5Gモバイルネットワーク用のマイクロ波バックホール

 

5Gモバイルネットワーク、マイクロ波バックホール、およびモバイルネットワークの将来のトレンド

 

CableFree5Gモバイルワイヤレスネットワーク

5年頃に2020Gモバイル通信が利用可能になると、業界はすでに、主要な課題、機会、および関連する主要なテクノロジーコンポーネントについてかなり明確な見解を示し始めています。 5Gは、ワイヤレスアクセスネットワークのパフォーマンスと機能をさまざまな側面で拡張します。たとえば、モバイルブロードバンドサービスを強化して、10ミリ秒の遅延で1Gbpsを超えるデータレートを提供します。

マイクロ波は現在のバックホールネットワークの重要な要素であり、将来の5Gエコシステムの一部として進化し続けます。 5Gのオプションは、アクセスリンクとバックホールリンクの両方に同じ無線アクセステクノロジーを使用し、スペクトルリソースを動的に共有することです。 これは、特に多数の小さな無線ノードを使用する非常に高密度の展開で、マイクロ波バックホールを補完することができます。

今日、マイクロ波伝送はモバイルバックホールを支配しており、すべてのマクロ基地局の約60％を接続しています。 接続の総数が増えても、マイクロ波の市場シェアはほぼ一定に保たれます。 2019年までに、それはまだすべての基地局（マクロおよび屋外スモールセル（図50を参照）の約3％を占めます）。ラストマイルアクセスで重要な役割を果たし、ネットワークの集約部分で補完的な役割を果たします。同時に、ファイバー伝送はモバイルバックホール市場のシェアを拡大​​し続け、2019年までにすべてのサイトの約40％を接続します。ファイバーはネットワークのアグリゲーション/メトロ部分で広く使用され、ラストマイルアクセスにますます使用されます。地理的な違いもあり、人口密度の高い都市部は人口の少ない郊外や農村部よりもファイバーの浸透率が高く、短距離リンクと長距離リンクの両方でマイクロ波が普及します。

スペクトル効率
 

CableFree5Gモバイルバックホールワイヤレスタワー

スペクトル効率（つまり、Hzあたりのビット数を増やす）は、高次変調や適応変調、適切に設計されたソリューションの優れたシステムゲイン、多入力多出力（MIMO）などの手法によって実現できます。

モジュレーション

マイクロ波キャリアで送信される4秒あたりのシンボルの最大数は、チャネル帯域幅によって制限されます。 Quadrature Amplitude Modulation（QAM）は、各シンボルにビットをコーディングすることにより、潜在的な容量を増やします。 シンボルあたり10ビット（1024 QAM）からシンボルあたりXNUMXビット（XNUMX QAM）に移行すると、容量がXNUMX倍以上増加します。

高次の変調レベルは、機器で発生するノイズと信号の歪みを低減するコンポーネント技術の進歩によって可能になりました。 将来的には、最大4096 QAM（シンボルあたり12ビット）のサポートがありますが、理論的および実際的な制限に近づいています。 高次変調は、ノイズと信号の歪みに対する感度の向上を意味します。 レシーバーの感度は、変調のステップが増えるごとに3 dB減少しますが、関連する容量ゲインは小さくなります（パーセンテージで）。 例として、11 QAM（シンボルあたり512ビット）から9 QAM（シンボルあたり1024ビット）に移行した場合の容量ゲインは10パーセントです。

適応変調
 

テレコムタワーに設置されたCableFreeMicrowave Link

変調を増やすと、無線は雨やマルチパスフェージングなどの伝搬異常に対してより敏感になります。 マイクロ波ホップ長を維持するために、感度の向上は、より高い出力電力とより大きなアンテナによって補うことができます。 適応変調は、すべての伝搬条件でスループットを最大化するための非常に費用効果の高いソリューションです。 実際には、適応変調は、極端な高次変調を使用した展開の前提条件です。

適応変調により、既存のマイクロ波ホップを、たとえば114Mbpsから最大500Mbpsにアップグレードできます。 容量が大きいほど、可用性は低くなります。 たとえば、可用性は99.999 Mbpsでの5パーセント（年間114分間の停止）から99.99 Mbpsでの50パーセント（年間238分間の停止）に減少します。 システムゲイン優れたシステムゲインは、マイクロ波の重要なパラメータです。 たとえば、6 dB高いシステムゲインを使用して、同じ可用性で30つの変調ステップを増やすことができます。これにより、最大XNUMX％多くの容量が提供されます。 または、ホップ長を長くしたり、アンテナサイズを小さくしたり、またはこれらすべてを組み合わせて使用​​することもできます。 優れたシステムゲインの要因には、効率的なエラー訂正コーディング、低い受信機ノイズレベル、高出力電力動作のためのデジタルプリディストーション、電力効率の高い増幅器などがあります。

MIMOマルチ入力、マルチ出力（MIMO）
MIMOは、3GPPおよびWi-Fi無線アクセスのスペクトル効率を高めるために広く使用されている成熟したテクノロジーであり、利用可能なスペクトルが限られている場合に容量とスループットを向上させる費用効果の高い方法を提供します。 歴史的に、マイクロ波アプリケーションのスペクトル状況はより緩和されてきました。 新しい周波数帯が利用可能になり、容量要件を満たすために技術が継続的に開発されています。 ただし、多くの国では、マイクロ波アプリケーションの残りのスペクトルリソースが使い果たされ始めており、将来の要件を満たすために追加のテクノロジが必要です。 5Gモバイルバックホールの場合、マイクロ波周波数でのMIMOは、スペクトル効率をさらに向上させ、利用可能なトランスポート容量をさらに向上させる効果的な方法を提供する新しいテクノロジーです。

環境での反射に基づく「従来の」MIMOシステムとは異なり、5Gモバイルバックホールでは、チャネルは最適なパフォーマンスを実現するためにポイントツーポイントマイクロ波MIMOシステムで「設計」されています。 これは、ホップ距離と周波数に依存する空間分離を備えたアンテナを設置することによって実現されます。 原則として、スループットと容量はアンテナの数に比例して増加します（もちろん、追加のハードウェアコストがかかります）。 NxM MIMOシステムは、N個の送信機とM個の受信機を使用して構築されます。 理論的にはN値とM値に制限はありませんが、アンテナは空間的に分離する必要があるため、タワーの高さと周囲の状況によっては実際的な制限があります。 このため、2×2アンテナが最も実現可能なタイプのMIMOシステムです。 これらのアンテナは、単一偏波（XNUMXキャリアシステム）または二重偏波（XNUMXキャリアシステム）のいずれかです。 MIMOは、マイクロ波容量をさらに拡張するための便利なツールですが、まだ初期段階にあり、たとえば、ほとんどの国で規制状況を明確にする必要があり、その伝播および計画モデルを確立する必要があります。 アンテナの分離は、特に低周波数と長いホップ長の場合にも困難になる可能性があります。

より多くのスペクトル
5Gモバイルバックホール用のマイクロ波容量ツールボックスの別のセクションには、より多くのスペクトルへのアクセスの取得が含まれます。 ここでは、ミリ波帯域（ライセンスのない60GHz帯域とライセンスのある70 / 80GHz帯域）が、多くの市場で新しいスペクトルにアクセスする方法として人気が高まっています（詳細については、「マイクロ波周波数オプション」セクションを参照してください）。 これらの帯域は、はるかに広い周波数チャネルも提供し、5Gモバイルバックホールを可能にするコスト効率の高いマルチギガビットシステムの展開を容易にします。

スループット効率
スループット効率（つまり、ビットあたりのペイロードデータの増加）には、パケットストリームの動作に焦点を当てた、マルチレイヤーヘッダー圧縮や無線リンクアグリゲーション/ボンディングなどの機能が含まれます。

多層ヘッダー圧縮
図7に示すように、マルチレイヤーヘッダー圧縮は、データフレームのヘッダーから不要な情報を削除し、トラフィックの目的で容量を解放します。圧縮時に、各一意のヘッダーは送信側で一意のIDに置き換えられ、プロセスが逆になります。受信側。 ヘッダー圧縮は、ヘッダーが合計フレームサイズの比較的大きな部分を占めるため、フレームサイズが小さいパケットに対して比較的高い使用率ゲインを提供します。 つまり、結果として得られる追加容量は、ヘッダーの数とフレームサイズによって異なりますが、通常、イーサネット、IPv5、およびWCDMAでは10〜4％のゲインであり、平均フレームサイズは400〜600バイトで、15〜20％のゲインです。同じ平均フレームサイズのイーサネット、MPLS、IPv6、LTEを使用します。

これらの図は、実装された圧縮が送信される一意のヘッダーの総数をサポートできることを前提としています。 さらに、ヘッダー圧縮は堅牢で非常に使いやすいものである必要があります。たとえば、自己学習、最小限の構成、包括的なパフォーマンス指標を提供します。

無線リンクアグリゲーション（RLA、ボンディング）
図8に示すように、マイクロ波での無線リンクボンディングは、LTEでのキャリアアグリゲーションに似ており、マイクロ波ホップのより高いシェアが複数のキャリアで展開されるため、継続的なトラフィックの増加をサポートする重要なツールです。仮想のものであるため、ピーク容量を強化するだけでなく、統計的多重化ゲインを通じて実効スループットを向上させます。 各データパケットは、トラフィックパターンに関係なく、プロトコルオーバーヘッドをわずかに削減するだけで、集約された合計ピーク容量を使用できるため、ほぼ100％の効率が達成されます。 無線リンクボンディングは、関連する特定のマイクロ波トランスポートソリューションに優れたパフォーマンスを提供するように調整されています。 たとえば、適応変調を使用した各無線キャリアの独立した動作、および0つ以上のキャリアに障害が発生した場合の正常な劣化（N + XNUMX保護）をサポートする場合があります。

キャリアアグリゲーションと同様に、無線リンクボンディングは、たとえば、より多くのキャリア、異なる帯域幅のキャリア、および異なる周波数帯域のキャリアのアグリゲーションのサポートを通じて、より大容量でより柔軟なキャリアの組み合わせをサポートするために開発され続けます。

ネットワーク最適化
容量ツールボックスの次のセクションは、ネットワークの最適化です。 これには、超高性能（SHP）アンテナや自動送信電力制御（ATPC）などの干渉軽減機能により、追加の周波数チャネルを必要とせずにネットワークを高密度化することが含まれます。 SHPアンテナは、非常に低いサイドローブ放射パターンによる干渉を効果的に抑制し、ETSIクラス4を満たします。ATPCを使用すると、良好な伝搬条件（つまり、ほとんどの場合）で送信電力を自動的に低減し、ネットワークでの干渉を効果的に低減できます。 これらの機能を使用すると、ネットワークに必要な周波数チャネルの数が減り、チャネルあたりの総ネットワーク容量が最大70％増加する可能性があります。 不整合または密な展開による干渉は、多くのネットワークでのバックホールの構築を制限しています。 注意深いネットワーク計画、高度なアンテナ、信号処理、およびネットワークレベルでのATPC機能の使用により、干渉による影響が軽減されます。

将来を見据えて、5G以降
 

CableFree5Gモバイルワイヤレステクノロジー

今後数年間で、5Gモバイルネットワーク用のマイクロ波容量ツールが進化および強化され、組み合わせて使用​​されて、10Gbps以上の容量が可能になります。 総所有コストは、マルチキャリアソリューションなどの一般的な大容量構成向けに最適化されます。

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