Backhaul a microonde per reti mobili 5G

 

Reti mobili 5G, backhaul a microonde e tendenze future nelle reti mobili

 

Rete wireless mobile 5G senza cavo

Con la comunicazione mobile 5G disponibile intorno al 2020, l'industria ha già iniziato a sviluppare una visione abbastanza chiara delle principali sfide, opportunità e componenti tecnologiche chiave che comporta. Il 5G estenderà le prestazioni e le capacità delle reti di accesso wireless in molte dimensioni, ad esempio migliorando i servizi a banda larga mobile per fornire velocità di dati oltre i 10 Gbps con latenze di 1 ms.

Le microonde sono un elemento chiave delle attuali reti di backhaul e continueranno ad evolversi come parte del futuro ecosistema 5G. Un'opzione nel 5G è quella di utilizzare la stessa tecnologia di accesso radio sia per l'accesso che per i collegamenti di backhaul, con condivisione dinamica delle risorse dello spettro. Ciò può fornire un complemento al backhaul a microonde, specialmente in installazioni molto dense con un numero maggiore di piccoli nodi radio.

Oggi, la trasmissione a microonde domina il backhaul mobile, dove collega circa il 60% di tutte le stazioni base macro. Anche se il numero totale di connessioni cresce, la quota di mercato del microonde rimarrà abbastanza costante. Entro il 2019, rappresenterà ancora circa il 50% di tutte le stazioni base (macro e piccole celle esterne (vedi Figura 3). Avrà un ruolo chiave nell'accesso dell'ultimo miglio e un ruolo complementare la parte di aggregazione della rete. Allo stesso tempo, la trasmissione in fibra continuerà ad aumentare la sua quota nel mercato del backhaul mobile e entro il 2019 collegherà circa il 40% di tutti i siti. La fibra sarà ampiamente utilizzata nelle parti di aggregazione / metropolitana delle reti e sempre più per l'accesso dell'ultimo miglio Ci saranno anche differenze geografiche, con aree urbane densamente popolate con una maggiore penetrazione di fibre rispetto alle aree suburbane e rurali meno popolate, dove le microonde prevarranno sia per i collegamenti a corto che a lungo raggio.

Efficienza spettrale
 

Torre wireless per backhaul mobile 5G CableFree

L'efficienza dello spettro (ovvero, ottenere più bit per Hz) può essere ottenuta attraverso tecniche come la modulazione di ordine superiore e la modulazione adattiva, il guadagno di sistema superiore di una soluzione ben progettata e Multiple Input, Multiple Output (MIMO).

Modulazione

Il numero massimo di simboli al secondo trasmessi su una portante a microonde è limitato dalla larghezza di banda del canale. La modulazione di ampiezza in quadratura (QAM) aumenta la capacità potenziale codificando i bit su ciascun simbolo. Il passaggio da due bit per simbolo (4 QAM) a 10 bit per simbolo (1024 QAM) offre un aumento della capacità di oltre cinque volte.

Livelli di modulazione di ordine superiore sono stati resi possibili grazie ai progressi nelle tecnologie dei componenti che hanno ridotto il rumore generato dalle apparecchiature e la distorsione del segnale. In futuro sarà supportato un massimo di 4096 QAM (12 bit per simbolo), ma ci stiamo avvicinando ai limiti teorici e pratici. La modulazione di ordine superiore significa maggiore sensibilità al rumore e alla distorsione del segnale. La sensibilità del ricevitore si riduce di 3 dB per ogni incremento di modulazione, mentre il relativo guadagno di capacità si riduce (in termini percentuali). Ad esempio, il guadagno di capacità è dell'11% quando si passa da 512 QAM (9 bit per simbolo) a 1024 QAM (10 bit per simbolo).

Modulazione adattiva
 

CableFree Microwave Link installato su una torre di telecomunicazioni

L'aumento della modulazione rende la radio più sensibile alle anomalie di propagazione come pioggia e dissolvenza multi-path. Per mantenere la lunghezza del salto delle microonde, la maggiore sensibilità può essere compensata da una maggiore potenza di uscita e da antenne più grandi. La modulazione adattiva è una soluzione molto conveniente per massimizzare il rendimento in tutte le condizioni di propagazione. In pratica, la modulazione adattativa è un prerequisito per il dispiegamento con modulazione estrema di ordine elevato.

La modulazione adattiva consente di aggiornare un salto a microonde esistente, ad esempio, da 114 Mbps fino a 500 Mbps. La maggiore capacità viene fornita con una minore disponibilità. Ad esempio, la disponibilità viene ridotta dal 99.999% (interruzione di 5 minuti all'anno) a 114 Mbps al 99.99% delle volte (interruzione di 50 minuti all'anno) a 238 Mbps. Guadagno di sistema Il guadagno di sistema superiore è un parametro chiave per le microonde. Un guadagno di sistema superiore di 6 dB può essere utilizzato, ad esempio, per aumentare due livelli di modulazione con la stessa disponibilità, fornendo fino al 30 percento di capacità in più. In alternativa potrebbe essere usato per aumentare la lunghezza del salto o diminuire la dimensione dell'antenna, o una combinazione di tutti. I fattori che contribuiscono a un guadagno di sistema superiore includono un'efficiente codifica di correzione degli errori, bassi livelli di rumore del ricevitore, predistorsione digitale per un funzionamento a potenza di uscita più elevata e amplificatori ad alta efficienza energetica, tra gli altri.

Ingresso multiplo MIMO, uscita multipla (MIMO)
MIMO è una tecnologia matura ampiamente utilizzata per aumentare l'efficienza spettrale nell'accesso radio 3GPP e Wi-Fi, dove offre un modo conveniente per aumentare la capacità e il throughput laddove lo spettro disponibile è limitato. Storicamente, la situazione dello spettro per le applicazioni a microonde è stata più rilassata; sono state rese disponibili nuove bande di frequenza e la tecnologia è stata continuamente sviluppata per soddisfare i requisiti di capacità. Tuttavia in molti paesi le rimanenti risorse dello spettro per le applicazioni a microonde stanno iniziando a esaurirsi e sono necessarie tecnologie aggiuntive per soddisfare i requisiti futuri. Per 5G Mobile Backhaul, MIMO alle frequenze delle microonde è una tecnologia emergente che offre un modo efficace per aumentare ulteriormente l'efficienza dello spettro e quindi la capacità di trasporto disponibile.

A differenza dei sistemi MIMO "convenzionali", che si basano sui riflessi nell'ambiente, per 5G Mobile Backhaul, i canali sono "progettati" in sistemi MIMO a microonde punto-punto per prestazioni ottimali. Ciò si ottiene installando le antenne con una separazione spaziale dipendente dalla distanza e dalla frequenza del salto. In linea di principio, il throughput e la capacità aumentano linearmente con il numero di antenne (a scapito del costo aggiuntivo dell'hardware, ovviamente). Un sistema MIMO NxM è costruito utilizzando trasmettitori N e ricevitori M. Teoricamente non ci sono limiti per i valori N e M, ma poiché le antenne devono essere spazialmente separate c'è una limitazione pratica che dipende dall'altezza della torre e dall'ambiente circostante. Per questo motivo le antenne 2 × 2 sono il tipo di sistema MIMO più fattibile. Queste antenne possono essere a polarizzazione singola (sistema a due portanti) o doppia polarizzazione (sistema a quattro portanti). MIMO sarà uno strumento utile per aumentare ulteriormente la capacità delle microonde, ma è ancora in una fase iniziale in cui, ad esempio, il suo stato normativo deve ancora essere chiarito nella maggior parte dei paesi e i suoi modelli di propagazione e pianificazione devono ancora essere stabiliti. La separazione dell'antenna può anche essere difficile, specialmente per frequenze più basse e lunghezze di salto maggiori.

Più spettro
Un'altra sezione della cassetta degli attrezzi per la capacità delle microonde per 5G Mobile Backhaul prevede l'accesso a più spettro. Qui le bande a onde millimetriche - le bande da 60 GHz senza licenza e la banda da 70/80 GHz con licenza - stanno diventando sempre più popolari come un modo per ottenere l'accesso a un nuovo spettro in molti mercati (vedere la sezione Opzioni di frequenza microonde per ulteriori informazioni). Queste bande offrono anche canali di frequenza molto più ampi, che facilitano l'implementazione di sistemi multi-gigabit economici che consentono il backhaul mobile 5G.

Efficienza produttiva
L'efficienza del throughput (ovvero, più dati di payload per bit), coinvolge funzionalità come la compressione dell'intestazione multistrato e l'aggregazione / legame dei collegamenti radio, che si concentrano sul comportamento dei flussi di pacchetti.

Compressione dell'intestazione multistrato
La compressione dell'intestazione multistrato rimuove le informazioni non necessarie dalle intestazioni dei frame di dati e rilascia capacità per scopi di traffico, come mostrato nella Figura 7. Durante la compressione, ogni intestazione univoca viene sostituita con un'identità univoca sul lato di trasmissione, un processo che viene invertito sul lato ricevente. La compressione delle intestazioni fornisce un guadagno di utilizzo relativamente maggiore per i pacchetti di dimensioni di frame più piccole, poiché le loro intestazioni comprendono una parte relativamente più grande della dimensione di frame totale. Ciò significa che la capacità aggiuntiva risultante varia in base al numero di intestazioni e alle dimensioni del frame, ma in genere è un guadagno del 5-10% con Ethernet, IPv4 e WCDMA, con una dimensione media del frame di 400-600 byte e un guadagno del 15-20% con Ethernet, MPLS, IPv6 e LTE con la stessa dimensione di frame media.

Queste cifre presuppongono che la compressione implementata possa supportare il numero totale di intestazioni univoche trasmesse. Inoltre, la compressione dell'intestazione dovrebbe essere robusta e molto semplice da usare, ad esempio offrendo autoapprendimento, configurazione minima e indicatori di prestazione completi.

Aggregazione di collegamenti radio (RLA, Bonding)
Il legame del collegamento radio nel microonde è simile all'aggregazione di portanti in LTE ed è uno strumento importante per supportare la crescita continua del traffico, poiché una quota maggiore di luppoli a microonde viene distribuita con più portanti, come illustrato nella Figura 8. Entrambe le tecniche aggregano più portanti radio in una sola. virtuale, quindi sia migliorando la capacità di picco sia aumentando il throughput effettivo attraverso il guadagno del multiplexing statistico. Si ottiene un'efficienza di quasi il 100%, poiché ogni pacchetto di dati può utilizzare la capacità di picco aggregata totale con solo una riduzione minima del sovraccarico del protocollo, indipendentemente dai modelli di traffico. Il collegamento del collegamento radio è personalizzato per fornire prestazioni superiori per la particolare soluzione di trasporto a microonde interessata. Ad esempio, può supportare il comportamento indipendente di ciascuna portante radio utilizzando la modulazione adattativa, così come il degrado graduale in caso di guasto di una o più portanti (protezione N + 0).

Proprio come l'aggregazione di portanti, il legame di collegamento radio continuerà a essere sviluppato per supportare capacità più elevate e combinazioni di portanti più flessibili, ad esempio attraverso il supporto per l'aggregazione di più portanti, portanti con diverse larghezze di banda e portanti in diverse bande di frequenza.

Ottimizzazione della rete
La sezione successiva del toolbox di capacità è l'ottimizzazione della rete. Ciò comporta la densificazione delle reti senza la necessità di canali di frequenza aggiuntivi attraverso funzionalità di mitigazione delle interferenze come antenne ad altissime prestazioni (SHP) e controllo automatico della potenza di trasmissione (ATPC). Le antenne SHP sopprimono efficacemente le interferenze attraverso schemi di radiazione dei lobi laterali molto bassi, soddisfacendo la classe ETSI 4. L'ATPC consente di ridurre automaticamente la potenza di trasmissione durante condizioni di propagazione favorevoli (ovvero, la maggior parte delle volte), riducendo efficacemente l'interferenza nella rete. L'utilizzo di queste funzionalità riduce il numero di canali di frequenza necessari nella rete e potrebbe fornire fino al 70% in più di capacità di rete totale per canale. L'interferenza dovuta a disallineamento o distribuzione densa limita la formazione di backhaul in molte reti. Un'attenta pianificazione della rete, antenne avanzate, elaborazione del segnale e l'uso delle funzionalità ATPC a livello di rete ridurranno l'impatto delle interferenze.

Guardando al futuro, 5G e oltre
 

Tecnologia wireless mobile 5G CableFree

Negli anni a venire, gli strumenti di capacità delle microonde per le reti mobili 5G saranno evoluti e migliorati e utilizzati in combinazione consentendo capacità di 10 Gbps e oltre. Il costo totale di proprietà sarà ottimizzato per le comuni configurazioni ad alta capacità, come le soluzioni multi-vettore.

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