Backhaul de microondas para redes móveis 5G

 

Redes 5G móveis, backhaul de microondas e tendências futuras em redes móveis

 

Rede sem fio móvel 5G sem cabos

Com a comunicação móvel 5G sendo disponibilizada por volta de 2020, a indústria já começou a desenvolver uma visão bastante clara dos principais desafios, oportunidades e componentes de tecnologia chave que ela envolve. O 5G estenderá o desempenho e as capacidades das redes de acesso sem fio em muitas dimensões, por exemplo, aprimorando os serviços de banda larga móvel para fornecer taxas de dados além de 10 Gbps com latências de 1 ms.

Microondas é um elemento-chave das redes backhaul atuais e continuará a evoluir como parte do futuro ecossistema 5G. Uma opção no 5G é usar a mesma tecnologia de acesso de rádio para os links de acesso e backhaul, com compartilhamento dinâmico dos recursos de espectro. Isso pode fornecer um complemento ao backhaul de micro-ondas, especialmente em implantações muito densas com um grande número de pequenos nós de rádio.

Hoje, a transmissão por microondas domina o backhaul móvel, onde conecta cerca de 60 por cento de todas as estações base macro. Mesmo com o aumento do número total de conexões, a participação de microondas no mercado permanecerá razoavelmente constante. Em 2019, ele ainda representará cerca de 50 por cento de todas as estações base (macro e pequenas células externas (consulte a Figura 3). Ele terá um papel fundamental no acesso de última milha e um papel complementar na parte de agregação da rede. ao mesmo tempo, a transmissão de fibra continuará a aumentar sua participação no mercado de backhaul móvel e, em 2019, conectará cerca de 40 por cento de todos os locais. A fibra será amplamente utilizada nas partes agregadas / metropolitanas das redes e, cada vez mais, para acesso de última milha Haverá também diferenças geográficas, com áreas urbanas densamente povoadas tendo maior penetração de fibra do que áreas suburbanas e rurais menos povoadas, onde as microondas prevalecerão para ligações de curta e longa distância.

Eficiência espectral
 

Torre sem fio de backhaul móvel 5G sem cabos

A eficiência do espectro (ou seja, obter mais bits por Hz) pode ser alcançada por meio de técnicas como modulação de ordem superior e modulação adaptativa, o ganho de sistema superior de uma solução bem projetada e Multiple Input, Multiple Output (MIMO).

Modulação

O número máximo de símbolos por segundo transmitidos em uma portadora de microondas é limitado pela largura de banda do canal. A modulação de amplitude de quadratura (QAM) aumenta a capacidade potencial codificando bits em cada símbolo. Mover de dois bits por símbolo (4 QAM) para 10 bits por símbolo (1024 QAM) oferece um aumento de capacidade de mais de cinco vezes.

Os níveis de modulação de ordem superior foram possíveis por meio de avanços nas tecnologias de componentes que reduziram o ruído gerado pelo equipamento e a distorção do sinal. No futuro haverá suporte para até 4096 QAM (12 bits por símbolo), mas estamos nos aproximando dos limites teóricos e práticos. A modulação de ordem superior significa maior sensibilidade ao ruído e distorção do sinal. A sensibilidade do receptor é reduzida em 3 dB para cada passo aumentado na modulação, enquanto o ganho de capacidade relacionado fica menor (em termos percentuais). Como exemplo, o ganho de capacidade é de 11 por cento ao passar de 512 QAM (9 bits por símbolo) para 1024 QAM (10 bits por símbolo).

Modulação adaptativa
 

CableFree Microwave Link instalado em uma torre de telecomunicações

O aumento da modulação torna o rádio mais sensível a anomalias de propagação, como chuva e desvanecimento de múltiplos caminhos. Para manter o comprimento do salto de microondas, o aumento da sensibilidade pode ser compensado por uma maior potência de saída e antenas maiores. A modulação adaptativa é uma solução muito econômica para maximizar o rendimento em todas as condições de propagação. Na prática, a modulação adaptativa é um pré-requisito para implantação com modulação de ordem extremamente alta.

A modulação adaptativa permite que um salto de micro-ondas existente seja atualizado de, por exemplo, 114 Mbps para até 500 Mbps. Quanto maior a capacidade, menor a disponibilidade. Por exemplo, a disponibilidade é reduzida de 99.999 por cento (interrupção anual de 5 minutos) a 114 Mbps para 99.99% do tempo (interrupção anual de 50 minutos) a 238 Mbps. Ganho do sistema O ganho superior do sistema é um parâmetro chave para micro-ondas. Um ganho de sistema 6 dB maior pode ser usado, por exemplo, para aumentar duas etapas de modulação com a mesma disponibilidade, o que fornece até 30% mais capacidade. Alternativamente, pode ser usado para aumentar o comprimento do salto ou diminuir o tamanho da antena, ou uma combinação de todos. Contribuintes para ganho de sistema superior incluem codificação de correção de erro eficiente, baixos níveis de ruído do receptor, pré-distorção digital para operação de maior potência de saída e amplificadores com eficiência de energia, entre outros.

MIMO Múltiplas Entradas, Múltiplas Saídas (MIMO)
MIMO é uma tecnologia madura amplamente usada para aumentar a eficiência espectral em 3GPP e acesso de rádio Wi-Fi, onde oferece uma maneira econômica de aumentar a capacidade e o rendimento onde o espectro disponível é limitado. Historicamente, a situação do espectro para aplicações de microondas tem sido mais relaxada; novas bandas de frequência foram disponibilizadas e a tecnologia tem sido continuamente desenvolvida para atender aos requisitos de capacidade. No entanto, em muitos países, os recursos de espectro restantes para aplicações de microondas estão começando a se esgotar e tecnologias adicionais são necessárias para atender aos requisitos futuros. Para o 5G Mobile Backhaul, o MIMO em frequências de micro-ondas é uma tecnologia emergente que oferece uma maneira eficaz de aumentar ainda mais a eficiência do espectro e, portanto, a capacidade de transporte disponível.

Ao contrário dos sistemas MIMO 'convencionais', que são baseados em reflexos no ambiente, para o Backhaul móvel 5G, os canais são 'projetados' em sistemas MIMO de micro-ondas ponto a ponto para um desempenho ideal. Isso é obtido instalando-se as antenas com uma separação espacial dependente da distância do salto e da frequência. Em princípio, o rendimento e a capacidade aumentam linearmente com o número de antenas (às custas do custo de hardware adicional, é claro). Um sistema NxM MIMO é construído usando transmissores N e receptores M. Teoricamente, não há limite para os valores N e M, mas como as antenas devem ser separadas espacialmente, há uma limitação prática dependendo da altura da torre e dos arredores. Por esta razão, as antenas 2 × 2 são o tipo mais viável de sistema MIMO. Essas antenas podem ser de polarização simples (sistema de duas portadoras) ou polarizadas de dupla (sistema de quatro portadoras). O MIMO será uma ferramenta útil para aumentar a capacidade de microondas, mas ainda está em uma fase inicial, onde, por exemplo, seu status regulatório ainda precisa ser esclarecido na maioria dos países e seus modelos de propagação e planejamento ainda precisam ser estabelecidos. A separação da antena também pode ser um desafio, especialmente para frequências mais baixas e comprimentos de salto mais longos.

Mais Espectro
Outra seção da caixa de ferramentas de capacidade de microondas para 5G Mobile Backhaul envolve obter acesso a mais espectro. Aqui, as bandas de ondas milimétricas - as bandas não licenciadas de 60 GHz e a banda licenciada de 70/80 GHz - estão crescendo em popularidade como forma de obter acesso a um novo espectro em muitos mercados (consulte a seção Opções de frequência de micro-ondas para obter mais informações). Essas bandas também oferecem canais de frequência muito mais amplos, o que facilita a implantação de sistemas multi-gigabit econômicos que permitem o backhaul móvel 5G.

Eficiência de transferência
A eficiência do throughput (ou seja, mais dados de carga útil por bit) envolve recursos como compactação de cabeçalho de várias camadas e agregação / ligação de link de rádio, que se concentram no comportamento dos fluxos de pacotes.

Compressão de cabeçalho multi-camada
A compactação de cabeçalho multicamadas remove informações desnecessárias dos cabeçalhos dos quadros de dados e libera capacidade para fins de tráfego, conforme mostrado na Figura 7. Na compactação, cada cabeçalho exclusivo é substituído por uma identidade exclusiva no lado da transmissão, um processo que é revertido no lado receptor. A compressão de cabeçalho fornece ganho de utilização relativamente maior para pacotes de tamanho de quadro menor, uma vez que seus cabeçalhos compreendem uma parte relativamente maior do tamanho total do quadro. Isso significa que a capacidade extra resultante varia com o número de cabeçalhos e tamanho do quadro, mas é normalmente um ganho de 5 a 10 por cento com Ethernet, IPv4 e WCDMA, com um tamanho médio de quadro de 400 a 600 bytes e um ganho de 15 a 20 por cento com Ethernet, MPLS, IPv6 e LTE com o mesmo tamanho médio de frame.

Esses números presumem que a compactação implementada pode suportar o número total de cabeçalhos exclusivos que são transmitidos. Além disso, a compressão do cabeçalho deve ser robusta e muito simples de usar, por exemplo, oferecendo autoaprendizagem, configuração mínima e indicadores de desempenho abrangentes.

Agregação de link de rádio (RLA, Bonding)
A ligação de link de rádio em microondas é semelhante à agregação de portadora em LTE e é uma ferramenta importante para dar suporte ao crescimento contínuo do tráfego, já que uma parcela maior de saltos de microondas é implantada com várias portadoras, conforme ilustrado na Figura 8. Ambas as técnicas agregam várias portadoras de rádio em uma virtual, melhorando a capacidade de pico e também aumentando a taxa de transferência efetiva por meio do ganho de multiplexação estatística. Quase 100 por cento de eficiência é alcançada, uma vez que cada pacote de dados pode usar a capacidade de pico agregada total com apenas uma pequena redução para sobrecarga de protocolo, independente dos padrões de tráfego. A ligação de link de rádio é adaptada para fornecer desempenho superior para a solução de transporte de microondas em questão. Por exemplo, pode suportar comportamento independente de cada portadora de rádio usando modulação adaptativa, bem como degradação normal em caso de falha de uma ou mais portadoras (proteção N + 0).

Assim como a agregação de portadoras, a ligação de link de rádio continuará a ser desenvolvida para suportar capacidades mais altas e combinações de portadoras mais flexíveis, por exemplo, por meio do suporte para agregação de mais portadoras, portadoras com larguras de banda diferentes e portadoras em bandas de frequência diferentes.

Otimização de rede
A próxima seção da caixa de ferramentas de capacidade é a otimização da rede. Isso envolve a densificação de redes sem a necessidade de canais de frequência extras por meio de recursos de mitigação de interferência, como antenas de alto desempenho (SHP) e controle automático de potência de transmissão (ATPC). As antenas SHP suprimem efetivamente a interferência por meio de padrões de radiação de lóbulo lateral muito baixos, atendendo à classe ETSI 4. O ATPC permite que a potência de transmissão seja reduzida automaticamente durante condições de propagação favoráveis ​​(isto é, na maioria das vezes), reduzindo efetivamente a interferência na rede. O uso desses recursos reduz o número de canais de frequência necessários na rede e pode fornecer até 70% a mais da capacidade total da rede por canal. A interferência devido ao desalinhamento ou implantação densa está limitando o backhaul build-out em muitas redes. O planejamento cuidadoso da rede, antenas avançadas, processamento de sinal e o uso de recursos ATPC em um nível de rede reduzirão o impacto da interferência.

Olhando para o futuro, 5G e mais além
 

Tecnologia sem fio móvel 5G sem fio CableFree

Nos próximos anos, as ferramentas de capacidade de microondas para redes móveis 5G serão desenvolvidas e aprimoradas, e serão usadas em combinação, permitindo capacidades de 10 Gbps e além. O custo total de propriedade será otimizado para configurações comuns de alta capacidade, como soluções de múltiplas operadoras.

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