適用於5G移動網絡的微波回程

 

5G移動網絡，微波回傳和移動網絡的未來趨勢

 

CableFree 5G移動無線網絡

隨著5年左右2020G移動通信的問世，業界已經開始對所涉及的主要挑戰，機遇和關鍵技術組成部分有了一個清晰的認識。 5G將在許多方面擴展無線接入網絡的性能和功能，例如增強移動寬帶服務，以提供超過10 Gbps的數據速率和1 ms的延遲。

微波是當前回傳網絡的關鍵要素，並將作為未來5G生態系統的一部分繼續發展。 5G的一種選擇是對接入和回程鏈路使用相同的無線電接入技術，並動態共享頻譜資源。 這可以為微波回程提供補充，尤其是在具有大量小型無線電節點的非常密集的部署中。

如今，微波傳輸在移動回程中佔據主導地位，它連接了所有宏基站的60％。 即使連接總數增加，微波的市場份額也將保持恆定。 到2019年，它仍將佔所有基站（宏和室外小型小區）的約50％（見圖3），它將在最後一英里接入中發揮關鍵作用，並在網絡的聚合部分中起到補充作用。同時，光纖傳輸將繼續增加其在移動回程市場中的份額，到2019年將連接約40％的站點，光纖將廣泛用於網絡的聚合/城域部分，並越來越多地用於最後一英里的訪問。還將存在地理差異，人口密集的城市地區的光纖普及率高於人口較少的郊區和農村地區，在短距離和長距離鏈路中，微波將占主導地位。

光譜效率
 

CableFree 5G移動回程無線塔

可以通過諸如高階調製和自適應調製，精心設計的解決方案的出色系統增益以及多輸入多輸出（MIMO）之類的技術來實現頻譜效率（即，每赫茲獲得更多比特）。

調製

微波載波上每秒傳輸的最大符號數受信道帶寬限制。 正交幅度調製（QAM）通過將位編碼到每個符號上來增加潛在的容量。 從每個符號4位（10 QAM）變為每個符號1024位（XNUMX QAM），容量增加了五倍以上。

通過降低設備產生的噪聲和信號失真的組件技術的發展，使高階調製電平成為可能。 將來將支持高達4096 QAM（每個符號12位），但我們正在接近理論和實踐的極限。 高階調製意味著對噪聲和信號失真的靈敏度提高。 調製的每增加一步，接收器靈敏度都會降低3 dB，而相關的容量增益會變小（以百分比表示）。 例如，當從11 QAM（每個符號512位）變為9 QAM（每個符號1024位）時，容量增益為10％。

自適應調製
 

安裝在電信塔上的CableFree微波鏈路

調製的增加使無線電對降雨和多徑衰落等傳播異常更加敏感。 為了保持微波跳長度，可以通過更高的輸出功率和更大的天線來補償增加的靈敏度。 自適應調製是一種非常經濟高效的解決方案，可以在所有傳播條件下最大化吞吐量。 實際上，自適應調製是部署極高階調製的先決條件。

自適應調製使現有的微波躍點從例如114 Mbps升級到高達500 Mbps。 容量越大，可用性越低。 例如，可用性從99.999 Mbps的5％（每年中斷114分鐘）降低到99.99 Mbps的時間（每年50分鐘中斷）的238％。 系統增益出色的系統增益是微波的關鍵參數。 例如，可以使用高6 dB的系統增益來增加具有相同可用性的兩個調製步驟，從而將容量提高多達30％。 可替代地，它可以用於增加跳段長度或減小天線尺寸，或全部組合。 出色的系統增益的貢獻者包括高效的糾錯編碼，較低的接收器噪聲水平，用於更高輸出功率工作的數字預失真以及功率高效的放大器等。

MIMO多輸入多輸出（MIMO）
MIMO是一項成熟的技術，已廣泛用於提高3GPP和Wi-Fi無線電接入中的頻譜效率，在可用頻譜有限的情況下，MIMO提供了一種經濟高效的方式來提高容量和吞吐量。 從歷史上看，微波應用的頻譜狀況更加寬鬆。 提供了新的頻段，並不斷開發技術以滿足容量要求。 然而，在許多國家，用於微波應用的剩餘頻譜資源開始枯竭，需要更多的技術來滿足未來的需求。 對於5G移動回程，微波頻率下的MIMO是一項新興技術，它為進一步提高頻譜效率以及可用的傳輸容量提供了有效的方法。

與基於環境反射的“常規” MIMO系統不同，對於5G移動回程，在點對點微波MIMO系統中對“通道”進行了“設計”以實現最佳性能。 這是通過安裝天線間距來實現的，該間距取決於跳距和頻率。 原則上，吞吐量和容量會隨著天線數量的增加而線性增加（當然會以額外的硬件成本為代價）。 使用N個發射機和M個接收機來構建NxM MIMO系統。 理論上，N和M值沒有限制，但是由於天線必須在空間上分開，因此實際的限制取決於塔的高度和周圍環境。 因此，2×2天線是MIMO系統中最可行的類型。 這些天線可以是單極化的（兩載波系統）或雙極化的（四載波系統）。 MIMO將是進一步擴展微波容量的有用工具，但仍處於早期階段，例如，在大多數國家/地區，仍然需要弄清其監管狀況，並且仍然需要建立其傳播和規劃模型。 天線分離也可能具有挑戰性，尤其是對於較低的頻率和較長的跳頻長度。

更多頻譜
5G移動回傳的微波容量工具箱的另一部分涉及獲得更多頻譜。 在這裡，毫米波頻段-未經許可的60 GHz頻段和許可的70/80 GHz頻段-越來越流行，作為在許多市場中獲得新頻譜的一種方式（有關更多信息，請參見“微波頻率選項”部分）。 這些頻段還提供了更寬的頻率信道，這有利於部署具有成本效益的多千兆位系統，從而支持5G移動回程。

吞吐效率
吞吐量效率（即每位更多的有效載荷數據）涉及多層報頭壓縮和無線鏈路聚合/綁定等功能，這些功能側重於數據包流的行為。

多層頭壓縮
多層報頭壓縮從數據幀的報頭中刪除了不必要的信息，並釋放了用於流量目的的容量，如圖7所示。在壓縮時，每個唯一的報頭在發送端被唯一的標識替換，這一過程被逆轉在接收方。 報頭壓縮為較小幀大小的數據包提供了相對較高的利用率，因為它們的報頭佔總幀大小的相對較大部分。 這意味著所產生的額外容量隨報頭數量和幀大小而變化，但通常在以太網，IPv5和WCDMA上增加10–4％，平均幀大小為400–600字節，而增加15–20％具有相同的平均幀大小的以太網，MPLS，IPv6和LTE。

這些圖假定實現的壓縮可以支持所傳輸的唯一標頭的總數。 另外，報頭壓縮應該是健壯的並且使用非常簡單，例如提供自學習，最少的配置和全面的性能指標。

無線電鏈路聚合（RLA，綁定）
微波中的無線電鏈路綁定類似於LTE中的載波聚合，並且是支持流量持續增長的重要工具，因為微波跳數的較高份額部署了多個載波，如圖8所示。這兩種技術都將多個無線電載波聚合為一個虛擬，因此既可以提高峰值容量，又可以通過統計復用增益來提高有效吞吐量。 由於每個數據包都可以使用總的聚合峰值容量，而與通信量模式無關，協議開銷只有很小的減少，因此可以達到近100％的效率。 無線電鏈路綁定經過定制，可為有關的特定微波傳輸解決方案提供卓越的性能。 例如，它可以使用自適應調製來支持每個無線電載波的獨立行為，以及在一個或多個載波發生故障的情況下的適度降級（N + 0保護）。

就像載波聚合一樣，無線鏈路綁定將繼續發展以支持更高的容量和更靈活的載波組合，例如通過支持更多載波，具有不同帶寬的載波以及不同頻帶中的載波的聚合。

網絡優化
容量工具箱的下一部分是網絡優化。 這涉及通過諸如超高性能（SHP）天線和自動發射功率控制（ATPC）之類的干擾緩解功能來增強網絡，而無需額外的頻道。 SHP天線通過非常低的旁瓣輻射方向圖有效地抑制了乾擾，達到ETSI 4級。ATPC使在有利的傳播條件下（即，大部分時間）自動降低發射功率，從而有效地減少了網絡中的干擾。 使用這些功能可以減少網絡中所需的頻道數量，並且可以使每個頻道的總網絡容量增加多達70％。 由於未對准或密集部署而造成的干擾限制了許多網絡中的回程擴展。 仔細的網絡規劃，高級天線，信號處理以及在網絡級別使用ATPC功能將減少干擾帶來的影響。

展望未來，5G及以後
 

CableFree 5G移動無線技術

在未來幾年中，用於5G移動網絡的微波容量工具將得到發展和增強，並將結合使用，從而實現10 Gbps甚至更高的容量。 總擁有成本將針對常見的大容量配置（例如多載波解決方案）進行優化。

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