Mikrovlnný backhaul pro mobilní sítě 5G

 

5G mobilní sítě, mikrovlnná páteř a budoucí trendy v mobilních sítích

 

5G mobilní bezdrátová síť CableFree

Vzhledem k tomu, že mobilní komunikace 5G bude k dispozici kolem roku 2020, průmysl již začal rozvíjet poměrně jasný pohled na hlavní výzvy, příležitosti a klíčové technologické komponenty, které zahrnuje. 5G rozšíří výkon a možnosti bezdrátových přístupových sítí v mnoha dimenzích, například vylepší mobilní širokopásmové služby tak, aby poskytovaly datové rychlosti nad 10 Gbps s latencí 1 ms.

Mikrovlnná trouba je klíčovým prvkem současných backhaul sítí a bude se i nadále vyvíjet jako součást budoucího 5G ekosystému. Možnost v 5G je použít stejnou technologii rádiového přístupu jak pro přístupové, tak pro připojení na zadní straně, s dynamickým sdílením zdrojů spektra. To může poskytnout doplněk k mikrovlnnému backhaul, zejména ve velmi hustém nasazení s větším počtem malých rádiových uzlů.

V dnešní době dominuje mikrovlnný přenos mobilní zpětné lince, kde spojuje přibližně 60 procent všech makro základnových stanic. I když celkový počet připojení poroste, podíl mikrovln na trhu zůstane poměrně konstantní. Do roku 2019 bude i nadále představovat přibližně 50 procent všech základnových stanic (makro a venkovní malé buňky (viz obrázek 3). Bude hrát klíčovou roli v přístupu na poslední míli a doplňkovou roli agregační části sítě. přenos vláken bude nadále zvyšovat svůj podíl na trhu s mobilními páteřními sítěmi a do roku 2019 propojí přibližně 40 procent všech lokalit. Vlákna budou široce používána v agregačních / metrických částech sítí a stále častěji pro přístup na poslední míli Budou také existovat geografické rozdíly, přičemž hustě osídlené městské oblasti budou mít větší průnik vláken než méně obydlené příměstské a venkovské oblasti, kde bude převládat mikrovlnná trouba pro spojení na krátké i dlouhé vzdálenosti.

Spektrální účinnost
 

CableFree 5G mobilní páteřní bezdrátová věž

Účinnosti spektra (tj. Získávání více bitů na Hz) lze dosáhnout pomocí technik, jako je modulace vyššího řádu a adaptivní modulace, vynikající systémový zisk dobře navrženého řešení a více vstupů, více výstupů (MIMO).

Modulace

Maximální počet symbolů za sekundu přenášených na mikrovlnném nosiči je omezen šířkou pásma kanálu. Kvadraturní amplitudová modulace (QAM) zvyšuje potenciální kapacitu kódováním bitů na každý symbol. Přechod ze dvou bitů na symbol (4 QAM) na 10 bitů na symbol (1024 QAM) přináší více než pětinásobné zvýšení kapacity.

Úrovně modulace vyššího řádu byly umožněny díky pokrokům v technologiích komponent, které snížily šum generovaný zařízením a zkreslení signálu. V budoucnu bude podpora až 4096 QAM (12 bitů na symbol), ale blížíme se k teoretickým a praktickým limitům. Modulace vyššího řádu znamená zvýšenou citlivost na šum a zkreslení signálu. Citlivost přijímače je snížena o 3 dB pro každý zvýšený krok modulace, zatímco související zvýšení kapacity se zmenšuje (v procentech). Jako příklad lze uvést zvýšení kapacity o 11 procent při přechodu z 512 QAM (9 bitů na symbol) na 1024 QAM (10 bitů na symbol).

Adaptivní modulace
 

Mikrovlnný spoj CableFree instalovaný na telekomunikační věži

Zvyšující se modulace činí rádio citlivější na anomálie šíření, jako je déšť a blednutí více cest. Aby byla zachována délka mikrovlnného hopu, lze zvýšenou citlivost kompenzovat vyšším výstupním výkonem a většími anténami. Adaptivní modulace je velmi nákladově efektivní řešení pro maximalizaci propustnosti za všech podmínek šíření. V praxi je adaptivní modulace předpokladem pro nasazení s extrémní modulací vysokého řádu.

Adaptivní modulace umožňuje upgradovat stávající mikrovlnný skok z například 114 Mbps na 500 Mbps. Vyšší kapacita přichází s nižší dostupností. Například dostupnost je snížena z 99.999 procenta (roční výpadek 5 minut) při 114 Mbps na 99.99 procenta času (roční výpadek 50 minut) při 238 Mbps. Zisk systému Vynikající zisk systému je klíčovým parametrem pro mikrovlnnou troubu. O 6 dB vyšší zisk systému lze použít například ke zvýšení dvou modulačních kroků se stejnou dostupností, což poskytuje až o 30 procent větší kapacitu. Alternativně by to mohlo být použito ke zvýšení délky skoku nebo ke zmenšení velikosti antény, nebo jejich kombinace. Přispěvatelé k vynikajícímu zisku systému zahrnují mimo jiné efektivní kódování pro korekci chyb, nízkou hladinu šumu přijímače, digitální předkreslení pro vyšší výkon a výkonově efektivní zesilovače.

Více vstupů MIMO, více výstupů (MIMO)
MIMO je vyspělá technologie, která se široce používá ke zvýšení spektrální účinnosti při 3GPP a Wi-Fi rádiovém přístupu, kde nabízí nákladově efektivní způsob zvýšení kapacity a propustnosti tam, kde je dostupné spektrum omezené. Historicky byla situace v oblasti spektra pro mikrovlnné aplikace uvolněnější; byla zpřístupněna nová frekvenční pásma a technologie byla neustále vyvíjena tak, aby splňovala kapacitní požadavky. V mnoha zemích se však zbývající zdroje spektra pro mikrovlnné aplikace začínají vyčerpávat a ke splnění budoucích požadavků jsou zapotřebí další technologie. Pro 5G Mobile Backhaul je MIMO na mikrovlnných frekvencích nově vznikající technologií, která nabízí efektivní způsob, jak dále zvýšit účinnost spektra, a tím i dostupnou přepravní kapacitu.

Na rozdíl od „konvenčních“ systémů MIMO, které jsou založeny na odrazech v prostředí, jsou pro 5G Mobile Backhaul kanály „navrženy“ v mikrovlnných systémech MIMO point-to-point pro optimální výkon. Toho je dosaženo instalací antén s prostorovým oddělením, které je závislé na vzdálenosti a frekvenci chmele. V zásadě se propustnost a kapacita lineárně zvyšují s počtem antén (samozřejmě na úkor dodatečných nákladů na hardware). Systém NxM MIMO je konstruován pomocí N vysílačů a M přijímačů. Teoreticky neexistuje žádný limit pro hodnoty N a M, ale protože antény musí být prostorově odděleny, existuje praktické omezení v závislosti na výšce věže a okolí. Z tohoto důvodu jsou antény 2 × 2 nejsnadnějším typem systému MIMO. Tyto antény mohou být buď jedno polarizované (systém se dvěma nosnými) nebo duální polarizované (systém se čtyřmi nosnými). MIMO bude užitečným nástrojem pro další rozšiřování kapacity mikrovlnné trouby, ale je stále v rané fázi, kdy je třeba ve většině zemí ještě vyjasnit jeho regulační status a ještě je třeba stanovit jeho modely šíření a plánování. Oddělení antény může být také náročné, zejména pro nižší frekvence a delší délky hopu.

Více spektra
Další část sady nástrojů mikrovlnné kapacity pro 5G Mobile Backhaul zahrnuje získání přístupu k většímu spektru. Zde pásma milimetrových vln - nelicencovaná pásma 60 GHz a licencovaná pásma 70/80 GHz - rostou v popularitě jako způsob získání přístupu k novému spektru na mnoha trzích (další informace najdete v části Možnosti mikrovlnné frekvence). Tato pásma také nabízejí mnohem širší frekvenční kanály, což usnadňuje nasazení nákladově efektivních vícegigabitových systémů, které umožňují 5G Mobile Backhaul.

Účinnost propustnosti
Účinnost propustnosti (tj. Více dat užitečného zatížení na bit) zahrnuje funkce, jako je komprese vícevrstvých záhlaví a agregace / propojení rádiových spojů, které se zaměřují na chování paketových proudů.

Vícevrstvá komprese záhlaví
Vícevrstvá komprese záhlaví odstraňuje nepotřebné informace ze záhlaví datových rámců a uvolňuje kapacitu pro účely provozu, jak je znázorněno na obrázku 7. Při kompresi je každé jedinečné záhlaví nahrazeno jedinečnou identitou na vysílací straně, což je proces, který je obrácen na přijímací straně. Komprese záhlaví poskytuje relativně vyšší zisk využití pro pakety menší velikosti rámce, protože jejich záhlaví tvoří relativně větší část celkové velikosti rámce. To znamená, že výsledná kapacita navíc se liší podle počtu záhlaví a velikosti rámce, ale obvykle je to 5–10 procentní zisk u Ethernetu, IPv4 a WCDMA, s průměrnou velikostí rámce 400–600 bytů a 15–20 procentní zisk s Ethernetem, MPLS, IPv6 a LTE se stejnou průměrnou velikostí rámu.

Tato čísla předpokládají, že implementovaná komprese může podporovat celkový počet přenášených jedinečných záhlaví. Kromě toho by komprese záhlaví měla být robustní a velmi snadno použitelná, například nabízet samoučení, minimální konfiguraci a komplexní ukazatele výkonu.

Agregace rádiového spojení (RLA, lepení)
Vazba rádiového spojení v mikrovlnné troubě je podobná agregaci nosičů v LTE a je důležitým nástrojem pro podporu dalšího růstu provozu, protože vyšší podíl mikrovlnného chmele je nasazen u více nosičů, jak je znázorněno na obrázku 8. Obě techniky agregují více rádiových nosičů do jedné virtuální, a to jak zvýšení maximální kapacity, tak zvýšení efektivní propustnosti prostřednictvím statistického multiplexního zisku. Dosahuje se téměř 100 procentní účinnosti, protože každý datový paket může využívat celkovou agregovanou špičkovou kapacitu s pouze malým snížením režie protokolu, nezávisle na vzorech provozu. Vazba rádiového spojení je přizpůsobena tak, aby poskytovala vynikající výkon pro konkrétní řešení přenosu mikrovln. Například může podporovat nezávislé chování každé rádiové nosné pomocí adaptivní modulace, stejně jako ladnou degradaci v případě poruchy jedné nebo více nosných (ochrana N + 0).

Stejně jako agregace nosičů bude i nadále vyvíjeno rádiové spojení, aby podporovalo vyšší kapacity a flexibilnější kombinace nosičů, například prostřednictvím podpory agregace více nosičů, nosičů s různými šířkami pásma a nosných v různých frekvenčních pásmech.

Optimalizace sítě
Další částí souboru kapacitních nástrojů je optimalizace sítě. To zahrnuje zhušťování sítí bez nutnosti použití dalších frekvenčních kanálů pomocí funkcí pro zmírnění rušení, jako jsou antény super vysokého výkonu (SHP) a automatické řízení vysílacího výkonu (ATPC). Antény SHP účinně potlačují rušení prostřednictvím velmi nízkých vyzařovacích charakteristik postranního laloku a splňují třídu ETSI 4. ATPC umožňuje automatické snížení vysílacího výkonu během příznivých podmínek šíření (to znamená většinu času), čímž účinně snižuje rušení v síti. Používání těchto funkcí snižuje počet frekvenčních kanálů potřebných v síti a může přinést až o 70 procent větší celkovou kapacitu sítě na kanál. Rušení v důsledku nesouososti nebo hustého nasazení omezuje vytváření backhaul v mnoha sítích. Pečlivé plánování sítě, pokročilé antény, zpracování signálu a používání funkcí ATPC na úrovni sítě sníží dopad rušení.

Pohled do budoucnosti, 5G a další
 

5G mobilní bezdrátová technologie CableFree

V nadcházejících letech budou vyvíjeny a zdokonalovány nástroje pro mikrovlnnou kapacitu pro mobilní sítě 5G a budou používány v kombinaci umožňující kapacitu 10 Gb / s a ​​více. Celkové náklady na vlastnictví budou optimalizovány pro běžné vysokokapacitní konfigurace, jako jsou řešení s více nosiči.

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv