Liaison hyperfréquence pour les réseaux mobiles 5G

 

Réseaux mobiles 5G, backhaul hyperfréquence et tendances futures des réseaux mobiles

 

Réseau sans fil mobile 5G CableFree

La communication mobile 5G devenant disponible vers 2020, l'industrie a déjà commencé à développer une vision assez claire des principaux défis, opportunités et composants technologiques clés qu'elle implique. La 5G étendra les performances et les capacités des réseaux d'accès sans fil dans de nombreuses dimensions, par exemple en améliorant les services haut débit mobiles pour fournir des débits de données supérieurs à 10 Gbit / s avec des latences de 1 ms.

Les micro-ondes sont un élément clé des réseaux de backhaul actuels et continueront d'évoluer dans le cadre du futur écosystème 5G. Une option dans la 5G consiste à utiliser la même technologie d'accès radio pour les liaisons d'accès et de liaison, avec un partage dynamique des ressources spectrales. Cela peut fournir un complément au backhaul micro-ondes, en particulier dans les déploiements très denses avec un plus grand nombre de petits nœuds radio.

Aujourd'hui, la transmission hyperfréquence domine le backhaul mobile, où elle relie environ 60 pour cent de toutes les stations de base macro. Même si le nombre total de connexions augmente, la part de marché des micro-ondes restera assez constante. D'ici 2019, il représentera encore environ 50% de toutes les stations de base (macro et petites cellules extérieures (voir figure 3). Il jouera un rôle clé dans l'accès au dernier kilomètre et un rôle complémentaire dans la partie agrégation du réseau. Dans le même temps, la transmission par fibre continuera d'augmenter sa part du marché des liaisons mobiles et, d'ici 2019, connectera environ 40% de tous les sites. La fibre sera largement utilisée dans les parties agrégation / métro des réseaux et de plus en plus pour l'accès au dernier kilomètre. Il y aura également des différences géographiques, les zones urbaines densément peuplées ayant une pénétration de la fibre plus élevée que les zones suburbaines et rurales moins peuplées, où les micro-ondes prévaudront pour les liaisons à courte et longue distance.

Efficacité spectrale
 

Tour sans fil de liaison mobile 5G CableFree

L'efficacité spectrale (c'est-à-dire l'obtention de plus de bits par Hz) peut être obtenue grâce à des techniques telles que la modulation d'ordre supérieur et la modulation adaptative, le gain système supérieur d'une solution bien conçue et les entrées multiples, sorties multiples (MIMO).

Modulation

Le nombre maximum de symboles par seconde transmis sur une porteuse hyperfréquence est limité par la largeur de bande du canal. La modulation d'amplitude en quadrature (QAM) augmente la capacité potentielle en codant des bits sur chaque symbole. Le passage de deux bits par symbole (4 QAM) à 10 bits par symbole (1024 QAM) offre une augmentation de capacité de plus de cinq fois.

Des niveaux de modulation d'ordre supérieur ont été rendus possibles grâce aux progrès des technologies de composants qui ont réduit le bruit généré par l'équipement et la distorsion du signal. À l'avenir, il y aura un support pour jusqu'à 4096 QAM (12 bits par symbole), mais nous approchons des limites théoriques et pratiques. Une modulation d'ordre supérieur signifie une sensibilité accrue au bruit et à la distorsion du signal. La sensibilité du récepteur est réduite de 3 dB pour chaque pas accru de modulation, tandis que le gain de capacité associé diminue (en pourcentage). A titre d'exemple, le gain de capacité est de 11% lors du passage de 512 QAM (9 bits par symbole) à 1024 QAM (10 bits par symbole).

Modulation adaptative
 

CableFree Microwave Link installé sur une tour de télécommunications

L'augmentation de la modulation rend la radio plus sensible aux anomalies de propagation telles que la pluie et les évanouissements multi-trajets. Pour maintenir la longueur de saut de micro-ondes, la sensibilité accrue peut être compensée par une puissance de sortie plus élevée et des antennes plus grandes. La modulation adaptative est une solution très rentable pour maximiser le débit dans toutes les conditions de propagation. En pratique, la modulation adaptative est une condition préalable au déploiement avec une modulation extrême d'ordre élevé.

La modulation adaptative permet à un bond hyperfréquence existant d'être mis à niveau, par exemple, de 114 Mbps jusqu'à 500 Mbps. La capacité supérieure s'accompagne d'une disponibilité moindre. Par exemple, la disponibilité est réduite de 99.999% (5 minutes d'interruption annuelle) à 114 Mbps à 99.99% du temps (50 minutes d'interruption annuelle) à 238 Mbps. Gain système Un gain système supérieur est un paramètre clé pour les micro-ondes. Un gain système supérieur de 6 dB peut être utilisé, par exemple, pour augmenter deux étapes de modulation avec la même disponibilité, ce qui fournit jusqu'à 30% de capacité en plus. En variante, il pourrait être utilisé pour augmenter la longueur du saut ou diminuer la taille de l'antenne, ou une combinaison de tous. Les contributeurs à un gain de système supérieur comprennent un codage de correction d'erreur efficace, de faibles niveaux de bruit du récepteur, une prédistorsion numérique pour un fonctionnement à puissance de sortie plus élevée et des amplificateurs à faible consommation d'énergie, entre autres.

Entrée multiple MIMO, sortie multiple (MIMO)
MIMO est une technologie mature largement utilisée pour augmenter l'efficacité spectrale dans l'accès radio 3GPP et Wi-Fi, où elle offre un moyen rentable d'augmenter la capacité et le débit là où le spectre disponible est limité. Historiquement, la situation du spectre pour les applications micro-ondes a été plus détendue; de nouvelles bandes de fréquences ont été rendues disponibles et la technologie a été continuellement développée pour répondre aux exigences de capacité. Cependant, dans de nombreux pays, les ressources spectrales restantes pour les applications micro-ondes commencent à s'épuiser et des technologies supplémentaires sont nécessaires pour répondre aux besoins futurs. Pour le raccordement mobile 5G, le MIMO aux fréquences micro-ondes est une technologie émergente qui offre un moyen efficace d'augmenter encore l'efficacité du spectre et donc la capacité de transport disponible.

Contrairement aux systèmes MIMO `` conventionnels '', qui sont basés sur des réflexions dans l'environnement, pour la liaison mobile 5G, les canaux sont `` conçus '' dans des systèmes MIMO hyperfréquences point à point pour des performances optimales. Ceci est réalisé en installant les antennes avec une séparation spatiale qui dépend de la distance de saut et de la fréquence. En principe, le débit et la capacité augmentent linéairement avec le nombre d'antennes (au détriment du coût matériel supplémentaire, bien sûr). Un système NxM MIMO est construit en utilisant N émetteurs et M récepteurs. Théoriquement, il n'y a pas de limite pour les valeurs N et M, mais comme les antennes doivent être spatialement séparées, il existe une limitation pratique en fonction de la hauteur de la tour et de l'environnement. Pour cette raison, les antennes 2x2 sont le type de système MIMO le plus réalisable. Ces antennes peuvent être à polarisation simple (système à deux porteuses) ou à polarisation double (système à quatre porteuses). MIMO sera un outil utile pour faire évoluer davantage la capacité micro-ondes, mais en est encore à un stade précoce où, par exemple, son statut réglementaire doit encore être clarifié dans la plupart des pays, et ses modèles de propagation et de planification doivent encore être établis. La séparation d'antenne peut également être difficile, en particulier pour les fréquences plus basses et les longueurs de saut plus longues.

Plus de spectre
Une autre section de la boîte à outils de capacité micro-ondes pour la liaison mobile 5G consiste à accéder à plus de spectre. Ici, les bandes d'ondes millimétriques - les bandes 60 GHz sans licence et la bande 70/80 GHz sous licence - gagnent en popularité comme moyen d'accéder à un nouveau spectre sur de nombreux marchés (voir la section Options de fréquence micro-ondes pour plus d'informations). Ces bandes offrent également des canaux de fréquences beaucoup plus larges, ce qui facilite le déploiement de systèmes multi-gigabits rentables qui permettent la liaison mobile 5G.

Efficacité de débit
L'efficacité du débit (c'est-à-dire plus de données de charge utile par bit) implique des fonctionnalités telles que la compression d'en-tête multicouche et l'agrégation / liaison de liaison radio, qui se concentrent sur le comportement des flux de paquets.

Compression d'en-tête multicouche
La compression d'en-tête multicouche supprime les informations inutiles des en-têtes des trames de données et libère la capacité à des fins de trafic, comme le montre la figure 7. Lors de la compression, chaque en-tête unique est remplacé par une identité unique du côté de la transmission, un processus qui est inversé côté réception. La compression d'en-tête fournit un gain d'utilisation relativement plus élevé pour les paquets de plus petite taille de trame, puisque leurs en-têtes comprennent une partie relativement plus grande de la taille de trame totale. Cela signifie que la capacité supplémentaire qui en résulte varie en fonction du nombre d'en-têtes et de la taille de la trame, mais représente généralement un gain de 5 à 10% avec Ethernet, IPv4 et WCDMA, avec une taille de trame moyenne de 400 à 600 octets et un gain de 15 à 20% avec Ethernet, MPLS, IPv6 et LTE avec la même taille de trame moyenne.

Ces chiffres supposent que la compression implémentée peut prendre en charge le nombre total d'en-têtes uniques qui sont transmis. De plus, la compression d'en-tête doit être robuste et très simple à utiliser, offrant par exemple un auto-apprentissage, une configuration minimale et des indicateurs de performance complets.

Agrégation de liaison radio (RLA, liaison)
La liaison de liaison radio en micro-ondes s'apparente à l'agrégation de porteuses en LTE et est un outil important pour soutenir la croissance continue du trafic, car une plus grande part de sauts de micro-ondes est déployée avec plusieurs porteuses, comme illustré à la figure 8. Les deux techniques regroupent plusieurs porteuses radio en une seule. virtuel, donc à la fois en augmentant la capacité de crête et en augmentant le débit effectif grâce au gain de multiplexage statistique. Une efficacité de près de 100% est atteinte, car chaque paquet de données peut utiliser la capacité de pointe totale agrégée avec seulement une réduction mineure de la surcharge de protocole, indépendamment des modèles de trafic. La liaison de liaison radio est conçue pour fournir des performances supérieures pour la solution de transport hyperfréquence particulière concernée. Par exemple, il peut prendre en charge un comportement indépendant de chaque porteuse radio en utilisant une modulation adaptative, ainsi qu'une dégradation progressive en cas de défaillance d'une ou plusieurs porteuses (protection N + 0).

Tout comme l'agrégation de porteuses, la liaison de liaison radio continuera à être développée pour prendre en charge des capacités plus élevées et des combinaisons de porteuses plus flexibles, par exemple en prenant en charge l'agrégation de plus de porteuses, de porteuses avec différentes largeurs de bande et de porteuses dans différentes bandes de fréquences.

Optimisation du réseau
La section suivante de la boîte à outils de capacité est l'optimisation du réseau. Cela implique de densifier les réseaux sans avoir besoin de canaux de fréquence supplémentaires grâce à des fonctions d'atténuation des interférences telles que les antennes à très haute performance (SHP) et le contrôle automatique de la puissance d'émission (ATPC). Les antennes SHP suppriment efficacement les interférences grâce à de très faibles diagrammes de rayonnement des lobes latéraux, respectant la classe 4 de l'ETSI. L'ATPC permet de réduire automatiquement la puissance d'émission dans des conditions de propagation favorables (c'est-à-dire la plupart du temps), réduisant efficacement les interférences dans le réseau. L'utilisation de ces fonctionnalités réduit le nombre de canaux de fréquence nécessaires dans le réseau et pourrait fournir jusqu'à 70% de capacité réseau totale en plus par canal. Les interférences dues à un désalignement ou à un déploiement dense limitent la création de backhaul dans de nombreux réseaux. Une planification minutieuse du réseau, des antennes avancées, le traitement du signal et l'utilisation des fonctionnalités ATPC au niveau du réseau réduiront l'impact des interférences.

Regard vers l'avenir, la 5G et au-delà
 

Technologie sans fil mobile CableFree 5G

Au cours des prochaines années, les outils de capacité micro-ondes pour les réseaux mobiles 5G seront évolués et améliorés, et utilisés en combinaison permettant des capacités de 10 Gbit / s et au-delà. Le coût total de possession sera optimisé pour les configurations haute capacité courantes, telles que les solutions multi-opérateurs.

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