5G入門とMPS製品が基地局のAAUとBBUを最適化する方法

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5Gワイヤレス機器は、固定アンテナを使用してセルラー基地局 (ノードとも呼ばれます) との間で送受信される電波を介して通信します。これらの機器は、ノードによって割り当てられた特定の周波数を介して通信します。たとえば、携帯電話を持って旅行する場合、携帯電話はノード間で通信をシームレスに転送し、常にデータに接続された状態を維持します。サービスが縮小されたり、完全に失われたりした場合は、ノードの半径内には存在しなくなり、近くに稼働中のノードは存在しません。

5Gは最新の規格であるため、以前の世代よりも大幅に高速で効率的です。さらに、3つの周波数幅 (低帯域、中帯域、高帯域) にわたって動作できるため、消費者に幅広いカバレッジと速度を提供できます。

表1は、5つの世代の携帯電話ネットワークテクノロジーの主な違いを示しています。

表1: 携帯電話ネットワークの世代

5Gネットワークアーキテクチャ

基地局は5Gの動作で非常に重要な構成要素です。基地局は、アクティブアンテナユニット (AAU) とベースバンドユニット (BBU) という 2つの主要部品で構成されています (図1参照)。

AAUは、ワイヤレス機器と基地局間の通信を容易にする無線信号を受信および送信します。AAUには、無線周波数を受信するアンテナと、ワイヤレス機器を無線ネットワークに接続するリモート無線ユニット (RRU) が含まれます。

BBUはRRUに接続され、データトラフィックとデータ処理を制御します。BBUは集中ユニット (CU) と分散ユニット (DU) に分かれています。CUはリソース管理などの高レベル機能をサポートし、DUは信号処理や変調などの機能を処理します。

図1: 基地局アーキテクチャ

携帯電話について考えてみましょう。会話のために友人とビデオ通話しようとすると、携帯電話はセル内の最も近い基地局に信号を送信します。基地局はAAU内のアンテナを介してその信号を受信します。この信号はAAUによって処理され、衛星に送信されます。衛星は最も近いベースステーションから信号を受信し、次に、スマートウォッチなどの友人のデバイスに最も近い基地局に新しい信号を送信します。友人の機器が信号を受信すると、通話を受けることができ、通信を開始できます。

5Gのメリット

4Gと比較すると、5Gの明らかな利点は、ダウンロード速度とアップロード速度が速いことで、ユーザーはほぼ瞬時にお互い通信できるようになります。ダウンロード速度とアップロード速度が速くなると、オンラインでの接続やインターネット上でのディスカッションへの参加、テキストメッセージの送信、写真の送信が容易になります。

さらに、5Gは遅延が少ないため、デバイス間でデータが移動する時間が短縮されます。つまり、友人にビデオ通話をするときに、ビデオが遅れることがなくなり、相手がリアルタイムで応答するのを常に見ることができます。強化されたモバイルブロードバンドにより、高解像度でビデオを視聴したり、仮想現実を体験したりすることもできます。

さらに、5Gは同時接続に対応できるため、人口密集地域に適しています。これは、スマートホームがテレビドアホン、電子スマートロック、スマホで制御できるスマートサーモスタットなど、IoTが増え続けるにつれて不可欠になります。

5Gは消費者にとって有益であるだけでなく、特定の市場にとっても非常に価値があります。5GによりAIと機械学習の開発が可能になり、ChatGPTなどのチャットボットが質問をすばやく整理して一貫した回答を提供できるほどの速度になります。5Gは遠隔治療を可能にし、事故に遭った人と救助隊を派遣する必要があるオペレータの間の信頼性の高い通信ネットワークとして機能するため、医療分野にとってのメリットになります。

5Gは今後も産業を拡大し、より高速で信頼性が高く、高品質な新しいテクノロジーを提供していくと予想されています。

5Gの課題とは?

5Gの最大の問題の1つは、エネルギー消費の非効率性です。5Gのインフラストラクチャには、セルと基地局の高密度ネットワークが必要ですが、建設チーム間の調整や規制のために費用がかかり、開発に長い時間が必要になる可能性があります。5Gは以前の世代よりもエネルギー効率が高くなるように設計されているものの、追加の基地局をもつはるかに複雑なアーキテクチャが必要です。これにより、全体的なエネルギー消費量が増加し、費用がかかり、最終的には解決するよりも多くの環境問題を引き起こす可能性があります。

5Gシステムは、非常に高速なデータ伝送規格を満たすために高い電力を必要とするため、環境への配慮と速度の間でトレードオフが生じます。5Gが環境に害を及ぼさないようにするには、変電所で使用されるハードウェアを革新する必要があります。5Gの優れた伝送速度を活用するには、小型で効率が高く、熱を放散したり電源シーケンスを最適化したりできる新世代のテクノロジーが必要です。

5Gは建物や木などの障害物を越えて伝送することも困難です。高周波帯域のカバー範囲は限られているため、重大な干渉が発生するとデータ速度が低下します。また、5Gの導入は費用対効果が高くなく、環境にも優しくないため、5Gは地方には適していません。5Gが人口密度の低い地域に到達する可能性が低いだけでなく、一部の消費者は5Gに対応したデバイスを購入できない可能性もあります。アクセス性が低下すると、すべての機器で5Gを使用することが難しくなります。

最後に、5Gは非常に多くの機器を接続できるため、セキュリティ上の懸念が生じます。たとえば、携帯電話がテレビドアホンに接続され、テレビドアホンがスマートロックに接続され、スマートロックがセキュリティシステムに接続されている場合、相互運用性と接続性により、サイバー攻撃がこれらの機器のいずれかを介して侵入し、すべてのデバイスにアクセスできるようになる可能性があります。

5G向け電源ソリューション (AAU)

AAUは、すべての信号が受信され、処理、送信されることを保証する一連の電源デバイスで構成されています。レシーバとトランスミッタには、高い出力電流 (I_OUT) と最適化された出力電圧 (V_OUT) を生成できる強力で効率的なICが不可欠です。

MPQ8645は同期整流ステップダウンコンバータで、レシーバとトランスミッタが、AAUの大部分に電力を供給する中間バスコンバータ (IBC) から危険な高電圧を受けないようにします。MPQ8645は機能集積されており、特定のアプリケーション要件を満たす調整可能なV_OUTを持っています。スイッチング周波数 (f_SW) は、入力電圧 (V_IN) またはV_OUTに関係なく約800kHzに維持されるため、条件のダイナミックレンジにわたって高い効率を実現します。

MPQ8645は小型のTLGA-37 (5mm x 6mm) パッケージで提供されているだけでなく、このコンバータは使い方も簡単で、システム内で動作するために複雑な構成を必要としません。最小限の外部部品で簡単に制御および調整できるため、小型化がメリットとなるアプリケーション向けの完全なソリューションを実現できます。

さらに、MPQ8645は車載グレードのコンバータであるため、過酷な環境でも効果的に動作し、気象条件が予測できない地域の基地局にも役立ちます。

レシーバとトランスミッタをさらに保護するために、このICは過電圧保護 (OVP)、過電流保護 (OCP)、および過熱保護 (OTP) を備えており、AAUが最適でない条件や危険な条件で動作しないように保護します。

図2は、AAUで MPQ8645が最も効果的に使用される場所を示しています。

図2: AAU内のMPQ8645

5G向け電源ソリューション 5G (BBU)

BBUの場合、DUは変調や復調などの基本的なベースバンド処理機能を実装できるフィールドプログラマブルゲートアレイ (FPGA) を使用します。FPGAは5Gネットワークのアルゴリズムの処理に優れています。高速データ処理の場合、DUは特定の目的のために設計された回路である特定用途向け集積回路 (ASIC) の恩恵を受けることができます。

MP87190は、Quiet Switcher™テクノロジー (QST™) を搭載した内蔵ドライバおよびMOSFET (DrMOS) ソリューションです。QST™は、モノリシックアーキテクチャ内で独自の回路設計を使用して、電圧リンギングを抑制します。また、EMI放出を低減し、PCBレイアウトに対する影響も低下するため、システムの信頼性が向上します。

MP87190は、小型のTLGA-41 (5mm x 6mm) パッケージに収められた強力なDrMOSであり、トライステートパルス幅変調 (PWM) 信号コントローラで動作して柔軟性をさらに高めることができます (図4参照)。その高い90AのI_OUTは、FPGAとASICが機能するために必要な電力を供給できるようにします。さらに、3V～16Vの広いV_INで動作可能で、さまざまな条件下で動作できるようになります。-40°C～105°Cの広い温度範囲に対応し、高効率で、屋外の5G環境に最適です。

図3: MP87190パッケージ

Intelli-Phases™はFPGAおよびASICに電力を供給できます。高い効率と小さなフットプリントにより、スペースが限られたアプリケーションに最適です。また、正確な電流検知と温度検知により、システムが過電流 (OC) または過熱 (OT) 状態で動作しないようにすることで、電力管理を最適化します。OCとOTの両方の状態によって過熱が発生し、FPGAとASICが損傷するだけでなく、アプリケーション内の隣接する部品も損傷する可能性があります。

図4は、これらの製品と機能の概要と、このアプリケーション内で Intelli-Phase^TM が配置されている場所を示しています。

図4: Intelli-Phases™を使用した5Gアプリケーション

結論

5Gは、機器に接続したり、世界中の他のユーザーと接続したりする方法を変えてきました。またこれからも変え続けるでしょう。この最新世代のテクノロジーは信じられないほど革新的ですが、5Gは広範な導入や効率性などの課題を提起しています。

本稿では5Gの基礎を説明し、MPSの2つの製品 - 5G基地局内のAAUまたはBBUアーキテクチャ改善するために使用できるMPQ8645とMP87190を紹介しました。お客様の設計ニーズを満たすその他のオプションについては、MPSの他のアプリケーション用の高出力コンバータとIntelli-Phase™製品の強力なラインナップをご覧ください。

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