ไมโครเวฟ Backhaul สำหรับเครือข่ายมือถือ 5G

 

เครือข่ายมือถือ 5G ไมโครเวฟ Backhaul และแนวโน้มในอนาคตของเครือข่ายมือถือ

 

เคเบิ้ลฟรีเครือข่ายไร้สายมือถือ 5G

ด้วยการสื่อสารผ่านมือถือ 5G พร้อมใช้งานในปี 2020 อุตสาหกรรมได้เริ่มพัฒนามุมมองที่ค่อนข้างชัดเจนเกี่ยวกับความท้าทายโอกาสและองค์ประกอบเทคโนโลยีที่สำคัญที่เกี่ยวข้อง 5G จะขยายประสิทธิภาพและขีดความสามารถของเครือข่ายการเข้าถึงแบบไร้สายในหลายมิติตัวอย่างเช่นการปรับปรุงบริการบรอดแบนด์มือถือเพื่อให้อัตราข้อมูลที่สูงกว่า 10 Gbps โดยมีเวลาแฝง 1 มิลลิวินาที

ไมโครเวฟเป็นองค์ประกอบหลักของเครือข่าย backhaul ในปัจจุบันและจะพัฒนาต่อไปโดยเป็นส่วนหนึ่งของระบบนิเวศ 5G ในอนาคต ตัวเลือกใน 5G คือการใช้เทคโนโลยีการเข้าถึงวิทยุเดียวกันสำหรับทั้งการเข้าถึงและลิงก์ backhaul โดยมีการแบ่งปันทรัพยากรคลื่นความถี่แบบไดนามิก สิ่งนี้สามารถเป็นส่วนเสริมของไมโครเวฟ backhaul โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่หนาแน่นมากพร้อมกับโหนดวิทยุขนาดเล็กจำนวนมาก

ปัจจุบันการส่งผ่านคลื่นไมโครเวฟมีอิทธิพลเหนือแบ็คฮอลมือถือซึ่งเชื่อมต่อราว 60 เปอร์เซ็นต์ของสถานีฐานมาโครทั้งหมด แม้ว่าจำนวนการเชื่อมต่อทั้งหมดจะเพิ่มขึ้น แต่ส่วนแบ่งการตลาดของไมโครเวฟก็ยังคงค่อนข้างคงที่ ภายในปี 2019 จะยังคงมีสัดส่วนราว 50 เปอร์เซ็นต์ของสถานีฐานทั้งหมด (มาโครและเซลล์ขนาดเล็กภายนอกอาคาร (ดูรูปที่ 3) โดยจะมีบทบาทสำคัญในการเข้าถึงระยะสุดท้ายและมีบทบาทเสริมในส่วนการรวมของเครือข่ายที่ ในขณะเดียวกันการส่งผ่านไฟเบอร์จะยังคงเพิ่มส่วนแบ่งในตลาดแบ็คโฮลมือถือและภายในปี 2019 จะเชื่อมต่อประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ของไซต์ทั้งหมดไฟเบอร์จะถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในส่วนการรวม / เมโทรของเครือข่ายและเพิ่มขึ้นสำหรับการเข้าถึงระยะสุดท้าย นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างทางภูมิศาสตร์ด้วยโดยพื้นที่ในเมืองที่มีประชากรหนาแน่นจะมีการแทรกซึมของเส้นใยสูงกว่าพื้นที่ชานเมืองและชนบทที่มีประชากรน้อยซึ่งไมโครเวฟจะมีผลเหนือกว่าสำหรับการเชื่อมโยงทั้งระยะสั้นและระยะไกล

ประสิทธิภาพของสเปกตรัม
 

เคเบิลฟรี 5G Mobile Backhaul Wireless Tower

ประสิทธิภาพของสเปกตรัม (นั่นคือการได้รับบิตต่อเฮิรตซ์มากขึ้น) สามารถทำได้โดยใช้เทคนิคต่างๆเช่นการมอดูเลตลำดับที่สูงขึ้นและการมอดูเลตแบบปรับตัวการได้รับของระบบที่เหนือกว่าของโซลูชันที่ออกแบบมาอย่างดีและการป้อนข้อมูลหลายรายการ (MIMO)

การปรับ

จำนวนสัญลักษณ์สูงสุดต่อวินาทีที่ส่งบนตัวส่งสัญญาณไมโครเวฟถูก จำกัด ด้วยแบนด์วิดท์ของช่องสัญญาณ Quadrature Amplitude Modulation (QAM) เพิ่มขีดความสามารถโดยการเข้ารหัสบิตบนสัญลักษณ์แต่ละตัว การย้ายจากสองบิตต่อสัญลักษณ์ (4 QAM) เป็น 10 บิตต่อสัญลักษณ์ (1024 QAM) จะเพิ่มความจุมากกว่าห้าเท่า

ระดับการมอดูเลตลำดับที่สูงขึ้นเกิดขึ้นได้ผ่านความก้าวหน้าในเทคโนโลยีส่วนประกอบที่ลดสัญญาณรบกวนและความผิดเพี้ยนของสัญญาณที่สร้างขึ้นจากอุปกรณ์ ในอนาคตจะรองรับได้ถึง 4096 QAM (12 บิตต่อสัญลักษณ์) แต่เรากำลังใกล้ถึงขีด จำกัด ทางทฤษฎีและทางปฏิบัติ การมอดูเลตลำดับที่สูงขึ้นหมายถึงความไวต่อสัญญาณรบกวนและความผิดเพี้ยนของสัญญาณที่เพิ่มขึ้น ความไวของตัวรับจะลดลง 3 dB สำหรับทุกขั้นตอนที่เพิ่มขึ้นในการมอดูเลตในขณะที่กำลังการผลิตที่เกี่ยวข้องจะน้อยลง (ในรูปเปอร์เซ็นต์) ตัวอย่างเช่นความจุที่เพิ่มขึ้นคือ 11 เปอร์เซ็นต์เมื่อย้ายจาก 512 QAM (9 บิตต่อสัญลักษณ์) เป็น 1024 QAM (10 บิตต่อสัญลักษณ์)

การมอดูเลตแบบปรับได้
 

CableFree Microwave Link ติดตั้งบนเสาโทรคมนาคม

การมอดูเลตที่เพิ่มขึ้นทำให้วิทยุมีความไวต่อความผิดปกติของการแพร่กระจายมากขึ้นเช่นฝนตกและการซีดจางแบบหลายเส้นทาง เพื่อรักษาความยาวของเตาไมโครเวฟความไวที่เพิ่มขึ้นสามารถชดเชยได้ด้วยกำลังขับที่สูงขึ้นและเสาอากาศที่ใหญ่ขึ้น การมอดูเลตแบบปรับได้เป็นโซลูชันที่คุ้มค่ามากในการเพิ่มปริมาณงานสูงสุดในทุกสภาวะการแพร่กระจาย ในทางปฏิบัติการมอดูเลตแบบปรับได้เป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการปรับใช้ที่มีการมอดูเลตลำดับสูงมาก

การมอดูเลตแบบปรับอัตโนมัติช่วยให้สามารถอัพเกรดฮอปไมโครเวฟที่มีอยู่ได้เช่น 114 Mbps เป็นมากถึง 500 Mbps ความจุที่สูงขึ้นมาพร้อมกับความพร้อมใช้งานที่ลดลง ตัวอย่างเช่นความพร้อมใช้งานจะลดลงจาก 99.999 เปอร์เซ็นต์ (ไฟดับรายปี 5 นาที) ที่ 114 Mbps เป็น 99.99 เปอร์เซ็นต์ของเวลา (ไฟดับ 50 นาทีต่อปี) ที่ 238 Mbps การได้รับของระบบการเพิ่มของระบบที่เหนือกว่าเป็นตัวแปรสำคัญสำหรับไมโครเวฟ สามารถใช้อัตราขยายของระบบที่สูงขึ้น 6 dB เพื่อเพิ่มขั้นตอนการมอดูเลตสองขั้นตอนที่มีความพร้อมใช้งานเท่ากันซึ่งให้ความจุมากขึ้นถึง 30 เปอร์เซ็นต์ อีกวิธีหนึ่งอาจใช้เพื่อเพิ่มความยาวกระโดดหรือลดขนาดเสาอากาศหรือรวมกันทั้งหมด ผู้มีส่วนช่วยในการได้รับระบบที่เหนือกว่า ได้แก่ การเข้ารหัสการแก้ไขข้อผิดพลาดที่มีประสิทธิภาพระดับเสียงของตัวรับสัญญาณที่ต่ำการเบี่ยงเบนทางดิจิทัลสำหรับการทำงานของกำลังเอาต์พุตที่สูงขึ้น

MIMO อินพุตหลายอินพุตเอาต์พุตหลายตัว (MIMO)
MIMO เป็นเทคโนโลยีสำหรับผู้ใหญ่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของสเปกตรัมในการเข้าถึงวิทยุ 3GPP และ Wi-Fi ซึ่งเป็นวิธีที่คุ้มค่าในการเพิ่มความจุและปริมาณงานในกรณีที่สเปกตรัมมี จำกัด ในอดีตสถานการณ์สเปกตรัมสำหรับการใช้งานไมโครเวฟผ่อนคลายมากขึ้น มีการจัดทำคลื่นความถี่ใหม่และเทคโนโลยีได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองความต้องการด้านความจุ อย่างไรก็ตามในหลายประเทศทรัพยากรคลื่นความถี่ที่เหลือสำหรับการใช้งานไมโครเวฟเริ่มหมดลงและจำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีเพิ่มเติมเพื่อตอบสนองความต้องการในอนาคต สำหรับ 5G Mobile Backhaul MIMO ที่ความถี่ไมโครเวฟเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่นำเสนอวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพคลื่นความถี่และความสามารถในการขนส่งที่มีอยู่

ซึ่งแตกต่างจากระบบ MIMO 'ทั่วไป' ซึ่งขึ้นอยู่กับการสะท้อนในสภาพแวดล้อมสำหรับ 5G Mobile Backhaul ช่องสัญญาณจะถูก 'ออกแบบ' ในระบบ MIMO ไมโครเวฟแบบจุดต่อจุดเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด ทำได้โดยการติดตั้งเสาอากาศที่มีการแยกเชิงพื้นที่ซึ่งขึ้นอยู่กับระยะห่างและความถี่ โดยหลักการแล้วปริมาณงานและความจุจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนเสาอากาศในเชิงเส้น (แน่นอนว่าต้องเสียค่าฮาร์ดแวร์เพิ่มเติม) ระบบ NxM MIMO สร้างขึ้นโดยใช้เครื่องส่งสัญญาณ N และเครื่องรับ M ในทางทฤษฎีไม่มีข้อ จำกัด สำหรับค่า N และ M แต่เนื่องจากเสาอากาศต้องแยกออกจากกันจึงมีข้อ จำกัด ในทางปฏิบัติขึ้นอยู่กับความสูงและสภาพแวดล้อมของหอคอย ด้วยเหตุนี้เสาอากาศ 2 × 2 จึงเป็นระบบ MIMO ที่เป็นไปได้มากที่สุด เสาอากาศเหล่านี้อาจเป็นแบบโพลาไรซ์เดียว (ระบบพาหะสองระบบ) หรือโพลาไรซ์คู่ (ระบบพาหะสี่ตัว) MIMO จะเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ในการปรับขนาดความจุไมโครเวฟต่อไป แต่ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นที่ตัวอย่างเช่นสถานะการกำกับดูแลยังคงต้องได้รับการชี้แจงในประเทศส่วนใหญ่และยังต้องมีการกำหนดรูปแบบการขยายพันธุ์และการวางแผน การแยกเสาอากาศอาจเป็นเรื่องที่ท้าทายโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับความถี่ต่ำและความยาวของการกระโดดที่ยาวขึ้น

สเปกตรัมเพิ่มเติม
อีกส่วนหนึ่งของกล่องเครื่องมือความจุไมโครเวฟสำหรับ 5G Mobile Backhaul เกี่ยวข้องกับการเข้าถึงคลื่นความถี่มากขึ้น แถบคลื่นมิลลิเมตรซึ่ง ได้แก่ แถบความถี่ 60 GHz ที่ไม่มีใบอนุญาตและแถบความถี่ 70/80 GHz ที่ได้รับอนุญาตกำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากเป็นวิธีการเข้าถึงคลื่นความถี่ใหม่ในหลาย ๆ ตลาด (ดูส่วนตัวเลือกความถี่ไมโครเวฟสำหรับข้อมูลเพิ่มเติม) แถบเหล่านี้ยังมีช่องความถี่ที่กว้างขึ้นซึ่งอำนวยความสะดวกในการใช้งานระบบมัลติกิกะบิตที่ประหยัดต้นทุนซึ่งเปิดใช้งาน 5G Mobile Backhaul

ประสิทธิภาพการรับส่งข้อมูล
ประสิทธิภาพในการรับส่งข้อมูล (นั่นคือข้อมูลน้ำหนักบรรทุกต่อบิตที่มากขึ้น) เกี่ยวข้องกับคุณลักษณะต่างๆเช่นการบีบอัดส่วนหัวหลายชั้นและการรวม / การเชื่อมโยงวิทยุซึ่งมุ่งเน้นไปที่พฤติกรรมของสตรีมแพ็กเก็ต

การบีบอัดส่วนหัวหลายชั้น
การบีบอัดส่วนหัวแบบหลายชั้นจะลบข้อมูลที่ไม่จำเป็นออกจากส่วนหัวของเฟรมข้อมูลและเผยแพร่ความจุเพื่อวัตถุประสงค์ในการรับส่งข้อมูลดังแสดงในรูปที่ 7 ในการบีบอัดส่วนหัวที่ไม่ซ้ำกันแต่ละส่วนจะถูกแทนที่ด้วยเอกลักษณ์เฉพาะที่ด้านการส่งซึ่งเป็นกระบวนการที่ย้อนกลับ ด้านรับ การบีบอัดส่วนหัวให้อัตราการใช้ประโยชน์ที่ค่อนข้างสูงกว่าสำหรับแพ็กเก็ตที่มีขนาดเฟรมที่เล็กกว่าเนื่องจากส่วนหัวประกอบด้วยส่วนที่ค่อนข้างใหญ่กว่าของขนาดเฟรมทั้งหมด ซึ่งหมายความว่าความจุเพิ่มเติมที่ได้จะแตกต่างกันไปตามจำนวนส่วนหัวและขนาดเฟรม แต่โดยทั่วไปแล้วจะได้รับ 5–10 เปอร์เซ็นต์เมื่อใช้อีเทอร์เน็ต IPv4 และ WCDMA โดยมีขนาดเฟรมเฉลี่ย 400–600 ไบต์และได้รับ 15–20 เปอร์เซ็นต์ ด้วย Ethernet, MPLS, IPv6 และ LTE ที่มีขนาดเฟรมเฉลี่ยเท่ากัน

ตัวเลขเหล่านี้ถือว่าการบีบอัดที่นำมาใช้สามารถรองรับจำนวนส่วนหัวที่ไม่ซ้ำกันทั้งหมดที่ถูกส่ง นอกจากนี้การบีบอัดส่วนหัวควรมีประสิทธิภาพและใช้งานง่ายมากเช่นนำเสนอการเรียนรู้ด้วยตนเองการกำหนดค่าขั้นต่ำและตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพที่ครอบคลุม

Radio Link Aggregation (RLA, พันธะ)
การเชื่อมลิงก์วิทยุในไมโครเวฟนั้นคล้ายกับการรวมตัวของผู้ให้บริการใน LTE และเป็นเครื่องมือสำคัญในการสนับสนุนการเติบโตของปริมาณการใช้งานอย่างต่อเนื่องเนื่องจากมีการติดตั้งเตาไมโครเวฟจำนวนมากขึ้นกับผู้ให้บริการหลายรายดังแสดงในรูปที่ 8 เทคนิคทั้งสองรวมผู้ให้บริการวิทยุหลายรายเข้าด้วยกัน เสมือนหนึ่งดังนั้นทั้งการเพิ่มขีดความสามารถสูงสุดและการเพิ่มทรูพุตที่มีประสิทธิภาพผ่านการเพิ่มมัลติเพล็กซ์ทางสถิติ มีประสิทธิภาพเกือบ 100 เปอร์เซ็นต์เนื่องจากแต่ละแพ็กเก็ตข้อมูลสามารถใช้ความจุสูงสุดรวมโดยลดลงเพียงเล็กน้อยสำหรับค่าโสหุ้ยของโปรโตคอลโดยไม่ขึ้นกับรูปแบบการรับส่งข้อมูล การเชื่อมลิงค์วิทยุได้รับการปรับแต่งเพื่อให้มีประสิทธิภาพที่เหนือกว่าสำหรับโซลูชันการขนส่งไมโครเวฟโดยเฉพาะที่เกี่ยวข้อง ตัวอย่างเช่นอาจสนับสนุนพฤติกรรมที่เป็นอิสระของผู้ให้บริการวิทยุแต่ละรายโดยใช้การมอดูเลตแบบปรับได้เช่นเดียวกับการย่อยสลายอย่างสง่างามในกรณีที่ผู้ให้บริการหนึ่งรายหรือหลายรายล้มเหลว (การป้องกัน N + 0)

เช่นเดียวกับการรวมตัวของผู้ให้บริการการเชื่อมโยงวิทยุจะยังคงได้รับการพัฒนาเพื่อรองรับความจุที่สูงขึ้นและการรวมผู้ให้บริการที่ยืดหยุ่นมากขึ้นตัวอย่างเช่นผ่านการสนับสนุนการรวมผู้ให้บริการมากขึ้นผู้ให้บริการที่มีแบนด์วิดท์และผู้ให้บริการที่แตกต่างกันในย่านความถี่ต่างๆ

การเพิ่มประสิทธิภาพเครือข่าย
ส่วนถัดไปของกล่องเครื่องมือความจุคือการเพิ่มประสิทธิภาพเครือข่าย สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการทำให้เครือข่ายหนาแน่นขึ้นโดยไม่ต้องใช้ช่องความถี่เพิ่มเติมผ่านคุณสมบัติการลดสัญญาณรบกวนเช่นเสาอากาศประสิทธิภาพสูงพิเศษ (SHP) และการควบคุมกำลังส่งอัตโนมัติ (ATPC) เสาอากาศ SHP ระงับสัญญาณรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านรูปแบบการแผ่รังสีไซด์โบเบที่ต่ำมากซึ่งเป็นไปตาม ETSI คลาส 4 ATPC ช่วยให้กำลังส่งลดลงโดยอัตโนมัติในระหว่างสภาวะการแพร่กระจายที่ดี (นั่นคือโดยส่วนใหญ่) ช่วยลดการรบกวนในเครือข่ายได้อย่างมีประสิทธิภาพ การใช้คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยลดจำนวนช่องความถี่ที่จำเป็นในเครือข่ายและสามารถเพิ่มความจุเครือข่ายทั้งหมดได้มากขึ้นถึง 70 เปอร์เซ็นต์ต่อช่องสัญญาณ การรบกวนเนื่องจากการวางแนวไม่ตรงหรือการใช้งานที่หนาแน่นกำลัง จำกัด การสร้าง backhaul ในหลาย ๆ เครือข่าย การวางแผนเครือข่ายอย่างรอบคอบเสาอากาศขั้นสูงการประมวลผลสัญญาณและการใช้คุณสมบัติ ATPC ในระดับเครือข่ายจะช่วยลดผลกระทบจากสัญญาณรบกวน

มองไปสู่อนาคต 5G และอื่น ๆ
 

เคเบิลฟรีเทคโนโลยีไร้สายมือถือ 5G

ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าเครื่องมือความจุไมโครเวฟสำหรับเครือข่ายมือถือ 5G จะได้รับการพัฒนาและปรับปรุงและใช้ร่วมกันทำให้ความจุ 10 Gbps ขึ้นไป ต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของจะได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการกำหนดค่าความจุสูงทั่วไปเช่นโซลูชันผู้ให้บริการหลายราย

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ