Introdução ao hardware do sistema transceptor de ondas milimétricas da NI

Visão geral

A tecnologia sem fio está em toda parte. A cada dia, chegam novos dispositivos sem fio no mercado, acessando as redes sem fio existentes e consumindo uma quantidade cada vez maior de dados. O número de novos dispositivos sem fio aumenta sem parar, e o consumo de dados cresce em taxas exponenciais. Para atender a essa demanda, novas tecnologias sem fio estão sendo pesquisadas, visando o aprimoramento da atual infraestrutura de comunicações sem fio. Dessa forma, os órgãos de padronização de sistemas sem fio de todo o mundo deram início à árdua tarefa de definir os sistemas sem fio de próxima geração, conhecidos como 5G. O plano de desenvolvimento para o 5G apresenta três casos de uso específicos: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Massive Machine Type Communication (mMTC) e Ultra Reliable Machine Type Communication (uRMTC).

Esses casos de uso podem ser relacionados a diferentes requisitos, como a ênfase na taxa de dados de pico no caso do eMBB, ou latência, para o uRMTC. Como uma única tecnologia não seria capaz de atender a todos os requisitos, o 5G será uma combinação de novas tecnologias. Especificamente no caso do eMBB, os pesquisadores precisam aumentar as taxas de dados de pico em 100 vezes com relação ao 4G, com um espectro "disponível" bastante limitado abaixo de 6 GHz. As taxas de dados estão empiricamente relacionadas à disponibilidade de espectro, em conformidade com o teorema de Shannon-Hartley, que declara que a capacidade é função da largura de banda (ou seja, do espectro) e ruído no canal. Como o espectro abaixo de 6 GHz está quase totalmente alocado, os pesquisadores precisarão explorar o espectro acima de 6 GHz e na faixa de ondas milimétricas para atender ao caso de uso do eMBB.

Conteúdo

Por que é necessário utilizar rádios definidos por software (SDRs) na faixa de ondas milimétricas?

Para atender seus clientes, operadoras de serviço em todo o mundo pagam bilhões de dólares pelo uso do espectro.  Os exorbitantes preços alcançados nos leilões de espectro abaixo de 6 GHz mostram não apenas a intensidade das forças competitivas do mercado, mas também a escassez desse precioso recurso.  Como mencionado acima, na descrição do teorema de Shannon, os aumentos nas taxas de dados e capacidade são limitadas pelo espectro disponível. Um espectro mais amplo permite o uso de maiores taxas de dados, o que permite às operadoras de serviço aumentar o número de usuários sem deixar de proporcionar uma experiência consistente de dados móveis em banda larga.  Por outro lado, o espectro de ondas milimétricas está amplamente disponível e pouco licenciado, o que significa que está acessível às operadoras de serviço de todo o mundo.  Os desafios para a adoção das ondas milimétricas residem basicamente em questões técnicas ainda sem respostas sobre esse espectro inexplorado e muito pouco pesquisado.

Para aproveitar as vantagens prometidas pelas ondas milimétricas para o 5G, os pesquisadores precisam desenvolver novas tecnologias, algoritmos e protocolos de comunicação, pois as propriedades fundamentais do canal de ondas milimétricas são diferentes dos modelos atuais de telefonia celular, e relativamente desconhecidas.  Dessa forma, é essencial poder criar protótipos em ondas milimétricas, especialmente nesta fase inicial.  Criar protótipos de sistemas em ondas milimétricas demonstra a viabilidade técnica e comercial de uma tecnologia ou conceito, o que as simulações sozinhas não conseguem.  Os protótipos em ondas milimétricas que se comunicam em tempo real via rádio em diversos cenários irão desvendar os segredos do canal de ondas milimétricas e permitir a adoção e disseminação da tecnologia.

Figura 1: Três casos de uso de alto nível do 5G, como definidos pela 3GPP e IMT 2020

Para atender a esses engenheiros e pesquisadores, a NI lançou o primeiro sistema que permite a prototipagem rápida de sistemas de ondas milimétricas em tempo real.  Combinando hardware modular flexível e um poderoso software de aplicação, o sistema transceptor de ondas milimétricas da NI é um SDR voltado a aplicações de ondas milimétricas.  Como o transceptor de ondas milimétricas é um SDR completo, os pesquisadores podem implementar os seus projetos rapidamente, encontrando na plataforma todos os recursos necessários, em uma configuração modular de hardware e software. Dessa forma, eles podem fazer iterações rapidamente para otimizar os seus projetos.

Prototipagem de sistemas de comunicações em ondas milimétricas

Há numerosos desafios na criação de um protótipo completo de comunicações em ondas milimétricas.  Considere um subsistema de banda base capaz de processar um canal de vários GHz.  A maior parte das implementações de LTE hoje em dia tipicamente utiliza canais de 10 MHz (chegando a um máximo de 20 MHz), e quanto maior a largura de banda, maior será a capacidade computacional exigida.  Em outras palavras, a capacidade computacional atual deve ser aumentada em um fator de 100 ou mais para atender aos requisitos de taxa de dados do 5G.  Os algoritmos utilizados nos atuais decodificadores turbo para LTE exigem muita capacidade computacional e exigem hardware de computação de alto desempenho, para processar dados em tempo real.  Os FPGAs oferecem uma solução de hardware ideal para essa computação; além disso, para a decodificação turbo em largura de banda ultra-alta, os FPGAs são indispensáveis.

Os FPGAs devem ser considerados um componente fundamental de um sistema de prototipagem em ondas milimétricas, mas programar um sistema com vários FPGAs capaz de processar canais de vários GHz impõe uma maior complexidade ao sistema.  Para lidar com a complexidade do sistema e desafio do software, a NI incluiu uma camada física para ondas milimétricas no código fonte que cuida dos aspectos fundamentais da banda base do sistema de ondas milimétricas e também oferece abstrações para a movimentação e processamento de dados por vários FPGAs, para simplificar a tarefa.  


Mas os FPGAs são apenas uma das partes de um sistema de prototipagem em ondas milimétricas.  É necessário que os dados possam transitar entre o domínio digital, onde são processados, e o domínio analógico, onde os sinais são enviados e recebidos via rádio.  Melhorias nas tecnologias dos conversores analógico-digital e digital-analógico tornam possível capturar dados entre 1-2 GHz.  O mercado já tem disponíveis alguns CIs para a frequência de ondas milimétricas.  Esses CIs podem ser conectados aos conversores analógico-digital e digital-analógico do sistema transceptor para serem avaliados e fazer o trabalho de prototipagem.  Entretanto, os RFICs não oferecem saída de alta potência ou a qualidade de RF necessária para a prototipagem das comunicações e sondagem de canais.   Para integrar uma potência mais alta e uma melhor qualidade de RF, é utilizado um estágio de FI para converter sinais a até 12 GHz.  Para finalizar, cabeçotes de rádio em ondas milimétricas são conectados a essa placa de FI.  Caso o sistema fosse prototipado a partir do zero, o desenvolvimento das várias partes do sistema de prototipagem exigiria diferentes especialidades técnicas de projeto, além de recursos de engenharia significativos.  O projeto de hardware de cada parte do sistema não é algo trivial; além disso, o software necessário para controlar e sincronizar todos os estágios aumenta a complexidade dos projetos de sistemas customizados.  O sistema transceptor de ondas milimétricas oferece uma solução completa de prototipagem para ajudar os engenheiros a ir do conceito ao projeto de algoritmos e à prototipagem em muito menos tempo.


A NI oferece quatro configurações prontas para o uso de sistemas de prototipagem em ondas milimétricas, discutidas em mais detalhes a seguir.  Baseados na plataforma PXIe, os sistemas de transceptor de ondas milimétricas são formados por um subsistema de processamento de banda base de 2 GHz, um estágio de frequência intermediária (FI) com filtragem de largura de banda de 2 GHz e placa de LO. Os cabeçotes modulares de rádio de ondas milimétricas ficam fora do chassi. Um diagrama do sistema pode ser visto abaixo, na Figura 2.

Figura 2: Diagrama do sistema de ondas milimétricas

Essa abordagem modular cria uma plataforma de hardware flexível, que pode ser reconfigurada pela inclusão ou remoção de placas para acomodar uma ampla variedade de canais e configurações.  Os usuários podem escolher usar a solução da NI para ondas milimétricas completa ou integrar seu próprio sistema de RF no sistema de FI e banda base da NI.  O usuário também pode usar esse sistema para criar protótipos que trabalham em diferentes bandas, utilizando o mesmo hardware e software de FI e banda base.  O sistema pode ser configurado de diversas formas, desde um sistema SISO unidirecional, para aplicações como sondagem de canais, até um sistema MIMO bidirecional, com transmissão e recepção em paralelo para um enlace de comunicações bidirecional completo de 2 canais.  Os diversos componentes e configurações do sistema serão discutidos em mais detalhes a seguir.  O software específico da aplicação não será discutido aqui.

 

O hardware do sistema transceptor para ondas milimétricas

O sistema transceptor de ondas milimétricas é uma plataforma de SDR voltada a aplicações como a prototipagem de sistemas. Esse produto oferece aos usuários uma plataforma de hardware flexível e um software de aplicação para pesquisas de comunicações em ondas milimétricas em tempo real.  O software é aberto para o usuário e pode ser modificado conforme necessário para a pesquisa; dessa forma, o projeto pode passar por iterações e otimizações para atender a metas ou objetivos específicos.

O sistema transceptor da NI para ondas milimétricas é formado por um chassi PXIe, controladores, uma placa de distribuição de clock, placas FPGA FlexRIO, DACs de alta velocidade, ADCs de alta velocidade, placas de LO e FI e cabeçotes de rádio. Essas placas podem ser montadas em diversas configurações para diversas aplicações de ondas milimétricas, que podem ir da sondagem de canais à prototipagem de enlaces de comunicação MIMO.  Esse documento oferece uma visão geral detalhada do hardware utilizado no sistema transceptor e de como as placas interagem entre si.  Especificações detalhadas de desempenho do sistema podem ser encontradas no data sheet do sistema transceptor. 


Chassi PXI Express

O sistema de prototipagem de ondas milimétricas é baseado no chassi PXIe-1085.  O chassi aloja as placas de processamento e fornece a infraestrutura de alimentação elétrica, interconectividade, temporização e sincronização. Esse chassi de 18 slots possui as tecnologias de PCI Express (PCIe) Generation 3 em cada um de seus slots, para aplicações de alta capacidade e baixa latência. O chassi tem capacidade de largura de banda de 4 GB/s por slot e 24 GB/s de largura de banda total do sistema.  O PXIe-1085 utiliza uma arquitetura de backplane com comutação dual, mostrada no diagrama de sistema da Figura 3.  A flexibilidade do projeto do PXI permite que vários chassis possam ser conectados nas configurações daisy-chain ou estrela, para a composição de sistemas com grandes quantidades de canais.

Figura 3: Chassi PXIe-1085 de 18 slots (a) e diagrama do sistema (b)

Placa de processamento com FPGA reconfigurável de alto desempenho

O software e os elementos computacionais que compõem a camada física são partes fundamentais de qualquer SDR.  O sistema de prototipagem de ondas milimétricas utiliza placas FPGA de 1 slot para adicionar de maneira flexível um processamento de alto desempenho programável pelo LabVIEW no formato PXIe. A placa FPGA FlexRIO modelo PXIe-7976R pode ser usada de maneira autônoma para oferecer um Xilinx Kintex-7 470T customizável de grande capacidade com conectividade PCI Express Generation 2x8 ao backplane PXI Express. O sistema transceptor de ondas milimétricas mapeia por software as diferentes tarefas de processamento a diversos FPGAs para a configuração especificada.


Figura 4: Placa FlexRIO PXIe-7976 (a) e diagrama do sistema (b)

FPGA de alto desempenho para aplicações de alta capacidade de dados

O NI PXIe-7902 é uma poderosa placa de processamento, dotada de um FPGA Xilinx Virtex 7 485T.  Esse FPGA de alta capacidade torna a placa ideal para o processamento de aplicações pesadas, como a camada física para ondas milimétricas.  A placa pode transferir dados no backplane de um chassi PXIe a velocidades do PCIe Gen 2x8.  Para aplicações que precisam trabalhar com taxas de dados mais altas, o NI PXIe-7902 também possui 6 conectores no painel frontal do tipo miniSAS HD, compostos por 24 transceptores multigigabit (MGTs).  Esses MGTs podem ser conectados a outras placas NI PXIe-7902 ou a outras placas, como DAC ou ADC, para possibilitar a utilização de larguras de banda em tempo real de até 2 GHz ou sinais de banda base para múltiplos canais.

Figura 5: Placa FlexRIO NI PXIe-7902R (a) e diagrama do sistema (b)

DAC e ADC em banda ultralarga

A placa DAC NI PXIe-3610 é mostrada a seguir, na Figura 6, e a placa ADC NI PXIe-3630 é mostrada na Figura 7.  Esses dispositivos oferecem acesso a pares de I/Q diferencial em banda base analógica através de 4 conectores MCX no painel frontal.  Esses módulos podem ser conectados juntos para a criação de um sistema de teste de banda base em loopback, conectado ao módulo de FI PXIe-3620, ou a hardware de banda base de outros fornecedores.  Informações básicas de desempenho são mostradas abaixo, no Quadro 1.  Informações detalhadas de desempenho podem ser encontradas no data sheet do sistema transceptor de ondas milimétricas.

Quadro 1: Especificações básicas de desempenho das placas NI PXIe-3610 e NI PXIe-3630

Figura 6: Placa conversor digital-analógico e diagrama de blocos

Figura 7: Placa ADC e  diagrama de blocos

 

Placa de FI de 12 GHz

A placa de LO/FI NI PXIe3620 pode processar uma linha de transmissão e outra de recepção com largura de banda de até 2 GHz cada. O NI PXIe-3620 combina os sinais de entrada com o LO integrado para converter o sinal de banda base a uma frequência de FI programável por software entre 10,5 - 12 GHz.  Na recepção, o NI PXIe-3620 recebe a FI de entrada de 10,5 a 12 GHz e a converte para a banda base.  Essa placa contém controle interno de ganho, pode transmitir a até 7 dBm e receber um sinal de até 20 dBm.  O PXIe-3620 também fornece o sinal de referência de LO para os cabeçotes de ondas milimétricas modelos NI 3647 e NI 3657.  A placa LO/IF pode opcionalmente aceitar um sinal de LO externo ou levar o sinal de LO a outras placas de FI, para sincronizar vários canais de transmissão/recepção em uma topologia MIMO.  Os pares de I/Q diferenciais podem ser acessados através de conexões MXC no painel frontal do dispositivo.

Figura 8: Placa de FI modelo PXIe-3620

Cabeçotes de ondas milimétricas

Os cabeçotes modulares de transmissão e recepção de rádio modelos NI 3647 e NI 3657 fornecem um sinal de RF de alta qualidade para o sistema transceptor de ondas milimétricas da NI.  O cabeçote para ondas milimétricas modelo NI 3647 cobre a faixa de 71-76 GHz com até 25 dBm de potência de saída* e largura de banda de RF de 2 GHz.  Esse cabeçote é combinado com o receptor de ondas milimétricas de 71-76 GHz modelo NI 3657.  Os dois cabeçotes têm uma porta de guia de onda WR-12 na parte da frente do dispositivo, que pode ser conectada a uma antena do usuário, como uma antena corneta ou antena do tipo phased-array.  O cabeçote de transmissão de rádio modelo NI 3647 atua como multiplicador de frequência, para realizar a operação de upconversion.  Ambos os cabeçotes de rádio contém atenuadores e amplificadores, para maximizar o controle de ganho e a figura de ruído.  Especificações de RF totalmente detalhadas do sistema transceptor de ondas milimétricas podem ser encontradas no data sheet do produto.

Figura 9: Cabeçote de rádio de 71-76 GHz para ondas milimétricas

*Potência de saída de 25 dBm não disponível em todas as regiões.  A versão com potência de saída de 20 dBm está disponível em todo o mundo.

Opções de configuração do sistema

O sistema da NI de transceptor para ondas milimétricas foi desenvolvido para ser uma plataforma de hardware flexível, capaz de atender uma ampla variedade de necessidades de comunicação.  Embora seja possível criar vários tipos de sistemas, dependendo do hardware incluído, há 4 configurações base oferecidas para os casos de uso mais comuns:

 

  • SISO unidirecional
  • MIMO 2x2 unidirecional
  • SISO bidirecional
  • MIMO 2x2 bidirecional

 

Sistemas unidirecionais

As duas opções unidirecionais são compostas de 2 chassis PXIe, com o(s) transmissor(es) em um chassi e o(s) receptor(es) no outro.  Essa configuração  é indicada para as medições de sondagem de canal.  Com essa configuração, é possível separar fisicamente os subsistemas de transmissão e recepção para medições de sondagem de canais em uma ampla variedade de ambientes.  Devido à natureza modular desse sistema baseado no padrão PXIe, é possível incluir facilmente dispositivos de hardware para diferentes necessidades da pesquisa, como a inclusão de mais canais para aumentar a exatidão das medições de ângulo de chegada.  Como alternativa à inclusão de canais extras de recepção, para uma implementação de recepção em paralelo ou transmissão e recepção em paralelo, é possível incluir um comutador externo no sistema SISO.  Essa flexibilidade permite que os pesquisadores escolham a configuração de hardware que melhor atenda às suas necessidades de configuração e velocidade de medição.  Como o sistema transceptor de ondas milimétricas foi criado para arquiteturas MIMO, é fácil utilizar o mesmo LO para todos os canais, garantindo a coerência de fase.  Um diagrama da versão SISO e MIMO 2x2 desse sistema pode ser visto a seguir, nas Figuras 10 e 11.

Figura 10: Configuração SISO unidirecional

Figura 11: Configuração MIMO unidirecional

 

Sistemas bidirecionais

As configurações de sistema bidirecional são formadas por 2 chassis PXIe, com um transmissor e um receptor para cada canal no chassi.  Esses sistemas foram projetados para a prototipagem em comunicações, oferecendo aos pesquisadores o hardware necessário para a criação de enlaces de comunicações bidirecionais de tempo real.  Há muito ainda a se descobrir na pesquisa de comunicações em ondas milimétricas.  Determinar como os sinais irão se comportar em um canal de ondas milimétricas, por exemplo, é uma questão importante.  Ter um modelo de canal bem definido ajudará os desenvolvedores de algoritmos, mas no final, será necessário prototipar os enlaces de comunicações em tempo real para validar o desempenho destes nos novos espectros de frequência.  Seja tentando validar uma nova camada física e interface via rádio ou descobrir como a camada física atual do LTE pode ser adaptada para larguras de banda ultra-amplas, como 2 GHz, o sistema transceptor da NI para ondas milimétricas pode ser usado para prototipar o desempenho em tempo real.  Combinando o sistema de ondas milimétricas da NI com o LabVIEW e processamento adicional por FPGA, é possível realizar modulação, demodulação, codificação e decodificação turbo em tempo real em uma largura de banda de até 2 GHz. Esses sistemas foram criados para serem usados pelos pesquisadores como uma plataforma de desenvolvimento e teste de protocolos de comunicação.  Diferentemente das comunicações abaixo de 6 GHz, os sinais de ondas milimétricas são altamente direcionais. Dessa forma, o protocolo precisa garantir que dois ou mais modos terão condições de se localizarem uns aos outros.  Os nós precisam ser capazes de trocar informações de controle e medição, como parte de um direcionamento de feixe (beam steering) ou protocolo de acesso aleatório, por exemplo.  As Figuras 11 e 12 mostram diagramas dessas configurações de sistema bidirecionais.

Figura 12: Configuração SISO bidirecional

 

Figura 13: Configuração MIMO bidirecional

Resumo

O sistema transceptor da NI para ondas milimétricas é um conjunto modular de hardware que pode ser usado em diversas aplicações, da sondagem de canais à prototipagem de sistemas de comunicações bidirecionais de tempo real.  Esse sistema, baseado na plataforma PXI, oferece uma ampla variedade de placas que podem ser combinadas em várias configurações diferentes para atender às mais diversas necessidades de pesquisa.  Os próprios cabeçotes de rádio em ondas milimétricas também são modulares. Eles podem ser substituídos por outros dispositivos de entrada de sinais de RF para pesquisas em diferentes frequências, utilizando o mesmo conjunto base de hardware e software para reduzir o tempo de projeto de engenharia e proporcionar o máximo reaproveitamento do sistema.  Esse hardware, em conjunto com os recursos do LabVIEW, oferece uma excelente plataforma para a prototipagem de comunicações em ondas milimétricas e ajuda os engenheiros a inovar com maior rapidez.