Backhaul de microondas para redes móviles 5G

 

Redes móviles 5G, backhaul por microondas y tendencias futuras en redes móviles

 

Red inalámbrica móvil 5G sin cables

Con la comunicación móvil 5G disponible alrededor de 2020, la industria ya ha comenzado a desarrollar una visión bastante clara de los principales desafíos, oportunidades y componentes tecnológicos clave que involucra. 5G ampliará el rendimiento y las capacidades de las redes de acceso inalámbrico en muchas dimensiones, por ejemplo, mejorando los servicios de banda ancha móvil para proporcionar velocidades de datos superiores a 10 Gbps con latencias de 1 ms.

El microondas es un elemento clave de las redes de backhaul actuales y seguirá evolucionando como parte del futuro ecosistema 5G. Una opción en 5G es utilizar la misma tecnología de acceso por radio para los enlaces de acceso y backhaul, con un intercambio dinámico de los recursos del espectro. Esto puede proporcionar un complemento al backhaul de microondas, especialmente en implementaciones muy densas con una mayor cantidad de nodos de radio pequeños.

Hoy en día, la transmisión por microondas domina el backhaul móvil, donde conecta alrededor del 60 por ciento de todas las estaciones base macro. Incluso a medida que crece el número total de conexiones, la cuota de mercado de microondas se mantendrá bastante constante. Para 2019, seguirá representando alrededor del 50 por ciento de todas las estaciones base (macro y pequeñas celdas al aire libre (ver Figura 3). Desempeñará un papel clave en el acceso de última milla y un papel complementario en la parte de agregación de la red. Al mismo tiempo, la transmisión de fibra seguirá aumentando su participación en el mercado de backhaul móvil, y para 2019 conectará alrededor del 40 por ciento de todos los sitios. La fibra se utilizará ampliamente en las partes de agregación / metro de las redes y cada vez más para el acceso de última milla También habrá diferencias geográficas, con áreas urbanas densamente pobladas que tendrán una mayor penetración de fibra que las áreas suburbanas y rurales menos pobladas, donde prevalecerá el microondas para enlaces de corto y largo alcance.

Eficiencia espectral
 

Torre inalámbrica de backhaul móvil 5G sin cables

La eficiencia del espectro (es decir, obtener más bits por Hz) se puede lograr mediante técnicas como la modulación de orden superior y la modulación adaptativa, la ganancia superior del sistema de una solución bien diseñada y MIMO (Entrada múltiple, salida múltiple).

De Sabor

El número máximo de símbolos por segundo transmitidos en una portadora de microondas está limitado por el ancho de banda del canal. La modulación de amplitud en cuadratura (QAM) aumenta la capacidad potencial al codificar bits en cada símbolo. Pasar de dos bits por símbolo (4 QAM) a 10 bits por símbolo (1024 QAM) ofrece un aumento de capacidad de más de cinco veces.

Los niveles de modulación de orden superior han sido posibles gracias a los avances en las tecnologías de componentes que han reducido el ruido generado por el equipo y la distorsión de la señal. En el futuro habrá soporte para hasta 4096 QAM (12 bits por símbolo), pero nos estamos acercando a los límites teóricos y prácticos. La modulación de orden superior significa una mayor sensibilidad al ruido y la distorsión de la señal. La sensibilidad del receptor se reduce en 3 dB por cada paso incrementado en la modulación, mientras que la ganancia de capacidad relacionada se reduce (en términos de porcentaje). Como ejemplo, la ganancia de capacidad es del 11 por ciento cuando se pasa de 512 QAM (9 bits por símbolo) a 1024 QAM (10 bits por símbolo).

Modulación adaptativa
 

Enlace de microondas sin cables instalado en una torre de telecomunicaciones

El aumento de la modulación hace que la radio sea más sensible a las anomalías de propagación, como la lluvia y el desvanecimiento por trayectos múltiples. Para mantener la longitud del salto de microondas, el aumento de la sensibilidad se puede compensar con una mayor potencia de salida y antenas más grandes. La modulación adaptativa es una solución muy rentable para maximizar el rendimiento en todas las condiciones de propagación. En la práctica, la modulación adaptativa es un requisito previo para el despliegue con una modulación extrema de alto orden.

La modulación adaptativa permite actualizar un salto de microondas existente, por ejemplo, de 114 Mbps a hasta 500 Mbps. La mayor capacidad viene con menor disponibilidad. Por ejemplo, la disponibilidad se reduce del 99.999 por ciento (interrupción anual de 5 minutos) a 114 Mbps al 99.99 por ciento del tiempo (interrupción anual de 50 minutos) a 238 Mbps. Ganancia del sistema La ganancia superior del sistema es un parámetro clave para microondas. Se puede usar una ganancia del sistema 6 dB más alta, por ejemplo, para aumentar dos pasos de modulación con la misma disponibilidad, lo que proporciona hasta un 30 por ciento más de capacidad. Alternativamente, podría usarse para aumentar la longitud del salto o disminuir el tamaño de la antena, o una combinación de todos. Los contribuyentes a la ganancia superior del sistema incluyen codificación de corrección de errores eficiente, bajos niveles de ruido del receptor, predistorsión digital para una operación de mayor potencia de salida y amplificadores de bajo consumo, entre otros.

Entrada múltiple MIMO, salida múltiple (MIMO)
MIMO es una tecnología madura que se usa ampliamente para aumentar la eficiencia espectral en el acceso de radio 3GPP y Wi-Fi, donde ofrece una forma rentable de aumentar la capacidad y el rendimiento donde el espectro disponible es limitado. Históricamente, la situación del espectro para las aplicaciones de microondas ha sido más relajada; se han puesto a disposición nuevas bandas de frecuencia y la tecnología se ha desarrollado continuamente para satisfacer los requisitos de capacidad. Sin embargo, en muchos países, los recursos de espectro restantes para aplicaciones de microondas están empezando a agotarse y se necesitan tecnologías adicionales para satisfacer los requisitos futuros. Para 5G Mobile Backhaul, MIMO en frecuencias de microondas es una tecnología emergente que ofrece una forma efectiva de aumentar aún más la eficiencia del espectro y, por lo tanto, la capacidad de transporte disponible.

A diferencia de los sistemas MIMO 'convencionales', que se basan en reflejos en el entorno, para el backhaul móvil 5G, los canales están 'diseñados' en sistemas MIMO de microondas punto a punto para un rendimiento óptimo. Esto se logra instalando las antenas con una separación espacial que depende de la distancia de salto y de la frecuencia. En principio, el rendimiento y la capacidad aumentan linealmente con el número de antenas (a expensas del costo de hardware adicional, por supuesto). Un sistema NxM MIMO se construye utilizando N transmisores y M receptores. En teoría, no hay límite para los valores N y M, pero dado que las antenas deben estar separadas espacialmente, existe una limitación práctica que depende de la altura de la torre y sus alrededores. Por esta razón, las antenas 2 × 2 es el tipo más factible de sistema MIMO. Estas antenas pueden ser de polarización simple (sistema de dos portadoras) o de polarización doble (sistema de cuatro portadoras). MIMO será una herramienta útil para escalar aún más la capacidad de microondas, pero aún se encuentra en una fase temprana en la que, por ejemplo, su estado regulatorio aún debe aclararse en la mayoría de los países, y sus modelos de propagación y planificación aún deben establecerse. La separación de la antena también puede ser un desafío, especialmente para frecuencias más bajas y longitudes de salto más largas.

Más espectro
Otra sección de la caja de herramientas de capacidad de microondas para 5G Mobile Backhaul implica obtener acceso a más espectro. Aquí, las bandas de ondas milimétricas, las bandas sin licencia de 60 GHz y la banda con licencia de 70/80 GHz, están ganando popularidad como una forma de obtener acceso a nuevo espectro en muchos mercados (consulte la sección Opciones de frecuencia de microondas para obtener más información). Estas bandas también ofrecen canales de frecuencia mucho más amplios, lo que facilita el despliegue de sistemas rentables de varios gigabits que permiten el retorno móvil 5G.

Eficiencia de rendimiento
La eficiencia del rendimiento (es decir, más datos de carga útil por bit) implica características como la compresión de encabezado multicapa y la agregación / vinculación de enlaces de radio, que se centran en el comportamiento de los flujos de paquetes.

Compresión de encabezado multicapa
La compresión de encabezados multicapa elimina información innecesaria de los encabezados de los marcos de datos y libera capacidad para fines de tráfico, como se muestra en la Figura 7. En la compresión, cada encabezado único se reemplaza con una identidad única en el lado de transmisión, un proceso que se invierte en el lado receptor. La compresión de encabezado proporciona una ganancia de utilización relativamente mayor para paquetes de tamaño de trama más pequeño, ya que sus encabezados comprenden una parte relativamente mayor del tamaño de trama total. Esto significa que la capacidad adicional resultante varía con la cantidad de encabezados y el tamaño de la trama, pero normalmente es una ganancia del 5 al 10 por ciento con Ethernet, IPv4 y WCDMA, con un tamaño de trama promedio de 400 a 600 bytes y una ganancia del 15 al 20 por ciento. con Ethernet, MPLS, IPv6 y LTE con el mismo tamaño medio de trama.

Estas cifras asumen que la compresión implementada puede soportar el número total de encabezados únicos que se transmiten. Además, la compresión del encabezado debe ser robusta y muy fácil de usar, por ejemplo, ofreciendo autoaprendizaje, configuración mínima e indicadores de rendimiento completos.

Agregación de enlaces de radio (RLA, Bonding)
La vinculación de enlaces de radio en microondas es similar a la agregación de portadoras en LTE y es una herramienta importante para respaldar el crecimiento continuo del tráfico, ya que una mayor proporción de saltos de microondas se implementa con múltiples portadoras, como se ilustra en la Figura 8. Ambas técnicas agregan múltiples portadoras de radio en una virtual, mejorando la capacidad máxima y aumentando el rendimiento efectivo a través de la ganancia de multiplexación estadística. Se logra casi el 100 por ciento de eficiencia, ya que cada paquete de datos puede usar la capacidad máxima agregada total con solo una pequeña reducción de la sobrecarga del protocolo, independientemente de los patrones de tráfico. La unión de enlace de radio está diseñada para proporcionar un rendimiento superior para la solución de transporte de microondas en particular en cuestión. Por ejemplo, puede admitir el comportamiento independiente de cada portadora de radio utilizando modulación adaptativa, así como una degradación elegante en caso de falla de una o más portadoras (protección N + 0).

Al igual que la agregación de portadoras, la vinculación de enlaces de radio seguirá desarrollándose para soportar mayores capacidades y combinaciones de portadoras más flexibles, por ejemplo, mediante el soporte para la agregación de más portadoras, portadoras con diferentes anchos de banda y portadoras en diferentes bandas de frecuencia.

Optimización de la red
La siguiente sección de la caja de herramientas de capacidad es la optimización de la red. Esto implica densificar redes sin la necesidad de canales de frecuencia adicionales a través de funciones de mitigación de interferencias como antenas de súper alto rendimiento (SHP) y control automático de potencia de transmisión (ATPC). Las antenas SHP suprimen eficazmente la interferencia a través de patrones de radiación de lóbulos laterales muy bajos, cumpliendo con la clase 4 de ETSI. ATPC permite que la potencia de transmisión se reduzca automáticamente durante condiciones de propagación favorables (es decir, la mayor parte del tiempo), reduciendo efectivamente la interferencia en la red. El uso de estas funciones reduce la cantidad de canales de frecuencia necesarios en la red y podría ofrecer hasta un 70 por ciento más de capacidad total de red por canal. La interferencia debida a una desalineación o una implementación densa está limitando el desarrollo de backhaul en muchas redes. La planificación cuidadosa de la red, las antenas avanzadas, el procesamiento de señales y el uso de funciones ATPC a nivel de red reducirán el impacto de la interferencia.

Mirando hacia el futuro, 5G y más allá
 

Tecnología inalámbrica móvil 5G sin cables

En los próximos años, las herramientas de capacidad de microondas para redes móviles 5G evolucionarán y mejorarán, y se utilizarán en combinación para habilitar capacidades de 10 Gbps y más. El costo total de propiedad se optimizará para configuraciones comunes de alta capacidad, como las soluciones de múltiples portadoras.

Deja un mensaje 

Lista de mensajes