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8-2016

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

LTE LTE-A Release-12

LTE LTE-A Release-12 formt neue eNodeB-Senderarchitektur: Teil 2: Die analoge Integrations-Herausforderung Teil 1 dieses Applikationsberichtes erschien in der HF-Praxis Ausgabe 7-2016 Das „3. Generations-Partnerschafts-Projekt“ (3GPP) arbeitet am Release 12 (Rel-12) des LTE- Advanced-Standards. 3 GPP Rel- 12 bringt viele Verbesserungen der 4G-Funk-Zugriffstechnologie, einschließlich Breitband- Trägeraggregation, mehrschichtiges räumliches Multiplexing und hoch entwickelte Antennenkonfigurationen. Die Verbesserungen der Rel-12 sind eine Herausforderung an die Entwickler, mehr HF-Senderkanäle zu integrieren, was kleinere Hochleistungs-eNodeB- Basisstationen mit geringerem Energieverbrauch ermöglichen würde. Fortschritte bei der HF- Analog-Integration und neue Funkgeräte-Architekturen können Ingenieuren dabei helfen, die Notwendigkeit zu weitergehender Integration erfolgreich zu bewältigen Dieser Anwendungsbericht befasst sich mit den neuesten Entwicklungen im 4GE-LTE- Zellularstandard und den Auswirkungen der Release 12 auf eNodeB-Hochfrequenz-Sender und zeigt, wie sich mit analoger Integration die Design-Herausforderungen lösen lassen, die sich aus den jüngsten 4G-Entwicklungen ergeben. Merkmale von Release 12, wie z.B. Breitband-Downlink-Träger-Aggregation, räumliches (MIMO) Downlink-Multiplexen und Aktive Antennen-Systeme (AAS) mit eingebetteter HF sind Bild 1: Die Zeitachse der LTE-Freigaben zeigt die evolutionären Fortschritte in der Funk- Zugriffstechnologie erhebliche Design-Herausforderungen für die eNodeB-Geräte der nächsten Generation. Vorgestellt wird u.a. eine Lösung zur direkten Bit-zu-HF-Umsetzung, die Ingenieuren die Konzeption alternativer Sender-Architekturen ermöglicht. Die neue HF- Digital/Analog-Wandler(RF- DAC)-Technologie ebnet damit den Weg zu einer innovativen Ein-Chip-Breitband-Senderlösung. Dieser Beitrag erläutert Anwendungen des RF-DAC auf Systemebene und macht die Integrationsvorteile deutlich, die er für das Design von eNodeB- Geräten bietet. Einige Hintergrundinformationen zu LTE und LTE-A Rel-12 LTE wird als die am schnellsten wachsende mobile Breitbandtechnologie angesehen, die auf dem Weg zum weltweit meistverwendeten zellularen Standard ist. Die Popularität von LTE ergibt sich aus der großen spektralen Effizienz, den hohen Spitzen-Datenraten, dem mit niedriger Latenzzeit arbeitenden, IP-basierten Netzwerk und der evolutionären Roadmap. Dabei ist LTE aber noch kein „echter“ 4G-Service, sondern gilt technisch noch als 3.9 G. Der „wahre 4G“-Funk-Kommunikationsstandard, bekannt als „International Mobile, Telecommunications-Advanced (IMT-Advanced), muss die Bedingungen erfüllen, die durch den „International Telecommunications Union Radio Sector“ (ITU-R) festgelegt wurden. IMT- Advanced definiert 4G als einen Service, der Spitzen-Datenraten Damian Anzaldo Principal Member of Technical Staff Field Applications Application Note 606 Maxim Integrated Products www.maximintegrated.com Bild 2: Merkmale und Nutzen von Release-12-Arbeitsbereichen 48 hf-praxis 8/2016

LTE Bild 3: Dieses Block-Diagramm zeigt die HF-Senderarchitektur, die sich von einer herkömmlichen, komplexen ZF-Struktur (oben) zu einer Ein-Chip-RF-DAC-Lösung entwickelt hat (MAX5868, unten) von 100 Mbps für User mit hoher Mobilität und Höchst-Datenraten von 1 Gbps für Kunden mit niedriger Mobilität vorsieht. Um mit der IMT-Advanced-Vision übereinzustimmen, hat 3GPP viele Verbesserungen eingeführt, seit der Anfangs-Standard LTE Rel-8 im Jahre 2008 veröffentlicht wurde. Mit Rel-10 führte das 3GPP „LTE-Advanced“ als „echten 4G“-Service ein, um die IMT- Advanced-Anforderungen zu erfüllen oder zu übertreffen. Bild 1 veranschaulicht die LTE- Entwicklungszeitachse, aus der man ersehen kann, dass die theoretischen Spitzen-Downlink- (DL) und Uplink-Datenraten (UL) um über 10x und 20x angestiegen sind, also von DL= 300 Mbps/UL=75 Mbps in Rel-8 auf DL=3 Gbps/UL= 1,5 Gbps in Rel-10. Die bisherige außerordentliche Zunahme der Höchstdatenraten ist zum Teil auf die Breitband-Carrier-Aggregation zurückzuführen, unterstützt durch räumliches Multilayer-Multiplexing, das in Rel-10 eingeführt wurde und jetzt ein wichtiger Teil der Verbesserungen in Rel-12 ist. Die Erweiterungen der Rel-12 haben einen deutlichen Einfluss darauf, wie moderne NodeB- Radios (eNodeB) konzipiert sind. Einige der wichtigen Bereiche der Rel-12 schließen neue Kombinationen der Träger- Aggregation, Verbesserungen des räumlichen Multiplexens mit Downlink-MIMO und HF- Anforderungen aktiver Antennen-Systeme (AAS) ein. Bild 2 fasst einige Bereiche der Rel-12 mit jeweiligen Merkmalen und Nutzen zusammen. Die Verbesserungen in Rel-12 bringen Bild 4: Optionen für die HF-Senderarchitektur dem LTE-Ökosystem viele Vorteile, zusätzlich aber auch neue Herausforderungen im Hinblick auf ein neues Radio-Design und neue Architektur. Die Herausforderung zur HF-Sender- Integration in Makro- Basisstationen In 4G-Makrozellen-Basisstationen kann die Verwendung von Downlink-MIMO mit räumlichem Multilayer-Multiplexing oder die Entwicklung von Aktiven Antennen-Systemen mit eingebetteter HF die Sender- Kanaldichte bis zu einem Faktor von acht oder sechzehn erhöhen, im Vergleich zu 2G/3G-Basisstationen. Durch die Verwendung mehrspaltiger 3D-Antennengruppen kann sich die Anzahl der Funkkanäle in naher Zukunft möglicherweise bis auf 32 oder mehr pro Sektor erhöhen. Der Trend zur Erhöhung der eNodeB- Kanal-Dichte ist für frequenzagile Breitbandsender erforderlich. Eine allgemein einsetzbare Hardware-eNodeB-Plattform muss den LTE-Bandbereich von 450 MHz bis zu 2,2 GHz mit einer Roadmap für Band-7/ Band-41-Abdeckung und bis zu 100 MHz Carrier-Aggregations- Bandbreite unterstützen. Offensichtlich ist die Verwendung einer neuen Technologie erforderlich, um die Integration von mehrkanaligen, leistungsstarken Sendern in platzbeschränkten, kosten-sensiblen Anwendungen wie Remote-Radio-Einheiten, integrierten Antennen-Systemen und herkömmlichen Basis-Transceiver-Stationen zu erleichtern. Die HF-DAC-Sender- Lösung Direkte Bit-zu-HF-Konvertierung mit einem Hochgeschwindigkeits-HF-DAC ist der für eNode-Sender zur Lösung der meisten Design-Probleme erforderliche Technologiesprung. Der RF-DAC verwendet direkte digitale Synthese, so dass sich die Aufgaben und Funktionen des Quadratur-Modulators, des agilen Lokal-Oszillators und der analogen Filter in die digitale Domain verschieben lassen (Bild 3). Dies nützt die Tatsache aus, dass sich bei digitalen Prozessen - besser als bei analogen – Forderungen nach geringerer Leistungsaufnahme, höherer Geschwindigkeit, kleinerer Die- Fläche und niedrigeren Kosten erfüllen lassen. Die HF-DAC-Technologie schlägt die Brücke vom digitalen zum analogen Bereich in einem System. Ein HF-DAC wird allgemein als Mixed- Signal-Bauelement bezeichnet, das in mehrfachen Nyquist- Zonen mit Umwandlungsraten von über 1.5 Gsps arbeitet, um direkte Bit-zu-RF-Signal-Synthese durchzuführen. hf-praxis 8/2016 49

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