רבים אחרים. השוואה בין כל תחנות הבסיס האלו לבין תא סלולרי מאקרו מוצגת בטבלה 1.
הגודל הקטן והקלות היחסית הכרוכה בהתקנת התאים הסלולריים הקטנים, מאפשרים את הצבתם של התאים הסלולריים הקטנים על עמודי תאורה, עמודי חשמל, על גגות – עקרונית בכל מקום שבו יש גישה למקור אספקת חשמל ולנתיב תקשורת מהירה אל התשתית הקווית. אפשר להשתמש בהם כדי לספק איכות טובה של שידור וקליטה ברחבי בנייני משרדים, בשדות תעופה, במרכזי כנסים וועידות ובתריסרי סוגים אחרים של מקומות, אשר בהם לאנשים יש צורך בתקשורת, אבל הם חסומים בגלל עוצמת אות נמוכה. מאחר שתאים סלולריים קטנים מעבירים את התעבורה שלהם אל תוך הרשת הקווית, דרך רשתות מעורבות של סיבים אופטיים וכבלים קואקסיאליים (hybrid fiber coax) או דרך רשתות של סיבים אופטיים בלבד, הם יכולים להוריד את העומס של תעבורת הרשת כפתרון לתקשורת בין תחנות הבסיס.
למרות שתאים סלולריים קטנים יכולים להיות בעלי גודל המהווה חלק קטן מגודל של תאי מאקרו, הם תחנות בסיס עם ביצועים גבוהים, אשר מבצעים אותן הפונקציות – ולא פעם גם פונקציות אחרות, כמו ניהול הפרעות בתוך אזור התא – שתאי המאקרו עצמם אינם נתקלים בהן. תאים סלולריים קטנים כוללים יכולות של קליטת אותות, עיבוד אותות ספרתיים בפס הבסיס, עיבוד רב תכליתי ויכולות שידור וקליטה בת”ר (RF) וגלי מיקרו (ועוד פונקציות נוספות) נתון במארז צפוף ופועל בתנאים של סביבה עוינת. ייתכן שנדרש מהם גם להתאים לתקנים ישנים של דור שני וכן גם לתקני CDMA גרסה A וגרסה R,
TD-SCDMA, W-CDMA, WiMAX, HSPA+ ו-LTE עם עד 15 פסי תדירות שונים.

שיקולי תכנון
המטרה העיקרית של תכנון תא סלולרי קטן היא לשלב את כל הפונקציות ממקמ”ש פס הבסיס דרך מקמ”ש ת”ר (RF) וגלי המיקרו, באופן שיהיה יעיל, הדוק ככל האפשר ותוך כדי שמירה על היכולת לבדל את המוצרים ולאפשר את שדרוגם עם התפתחות הטכנולוגיות. בנוסף לגודל הפיסי הקטן של תחנות בסיס אלו, לעתים קרובות הן מופעלות ממקור של מתח נמוך או אפילו מסוללות, עובדה שהופכת את האינטגרציה ברמה הגבוהה ואת הנצילות, למשימות שיש להן חשיבות עליונה מבחינת איש התכנון. ערוץ שידור אופייני בגזרה יחידה (single-sector) מתואר באיור 1, עם ציון הממשקים החשובים שלו.
במערכת בתקן LTE, המשמשת כדוגמה עיקרית, פונקציות פס הבסיס של השכבה הפיסית (שכבה 1) בתחנת בסיס LTE ממומשות בליבות DSP ומאיצי פס הבסיס והלוגיקה של מעגלי מערכת הרדיו, ממומשים בהתקני ASIC או בהתקני FPGA. עיבוד ספרתי של פס הבסיס עבור שכבה 2 ושכבה 3 מורכב מבקרת גישה מדיה (MAC), בקרת ערוץ רדיו (RLC) ומפרוטוקול התכנסות חבילות נתונים (PDCP), כולם בדרך כלל ממומשים באמצעות מעבד רב תכליתי.
בשכבה 1, תקני 3GPP עבור W-CDMA ו-LTE של הדור השלישי, למשל, משתמשים בגישות שונות לאפנון ולמיפוי נתונים אל התווך הפיסי. ל-W-CDMA יש צורך בכך, שמשאבי העיבוד יבצעו באופן יעיל את פעולות ההרחבה (spreading) וביטול ההרחבה (despreading), את פעולות הערבול וגילוי הערבול, ואת פעולות השילוב. בניגוד לכך, תקן LTE משתמש באפנון בגישת ריבוי חלוקת תדרים ניצבת (OFDMA) עבור נתיב החיבור מהרשת (downlink) ובאפנון גישת ריבוי חלוקות בתדירות גל נושא יחיד (SC-FDMA) עבור נתיב החיבור אל הרשת (uplink).
הפעולות העיקריות בסביבת OFDMA ו-SC-FDMA הן התמרת פורייה בדידה (DFT) בצורה של התמרת פורייה מהירה (FFT) או טרנספורם DFT עם פעולות כפל-צבירה (multiply accumulate). ארגון הנתונים ומבנה מסגרות המשנה במערכות LTE מאפשרים תזמון של צעדי העיבוד בשכבה 1 באופן רציף, על פי משתמש מסגרת המשנה ומידע ההקצאה. לזמן האחזור יש השפעה מכרעת על ביצועי הקול וגם על ביצועי הנתונים ונדרשת לו תאימות לדרישות המחמירות של העיבוד בשכבה הפיסית, וכך אפשר לספק זמן עבור המשימות של מתזמן שכבת MAC. תקן LTE מגדיר את זמן האחזור במסלול סיבובי (round – trip) של משתמש הקצה לפחות מ- 5 מילי שנייה, ולכן זמן האחזור בתחנת הבסיס חייב להיות פחות מזה באופן משמעותי (0.5 מילי שנייה בחיבור מהרשת ופחות מ- 1 מילי שנייה בחיבור אל הרשת). קיזוז (equalization) וגילוי של חיבור MIMO ותיקון שגיאות לפנים (forward error correction) משמשים במידה רבה במערכות LTE, ולאלגוריתמי קיזוז MIMO ותיקון קידוד טורבו של שגיאות לפנים יש השפעה משמעותית על תפוקתן של תחנות בסיס ועל זמן האחזור בהן. חברת Freescale מממשת את שכבה 1 באמצעות ליבת DSP מסוג StarCore® SC380 או מסוג SC3900 בפלטפורמה MAPLE להאצת פס הבסיס, אשר מממשת באופן יעיל בלוקי בסיס סטנדרטיים עבור כל תקן של ממשק אוויר בפעולה חד אופנית או רב אופנית. ליבות DSP הניתנות לתכנות מספקות נתיבים לשדרוג עבור כל תקן אלחוטי שנתמך, והן גם תומכות בתקנים ישנים.
בלוק בחומרה של MAPLE מאפשר פעולה רב אופנית, כמו למשל פענוח קידוד טורבו
ו- Viterbi וקידוד טורבו. אלגוריתמים של שכבה 2 ושכבה 3 מבוצעים על ידי הליבות הרב תכליתיות ®Power Architecture
של Freescale, אשר מממשות באופן יעיל כל תקן עם פעולה רב אופנית. בתחנות בסיס מאקרו, בכרטיס של ערוץ פס הבסיס משתמשים במעבד רב תכליתי יחיד ובמעבדי DSP מרובים על מנת לטפל במקטעי השידור והקליטה, שמשתנים בתלות במספר המשתמשים ובתפוקה הנדרשת. לתחנות בסיס של תאי פמטו ושל תאי פיקו יש מקטע יחיד בלבד ומספרים מוגדרים של משתמשים ושל קצבי נתונים, והפתרונות המאוחדים של מערכות על שבב (SoC), הקיימים כיום, מאפשרים לשלב את המעבד הרב תכליתי ואת מעבד DSP.

אופטימיזציה של האותות
מעגל הממשק הספרתי מכין ומרבב את האותות שנוצרים על ידי תת המערכת של העיבוד בפס הבסיס, ושולח אותם אל מגבר ההספק של אותות ת”ר לשידור. ממיר ספרתי מעלה (digital upconverter) קולט את האותות הנושאים שנוצרים על ידי שכבה 1, משפר את צורת האותות ומסכם אותם על פי התבנית שהוגדרה על ידי ספקית באמצעות דגימת יתר (Oversampling) וסינון. מעגל הממשק הספרתי יכול להשתמש בהפחתת גורם crest (CFR) לצורך הגבלת יחס
ההגבר בין השיא לממוצע (PAPR)
ולצורך שיפור הליניאריזציה של האות,
באמצעות עיבוד ספרתי קדם עיוותי
(digital predistortion-DPD), כאשר שתי השיטות יכולות להגדיל את נצילות המגבר.
הוכח שהפחתת גורם Crest היא כלי יעיל ביותר להקטנת יחס PAPR של אותות מאופננים מורכבים. כאשר מאפיינים את משרעת האותות לפי ספקטרום ההספק שלהם במישור התדר, אפשר לאפיין אותה במישור הזמן לפי ההתפלגות הסטטיסטית של האות (איור 2). פעולה זו מאפשרת למצות את יחס PAPR, שבו אפשר להשתמש על מנת לקבוע את הגודל של מגבר ההספק לת”ר ושל חלקיו. אם ההספק הממוצע המשודר חייב להיות
+30dBm עם יחס PAPR של 10dB, הספק הרוויה (Psat) של המגבר צריך להיות גדול מ-40 (30 + 10 = +40dBm).
יחס PAPR מכתיב את הנסיגה במוצא (OBO) במצב של הספק רוויה, אשר בו המגבר פועל בדרך כלל ומשפיע באופן ישיר על הנצילות של המגבר, מפני שיחס PAPR קטן ככל שה-OBO גדל (איור 3). כתוצאה מכך, הקטנת יחס PAPR מסייעת בהפחתה של הגודל (ומכאן גם של העלות) של ההתקנים המשמשים במגבר הספק הת”ר וגם בהפחתת צריכת ההספק של המגבר. ברור שלנושא זה יש חשיבות גבוהה ביותר לתכנון תא סלולרי קטן.
אותות באפנון משרעת מציבים אתגרים בפני המגבר, מפני שההתנהגות הלא ליניארית שלו יוצרת עיוותים בתוך פס השידור, ואלו מגדילים את עוצמת ווקטור השגיאות (EVM) ואת העיוותים שמחוץ לפס השידור (התרחבות ספקטרלית). על מנת לעמוד בדרישות מחמירות והולכות לגבי ליניאריות ונצילות, יש לבצע ליניאריזציה של מגבר ההספק באמצעות עיוות DPD. פעולה כזו מורכבת מבחירת ערכים מקורבים לאופייני המגבר באמצעות מודל התנהגותי, עם רמות התיקון הנדרשות התלויות בדיוק של המודל, וביכולת שלו לחזות את התנהגות המגבר בטמפרטורה, ובשינויים בתדירות הגל הנושא ובהספק ת”ר במוצא. “השפעות זיכרון” מעין אלו הן שינויים במשרעת או במופע (או בשניהם), של רכיבי עיוותים המופיעים בתלות בתדירות האות במבוא, ויש קושי רב ביותר ליצור מודל שלהם באמצעות טכניקות רגילות של אפיון במצב היציב (steady state). ככל שהתרומה של “השפעות הזיכרון” קטנה, כך יהיה ביצוע הליניאריזציה קל יותר.
שיטת DPD הפשוטה ביותר, היא תיקון בחוג פתוח ללא הוספת פיצוי על השפעות הזיכרון והיא מבוססת על ההתנהגות הסטטית של מגבר הספק AM/AM
ו-AM/PM .DPD בחוג סגור כולל תיקון השפעות זיכרון ונדרש לו נתיב גילוי אפנון לדגימת אות המוצא ולהשוואתו עם אות השידור הרצוי. איור 4 מציג הספק של ערוץ סמוך לעומת OBO של הדמיית מגבר הספק Class AB בדרגה הסופית ושל הדמיית מגבר הספק מסוג Doherty בדרגה הסופית.
על מנת להדגים את ההשפעות של CFR ושל DPD, ועל מנת להעריך את תקציב ההספקים במתח ישר של מגבר ההספק בת”ר עבור סוגים שונים של תאים סלולריים קטנים, בוצע ניתוח עם טרנזיסטורי הספק לת”ר בטכנולוגיית GaAs במתח ישר של 5 וולט, ובטכנולוגיית LVDMOS במתח ישר של 28 וולט, בארכיטקטורה של מגבר Class AB, ובארכיטקטורה של מגבר מסוג Doherty. מערך המגבר סיפק הגבר של יותר מ-50dB ואותות עם יחס PAR של 10dB ללא CFR, ויחס PAR של 7dB עם CFR (בהסתברות פונקציית CCDF של 0.01). בתלות בארכיטקטורה של מגבר ההספק ובשיטת עוותי DPD, השוליים של הליניאריות משתנים מ-1 עד 4dB וכוללים הפסדים של 3dB שנגרמים על ידי המבודד והמסננים שבין מוצא המגבר לבין האנטנה.
אפשר להניח מאיור 5 שלמשדרים להספק נמוך (של פחות מ-15dBm) לא יידרשו CFR או DPD, וכאשר ההספק גדל
(מ-15 עד 24dBm), הפחתת CFR מספקת שיפור צנוע (עם מורכבות מערכת גדולה יותר ועם עלויות רבות יותר). עבור רמות הספק גדולות מ-24dBm, עוותי DPD מסייעים לשמור את צריכת ההספק של המשדר בשליטה וברמות הספק גבוהות
מ- +31dBm יש עדיפות לארכיטקטורת Doherty. עם זאת חשוב לזכור שאפשר לשפר את הביצועים על ידי שימוש CFR DPD יחד ועם ארכיטקטורה של מגבר ת”ר שעברה שיפור באופטימיזציה.
יחד עם זאת, נדרשים ניתוחים של צריכת ההספק בפעולה במתח ישר והערכות של העלות הכרוכה בתכונות העיבוד הממומשות על ידי מעגל הממשק הספרתי, על מנת להגיע להגדרה מיטבית של המערכת. התוצאות המופיעות באיור 5 מבוססות על משדר יחיד למרות שבציוד נכללים בדרך כלל לפחות שני מגברי הספק לת”ר, ולעתים אף ארבעה, על מנת לממש תצורת MIMO.
שיטות האפנון ושיטות הגישה האלחוטית, אשר התא הסלולרי הקטן צריך לעבד, להגביר, לשדר ולקלוט אותן משפיעות על הרזולוציה ועל הטווח הדינמי שנדרש מהממירים מאנלוגי לספרתי ומספרתי לאנלוגי. מהירות ההמרה תלויה ברוחב הפס של האות, ובנוכחות או בהיעדר DPD מאחר שאות שבו מבוצע עיוות מראש, צריך לכלול תוצרים של אפנון ביניים עד סדר חמישי. לשימוש ב-DPD יש צורך גם בנתיב חזרה נוסף, כדי לדגום את אות המוצא, ולשלוח אותו אל מעגל הממשק, לצורך התאמה של האות שבו מבצעים עיוות מראש. למורכבות נוספת זו יש עלות, שאותה צריך להצדיק או לקזז, בתלות בשיפורי הביצועים של התא הסלולרי הקטן.

גישה משולבת
כפי שצוין קודם לכן, ארכיטקטורת פס הבסיס של Freescale מבוססת על מנועי עיבוד נתונים מסוג StarCore ועל טכנולוגיית Power Architecture שבה אפשר לבצע שדרוג מתאי פמטו ועד תאי מאקרו. החברה מציעה מעבדים ייעודיים עבור תאים סלולריים קטנים, בסדרת QorIQ Qonverge™ BSC913x. לדוגמה, BSC9131 משלב מעבד בארכיטקטורת Power Architecture, מנוע עיבוד DSP מסוג StarCore, מאיץ לפס הבסיס מסוג MAPLE עם תמיכה בטכנולוגיות
LTE, W-CDMA ו-CDMA 2000, אבטחה של אתחול מאובטח וממשק זיכרון DDR3 ל- 800 מגה הרץ, ובקר זיכרון Flash. ממשק ת”ר כולל בקר אנטנה, שני מאפנני רוחב אות (pulse-width) שמשמשים לבקרה של רכיבים חיצוניים ושלושה ממשקים טוריים לפס הבסיס מסוג
JESD207/MaxPHY. בין הבקרים נכללים שני בקרי Gigabit Ethernet ובקר אחד
ל-, DMA ,GPIO ,UART ,SPI eSDHC ושני בקרים למחשבים אישיים.
הרכיב BSC9131 מיועד ליישומים של עד 16 משתמשים ומשלב ליבת e500 בטכנולוגיית Power Architecture וליבת עיבוד DSP אחת מסוג SC3850. הרכיב BSC9132 מותאם באופטימיזציה לתחנות בסיס של תא פיקו סלולרי, שמשרת עד 100 משתמשים ומשתמש בשתי ליבות e500 של Freescale אשר כוללות את טכנולוגיית Power Architecture ובשתי ליבות עיבוד DSP מסוג SC3850. המעבד לפס הבסיס QorIQ Qonverge B4420 מתוכנן לשימוש בתאי מיקרו סלולריים, והמעבד B4860 מיועד לתאי מאקרו סלולריים. בשיתוף פעולה עם חברת Benetel, יצרה Freescale פלטפורמה בתכנון
(reference design), מבוססת BSC913x (איור 6), אשר יכולה לממש את רוב פסי התדירות החשובים ברחבי העולם, וכן את שיטות הגישה LTE-FDD/TDD
ו-WCDMA (+) ומאפשרת ליצרנים להאיץ את הפיתוח של תאי פמטו סלולריים ביתיים Node B בדור השלישי. מודול ת”ר שבפלטפורמה, מספק הספק מוצא בת”ר של 13dBm ומכסה את תצורות השידור והקליטה בפס הרוחב הנמוך (17 מגה הרץ עד 1 ג’יגה הרץ) ובפס הרוחב הגבוה
(1.5 עד 2.7 ג’יגה הרץ), לרבות תצורת 2×2 של MIMO (איור 7).
למודול ת”ר יש ממשקים טוריים מסוג JESD207 (לפי תקן JEDEC) ו-MaxPHY עבור BSC913x והוא תומך בפעולה בשני רוחבי פס לפי בחירה בתוכנה, אשר מאפשרת לפלטפורמה לתמוך ברוב הקצאות פסי התדרים ברחבי העולם. קיימות שתי כניסות שידור ושתי כניסות קליטה עבור כל פס תדירות, על מנת לתמוך בשידור ובקליטה של 2×2 LTE ו-3GPP W-CDMA (+).
מגברי ההספק הליניאריים בעלי הנצילות הגבוהה MMZ09312B ו-MMZ25332B בטכנולוגיית GaAs HBT ו-GaAs E-pHEMT לרעש נמוך משלימים את נתיב השידור והקליטה. למגברים MML09211H and MML20211H לרעש נמוך אשר על המעגל, יש רגישות גבוהה והם מכסים את פסי התדירות UMTS מ-1 ועד 14. מעגל MMIC מסוג MMZ25332 דוחף את דרגת המגבר הסופית שיש לה הגבר של 25dB והיא עם הספק מוצא של
P1dB 33dBm מ-1.8 ועד 2.7 ג’יגה הרץ, ואפשר גם להשתמש בה כדרגה סופית בתא פיקו סלולרי ולספק בכך גלאי הספק משובץ, לצורך ניטור ואספקת מידע להתרעות. MMZ09312B מכסה טווח של 400 עד 1000 מגה הרץ עם הספק מוצא בדחיסת P1dB בת”ר של 29.6dBm, הגבר של 31.7 dB ונקודת OIP3 ב- 42dBm (הכל ב-900 מגה הרץ). לשני ההתקנים יש בקרת ממתח פעילה שניתנת לכוונון חיצוני וגילוי הספק ת”ר לצורך ניטור והתרעות, והם פועלים מאספקת מתח ישר יחיד של 3 עד 5 וולט.
סיכום
על אף שהם מבצעים פונקציות דומות, תחנות בסיס סלולריות קטנות נבדלות מתאי מאקרו סלולריים בדרכים שמעמידות דרישות משמעותיות בפני איש התכנון. עם זאת, היכולת להתחיל מתכנון לדוגמה שנותן מענה לכל מרכיב במערכת, ממעגל פס הבסיס דרך מעגל ת”ר ומעגלי השידור והקליטה בגלי מיקרו, והיכולת להוסיף לאחר מכן תכונות מבדלות, מקצרות את הזמן, מפחיתות את העלויות ומקטינות את התסכול הכרוך ביצירה של מוצר מורכב כזה, במארז כה קטן. אפשר להשיג משאבים נוספים הקשורים לתאים סלולריים קטנים אצל Freescale.

אפשר לקבל מידע נוסף הקשור לתאים סלולריים באתר Freescale