Mikrofalowy backhaul dla sieci komórkowych 5G

 

Sieci komórkowe 5G, backhaul mikrofalowy i przyszłe trendy w sieciach mobilnych

 

Bezprzewodowa sieć komórkowa 5G bez kabli

Wraz z udostępnieniem komunikacji mobilnej 5G około 2020 r. Branża zaczęła już opracowywać dość jasny obraz głównych wyzwań, możliwości i kluczowych elementów technologicznych, z którymi się ona wiąże. 5G zwiększy wydajność i możliwości bezprzewodowych sieci dostępowych w wielu wymiarach, na przykład usprawni mobilne usługi szerokopasmowe w celu zapewnienia szybkości transmisji danych powyżej 10 Gb / s przy opóźnieniach 1 ms.

Mikrofale są kluczowym elementem obecnych sieci dosyłowych i będą nadal ewoluować jako część przyszłego ekosystemu 5G. Opcją w 5G jest wykorzystanie tej samej technologii dostępu radiowego zarówno dla łączy dostępowych, jak i łączy dosyłowych, z dynamicznym współdzieleniem zasobów widma. Może to stanowić uzupełnienie mikrofalowego łącza zwrotnego, zwłaszcza w bardzo gęstych wdrożeniach z większą liczbą małych węzłów radiowych.

Obecnie transmisja mikrofalowa dominuje w telefonii komórkowej typu backhaul, łącząc około 60 procent wszystkich makro stacji bazowych. Nawet gdy całkowita liczba połączeń rośnie, udział mikrofal w rynku pozostanie dość stały. Do 2019 r. Nadal będzie stanowić około 50 procent wszystkich stacji bazowych (małe komórki makro i zewnętrzne (patrz Rysunek 3). Będzie odgrywać kluczową rolę w dostępie ostatniej mili i uzupełniającą rolę agregacyjną części sieci. w tym samym czasie transmisja światłowodowa będzie nadal zwiększać swój udział w rynku mobilnej sieci dosyłowej, a do 2019 r. będzie łączyć około 40% wszystkich lokalizacji. Światłowód będzie szeroko stosowany w częściach sieci skupionych / metropolitalnych i coraz częściej w dostępie na ostatniej mili Wystąpią również różnice geograficzne, przy czym gęsto zaludnione obszary miejskie będą miały większą penetrację włókien niż słabiej zaludnione obszary podmiejskie i wiejskie, gdzie mikrofale będą dominować zarówno na połączeniach krótkodystansowych, jak i długodystansowych.

Wydajność spektralna
 

Bezprzewodowa wieża bezprzewodowa 5G Mobile Backhaul

Efektywność widmową (czyli uzyskanie większej liczby bitów na Hz) można osiągnąć za pomocą technik takich jak modulacja wyższego rzędu i modulacja adaptacyjna, doskonałe wzmocnienie systemu dzięki dobrze zaprojektowanemu rozwiązaniu oraz wiele wejść i wiele wyjść (MIMO).

Modulacja

Maksymalna liczba symboli na sekundę transmitowanych na nośnej mikrofalowej jest ograniczona przez szerokość pasma kanału. Kwadraturowa modulacja amplitudy (QAM) zwiększa potencjalną pojemność poprzez kodowanie bitów w każdym symbolu. Przejście od dwóch bitów na symbol (4 QAM) do 10 bitów na symbol (1024 QAM) zapewnia ponad pięciokrotny wzrost pojemności.

Poziomy modulacji wyższego rzędu stały się możliwe dzięki postępom w technologiach komponentów, które zmniejszyły szum generowany przez sprzęt i zniekształcenia sygnału. W przyszłości będzie obsługa do 4096 QAM (12 bitów na symbol), ale zbliżamy się do teoretycznych i praktycznych ograniczeń. Modulacja wyższego rzędu oznacza zwiększoną wrażliwość na szum i zniekształcenia sygnału. Czułość odbiornika jest zmniejszana o 3 dB na każdy zwiększony krok modulacji, podczas gdy związane z nią wzmocnienie pojemności maleje (w procentach). Na przykład przyrost pojemności wynosi 11 procent przy przejściu z 512 QAM (9 bitów na symbol) do 1024 QAM (10 bitów na symbol).

Modulacja adaptacyjna
 

CableFree Microwave Link zainstalowana na wieży telekomunikacyjnej

Zwiększenie modulacji sprawia, że ​​radio jest bardziej wrażliwe na anomalie propagacji, takie jak deszcz i wielodrożne zanikanie. Aby zachować długość przeskoków mikrofalowych, zwiększoną czułość można skompensować wyższą mocą wyjściową i większymi antenami. Modulacja adaptacyjna jest bardzo ekonomicznym rozwiązaniem maksymalizującym przepustowość we wszystkich warunkach propagacji. W praktyce modulacja adaptacyjna jest warunkiem wstępnym wdrożenia z modulacją skrajnie wysokiego rzędu.

Modulacja adaptacyjna umożliwia aktualizację istniejącego przeskoku mikrofalowego z na przykład 114 Mb / s do nawet 500 Mb / s. Większa pojemność wiąże się z mniejszą dostępnością. Na przykład dostępność jest zmniejszona z 99.999 procent (5 minut przerwy w ciągu roku) przy 114 Mb / s do 99.99% czasu (50 minut przerwy w ciągu roku) przy 238 Mb / s. Wzmocnienie systemu Doskonałe wzmocnienie systemu jest kluczowym parametrem dla mikrofal. Wzmocnienie systemu większe o 6 dB można zastosować, na przykład, do zwiększenia dwóch stopni modulacji przy tej samej dostępności, co zapewnia do 30 procent większą wydajność. Alternatywnie można go użyć do zwiększenia długości przeskoku lub zmniejszenia rozmiaru anteny lub kombinacji wszystkich. Wśród czynników przyczyniających się do doskonałego wzmocnienia systemu są między innymi wydajne kodowanie z korekcją błędów, niski poziom szumów odbiornika, cyfrowa redukcja zniekształceń zapewniająca wyższą moc wyjściową i wydajne wzmacniacze.

MIMO Wiele wejść, wiele wyjść (MIMO)
MIMO to dojrzała technologia, która jest szeroko stosowana w celu zwiększenia wydajności widmowej w dostępie radiowym 3GPP i Wi-Fi, gdzie oferuje opłacalny sposób zwiększenia pojemności i przepustowości tam, gdzie dostępne widmo jest ograniczone. W przeszłości sytuacja widma w zastosowaniach mikrofalowych była bardziej złagodzona; udostępniono nowe pasma częstotliwości, a technologia jest stale rozwijana w celu spełnienia wymagań dotyczących przepustowości. Jednak w wielu krajach pozostałe zasoby widma do zastosowań mikrofalowych zaczynają się wyczerpywać i potrzebne są dodatkowe technologie, aby sprostać przyszłym wymaganiom. W przypadku sieci 5G Mobile Backhaul, MIMO na częstotliwościach mikrofalowych to nowa technologia, która oferuje skuteczny sposób na dalsze zwiększenie wydajności widma, a tym samym dostępnej zdolności transportowej.

W przeciwieństwie do „konwencjonalnych” systemów MIMO, które opierają się na odbiciach w środowisku, w przypadku 5G Mobile Backhaul kanały są „projektowane” w mikrofalowych systemach MIMO punkt-punkt w celu uzyskania optymalnej wydajności. Osiąga się to poprzez zainstalowanie anten z przestrzenną separacją zależną od odległości przeskoku i częstotliwości. W zasadzie przepustowość i pojemność rosną liniowo wraz z liczbą anten (oczywiście kosztem dodatkowego sprzętu). System NxM MIMO jest zbudowany przy użyciu N nadajników i M. odbiorników. Teoretycznie nie ma ograniczeń dla wartości N i M, ale ponieważ anteny muszą być rozdzielone przestrzennie, istnieje praktyczne ograniczenie w zależności od wysokości wieży i otoczenia. Z tego powodu anteny 2 × 2 są najbardziej wykonalnym typem systemu MIMO. Te anteny mogą być pojedynczo spolaryzowane (system dwóch nośnych) lub podwójnie spolaryzowane (system czterech nośnych). MIMO będzie użytecznym narzędziem do dalszego skalowania mocy mikrofal, ale nadal znajduje się na wczesnym etapie, w którym na przykład jego status regulacyjny nadal wymaga wyjaśnienia w większości krajów, a jego modele propagacji i planowania nadal wymagają ustalenia. Separacja anten może być również trudna, zwłaszcza w przypadku niższych częstotliwości i dłuższych przeskoków.

Więcej widma
Kolejna część zestawu narzędzi dotyczących pojemności mikrofal dla 5G Mobile Backhaul obejmuje uzyskanie dostępu do większego widma. Tutaj pasma fal milimetrowych - nielicencjonowane pasma 60 GHz i licencjonowane pasmo 70/80 GHz - zyskują na popularności jako sposób na uzyskanie dostępu do nowego widma na wielu rynkach (więcej informacji znajduje się w sekcji Opcje częstotliwości mikrofalowych). Te pasma oferują również znacznie szersze kanały częstotliwości, co ułatwia wdrażanie opłacalnych, wielogigabitowych systemów, które umożliwiają 5G Mobile Backhaul.

Wydajność przepustowa
Wydajność przepustowości (czyli więcej danych na bit) obejmuje takie funkcje, jak wielowarstwowa kompresja nagłówków i agregacja / łączenie łączy radiowych, które koncentrują się na zachowaniu strumieni pakietów.

Wielowarstwowa kompresja nagłówka
Wielowarstwowa kompresja nagłówków usuwa niepotrzebne informacje z nagłówków ramek danych i zwalnia przepustowość na potrzeby ruchu, jak pokazano na rysunku 7. W przypadku kompresji każdy unikalny nagłówek jest zastępowany unikalną tożsamością po stronie nadawczej, co jest odwrócone. po stronie odbiorczej. Kompresja nagłówka zapewnia stosunkowo większy zysk wykorzystania dla pakietów o mniejszym rozmiarze ramki, ponieważ ich nagłówki stanowią stosunkowo większą część całkowitego rozmiaru ramki. Oznacza to, że wynikająca z tego dodatkowa pojemność zmienia się w zależności od liczby nagłówków i rozmiaru ramki, ale zwykle jest to wzrost o 5–10 procent w przypadku sieci Ethernet, IPv4 i WCDMA, przy średnim rozmiarze ramki 400–600 bajtów i 15–20 procentowym wzmocnieniu. z Ethernet, MPLS, IPv6 i LTE przy tym samym średnim rozmiarze ramki.

Liczby te zakładają, że zaimplementowana kompresja może obsłużyć całkowitą liczbę przesyłanych unikatowych nagłówków. Ponadto kompresja nagłówka powinna być solidna i bardzo prosta w użyciu, na przykład oferując samouczenie, minimalną konfigurację i kompleksowe wskaźniki wydajności.

Agregacja łączy radiowych (RLA, łączenie)
Łączenie łącza radiowego w mikrofalówce jest podobne do agregacji nośnych w LTE i jest ważnym narzędziem wspierającym ciągły wzrost ruchu, ponieważ większy udział przeskoków mikrofalowych jest rozmieszczonych z wieloma nośnymi, jak pokazano na rysunku 8. Obie techniki łączą wiele nośnych radiowych w jedną. wirtualny, a więc zarówno zwiększenie wydajności szczytowej, jak i zwiększenie efektywnej przepustowości poprzez statystyczny zysk multipleksowania. Osiąga się prawie 100 procent wydajności, ponieważ każdy pakiet danych może wykorzystywać całkowitą zagregowaną przepustowość szczytową przy niewielkim zmniejszeniu narzutu protokołu, niezależnie od wzorców ruchu. Łączenie łącza radiowego jest dostosowane tak, aby zapewnić doskonałą wydajność dla konkretnego rozwiązania transportu mikrofalowego. Na przykład może wspierać niezależne zachowanie każdej nośnej radiowej przy użyciu modulacji adaptacyjnej, a także wdzięczną degradację w przypadku awarii jednej lub więcej nośnych (ochrona N + 0).

Podobnie jak agregacja nośnych, łączenie łączy radiowych będzie nadal rozwijane w celu obsługi wyższych przepustowości i bardziej elastycznych kombinacji nośnych, na przykład poprzez obsługę agregacji większej liczby nośnych, nośnych o różnych szerokościach pasma i nośnych w różnych pasmach częstotliwości.

Optymalizacja sieci
Następną sekcją zestawu narzędzi wydajności jest optymalizacja sieci. Obejmuje to zagęszczanie sieci bez potrzeby stosowania dodatkowych kanałów częstotliwości dzięki funkcjom łagodzenia zakłóceń, takim jak anteny o bardzo wysokiej wydajności (SHP) i automatyczna kontrola mocy nadawania (ATPC). Anteny SHP skutecznie tłumią zakłócenia dzięki bardzo niskim wzorcom promieniowania bocznego, spełniając ETSI klasę 4. ATPC umożliwia automatyczne zmniejszanie mocy nadawania w sprzyjających warunkach propagacji (czyli przez większość czasu), skutecznie zmniejszając zakłócenia w sieci. Korzystanie z tych funkcji zmniejsza liczbę kanałów częstotliwości potrzebnych w sieci i może zapewnić do 70 procent większą całkowitą przepustowość sieci na kanał. Zakłócenia spowodowane niewspółosiowością lub gęstym rozmieszczeniem ograniczają tworzenie sieci typu backhaul w wielu sieciach. Staranne planowanie sieci, zaawansowane anteny, przetwarzanie sygnału i wykorzystanie funkcji ATPC na poziomie sieci zmniejszą wpływ zakłóceń.

Patrząc w przyszłość, 5G i nie tylko
 

Bezprzewodowa technologia bezprzewodowa 5G bez kabli

W nadchodzących latach narzędzia do obsługi mikrofal dla sieci komórkowych 5G będą rozwijane i ulepszane oraz wykorzystywane w połączeniu, umożliwiając uzyskanie przepustowości 10 Gb / s i wyższych. Całkowity koszt posiadania zostanie zoptymalizowany dla typowych konfiguracji o dużej pojemności, takich jak rozwiązania z wieloma nośnikami.

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów