Mit der Verfügbarkeit der 5G-Mobilkommunikation um 2020 hat die Branche bereits begonnen, eine ziemlich klare Sicht auf die wichtigsten Herausforderungen, Chancen und wichtigsten Technologiekomponenten zu entwickeln. 5G wird die Leistung und die Fähigkeiten von drahtlosen Zugangsnetzwerken in vielen Dimensionen erweitern, beispielsweise die Verbesserung mobiler Breitbanddienste, um Datenraten über 10 Gbit / s mit Latenzen von 1 ms bereitzustellen.

Mikrowelle ist ein Schlüsselelement aktueller Backhaul-Netzwerke und wird sich als Teil des zukünftigen 5G-Ökosystems weiterentwickeln. Eine Option in 5G besteht darin, für die Zugangs- und die Backhaul-Verbindung dieselbe Funkzugangstechnologie zu verwenden, wobei die Frequenzressourcen dynamisch gemeinsam genutzt werden. Dies kann eine Ergänzung zum Mikrowellen-Backhaul darstellen, insbesondere bei sehr dichten Einsätzen mit einer größeren Anzahl kleiner Funkknoten.

Heute dominiert die Mikrowellenübertragung den mobilen Backhaul, bei dem rund 60 Prozent aller Makro-Basisstationen miteinander verbunden sind. Selbst wenn die Gesamtzahl der Verbindungen wächst, wird der Marktanteil der Mikrowelle ziemlich konstant bleiben. Bis 2019 wird es immer noch rund 50 Prozent aller Basisstationen ausmachen (kleine Makro- und Außenzellen (siehe Abbildung 3)). Es wird eine Schlüsselrolle beim Zugang zur letzten Meile und eine ergänzende Rolle beim Aggregationsteil des Netzwerks spielen Gleichzeitig wird die Glasfaserübertragung ihren Anteil am mobilen Backhaul-Markt weiter erhöhen und bis 2019 rund 40 Prozent aller Standorte verbinden. Glasfaser wird in den Aggregations- / U-Bahn-Teilen der Netze und zunehmend für den Zugang zur letzten Meile eingesetzt Es wird auch geografische Unterschiede geben, da dicht besiedelte städtische Gebiete eine höhere Faserpenetration aufweisen als weniger besiedelte vorstädtische und ländliche Gebiete, in denen Mikrowellen sowohl für Kurzstrecken- als auch für Langstreckenverbindungen vorherrschen.

Spektrale Effizienz

Kabelfreier 5G Mobile Backhaul Wireless Tower

Die Spektrumseffizienz (dh das Erhalten von mehr Bits pro Hz) kann durch Techniken wie Modulation höherer Ordnung und adaptive Modulation, die überlegene Systemverstärkung einer gut konzipierten Lösung und Multiple Input, Multiple Output (MIMO) erreicht werden.

Modulation

Die maximale Anzahl von Symbolen pro Sekunde, die auf einem Mikrowellenträger übertragen werden, ist durch die Kanalbandbreite begrenzt. Die Quadraturamplitudenmodulation (QAM) erhöht die potentielle Kapazität durch Codieren von Bits auf jedes Symbol. Der Übergang von zwei Bits pro Symbol (4 QAM) zu 10 Bits pro Symbol (1024 QAM) führt zu einer mehr als fünffachen Kapazitätssteigerung.

Modulationspegel höherer Ordnung wurden durch Fortschritte bei Komponententechnologien ermöglicht, die durch Geräte erzeugtes Rauschen und Signalverzerrungen reduziert haben. In Zukunft werden bis zu 4096 QAM (12 Bit pro Symbol) unterstützt, aber wir nähern uns den theoretischen und praktischen Grenzen. Eine Modulation höherer Ordnung bedeutet eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Rauschen und Signalverzerrungen. Die Empfängerempfindlichkeit wird mit jedem erhöhten Modulationsschritt um 3 dB verringert, während der zugehörige Kapazitätsgewinn kleiner wird (in Prozent ausgedrückt). Beispielsweise beträgt der Kapazitätsgewinn 11 Prozent, wenn von 512 QAM (9 Bit pro Symbol) auf 1024 QAM (10 Bit pro Symbol) gewechselt wird.

Adaptive Modulation

CableFree Microwave Link auf einem Telekommunikationsturm installiert

Durch zunehmende Modulation wird das Radio empfindlicher für Ausbreitungsanomalien wie Regen und Mehrweg-Fading. Um die Mikrowellensprunglänge aufrechtzuerhalten, kann die erhöhte Empfindlichkeit durch eine höhere Ausgangsleistung und größere Antennen kompensiert werden. Die adaptive Modulation ist eine sehr kostengünstige Lösung, um den Durchsatz unter allen Ausbreitungsbedingungen zu maximieren. In der Praxis ist die adaptive Modulation eine Voraussetzung für den Einsatz mit Modulation extremer Ordnung.

Durch adaptive Modulation kann ein vorhandener Mikrowellensprung von beispielsweise 114 Mbit / s auf bis zu 500 Mbit / s aufgerüstet werden. Die höhere Kapazität geht mit einer geringeren Verfügbarkeit einher. Beispielsweise wird die Verfügbarkeit von 99.999 Prozent (5 Minuten jährlicher Ausfall) bei 114 Mbit / s auf 99.99 Prozent der Zeit (50 Minuten jährlicher Ausfall) bei 238 Mbit / s reduziert. Systemverstärkung Die überlegene Systemverstärkung ist ein Schlüsselparameter für die Mikrowelle. Eine um 6 dB höhere Systemverstärkung kann beispielsweise verwendet werden, um zwei Modulationsschritte bei gleicher Verfügbarkeit zu erhöhen, wodurch bis zu 30 Prozent mehr Kapazität bereitgestellt wird. Alternativ könnte es verwendet werden, um die Sprunglänge zu erhöhen oder die Antennengröße zu verringern, oder eine Kombination von allen. Zu den Faktoren, die zu einer überlegenen Systemverstärkung beitragen, gehören unter anderem eine effiziente Fehlerkorrekturcodierung, niedrige Empfängerrauschpegel, digitale Vorverzerrung für einen Betrieb mit höherer Ausgangsleistung und energieeffiziente Verstärker.

MIMO Mehrfacheingang, Mehrfachausgang (MIMO)
MIMO ist eine ausgereifte Technologie, die häufig zur Steigerung der spektralen Effizienz beim 3GPP- und Wi-Fi-Funkzugang eingesetzt wird. Sie bietet eine kostengünstige Möglichkeit, Kapazität und Durchsatz zu steigern, wenn das verfügbare Spektrum begrenzt ist. In der Vergangenheit war die Spektrumsituation für Mikrowellenanwendungen entspannter. Es wurden neue Frequenzbänder zur Verfügung gestellt und die Technologie wurde kontinuierlich weiterentwickelt, um die Kapazitätsanforderungen zu erfüllen. In vielen Ländern werden die verbleibenden Frequenzressourcen für Mikrowellenanwendungen jedoch allmählich erschöpft, und es werden zusätzliche Technologien benötigt, um die zukünftigen Anforderungen zu erfüllen. Für 5G Mobile Backhaul ist MIMO bei Mikrowellenfrequenzen eine aufstrebende Technologie, die eine effektive Möglichkeit bietet, die Effizienz des Spektrums und damit die verfügbare Transportkapazität weiter zu steigern.

Im Gegensatz zu "herkömmlichen" MIMO-Systemen, die auf Reflexionen in der Umgebung basieren, werden bei 5G Mobile Backhaul Kanäle in Punkt-zu-Punkt-Mikrowellen-MIMO-Systemen für eine optimale Leistung "konstruiert". Dies wird erreicht, indem die Antennen mit einer räumlichen Trennung installiert werden, die von der Sprungentfernung und der Frequenz abhängt. Im Prinzip steigen Durchsatz und Kapazität linear mit der Anzahl der Antennen (natürlich auf Kosten zusätzlicher Hardwarekosten). Ein NxM-MIMO-System wird unter Verwendung von N Sendern und M Empfängern aufgebaut. Theoretisch gibt es keine Begrenzung für die N- und M-Werte, aber da die Antennen räumlich getrennt sein müssen, gibt es eine praktische Begrenzung in Abhängigkeit von der Turmhöhe und der Umgebung. Aus diesem Grund sind 2 × 2-Antennen der am besten geeignete Typ eines MIMO-Systems. Diese Antennen können entweder einfach polarisiert (Zwei-Träger-System) oder doppelt polarisiert (Vier-Träger-System) sein. MIMO wird ein nützliches Instrument zur weiteren Skalierung der Mikrowellenkapazität sein, befindet sich jedoch noch in einer frühen Phase, in der beispielsweise der regulatorische Status in den meisten Ländern noch geklärt und die Ausbreitungs- und Planungsmodelle noch festgelegt werden müssen. Die Antennentrennung kann auch eine Herausforderung sein, insbesondere für niedrigere Frequenzen und längere Sprunglängen.

Mehr Spektrum
Ein weiterer Abschnitt der Toolbox für die Mikrowellenkapazität für 5G Mobile Backhaul umfasst den Zugriff auf mehr Spektrum. Hier werden die Millimeterwellenbänder - die nicht lizenzierten 60-GHz-Bänder und das lizenzierte 70/80-GHz-Band - immer beliebter, um in vielen Märkten Zugang zu neuen Frequenzen zu erhalten (weitere Informationen finden Sie im Abschnitt Mikrowellenfrequenzoptionen). Diese Bänder bieten auch viel breitere Frequenzkanäle, die den Einsatz kostengünstiger Multi-Gigabit-Systeme ermöglichen, die 5G Mobile Backhaul ermöglichen.

Durchsatz Effizienz
Die Durchsatzleistung (dh mehr Nutzdaten pro Bit) umfasst Funktionen wie mehrschichtige Header-Komprimierung und Funkverbindungsaggregation / -bindung, die sich auf das Verhalten von Paketströmen konzentrieren.

Mehrschichtige Header-Komprimierung
Die mehrschichtige Header-Komprimierung entfernt unnötige Informationen aus den Headern der Datenrahmen und gibt die Kapazität für Verkehrszwecke frei, wie in Abbildung 7 dargestellt. Bei der Komprimierung wird jeder eindeutige Header auf der sendenden Seite durch eine eindeutige Identität ersetzt. Dieser Vorgang wird umgekehrt auf der Empfangsseite. Die Header-Komprimierung bietet einen relativ höheren Nutzungsgewinn für Pakete mit kleinerer Frame-Größe, da ihre Header einen relativ größeren Teil der gesamten Frame-Größe ausmachen. Dies bedeutet, dass die resultierende zusätzliche Kapazität mit der Anzahl der Header und der Frame-Größe variiert, bei Ethernet, IPv5 und WCDMA jedoch in der Regel um 10 bis 4 Prozent, bei einer durchschnittlichen Frame-Größe von 400 bis 600 Byte und um 15 bis 20 Prozent zunimmt mit Ethernet, MPLS, IPv6 und LTE bei gleicher durchschnittlicher Frame-Größe.

Diese Zahlen gehen davon aus, dass die implementierte Komprimierung die Gesamtzahl der übertragenen eindeutigen Header unterstützen kann. Darüber hinaus sollte die Header-Komprimierung robust und sehr einfach zu verwenden sein, z. B. selbstlernend, minimale Konfiguration und umfassende Leistungsindikatoren.

Funkverbindungsaggregation (RLA, Bonding)
Die Funkverbindungsbindung in der Mikrowelle ähnelt der Trägeraggregation in LTE und ist ein wichtiges Instrument zur Unterstützung des kontinuierlichen Verkehrswachstums, da ein höherer Anteil von Mikrowellensprüngen mit mehreren Trägern bereitgestellt wird, wie in Abbildung 8 dargestellt. Beide Techniken aggregieren mehrere Funkträger zu einem virtuell, so dass sowohl die Spitzenkapazität verbessert als auch der effektive Durchsatz durch statistische Multiplexverstärkung erhöht wird. Eine Effizienz von nahezu 100 Prozent wird erreicht, da jedes Datenpaket die gesamte aggregierte Spitzenkapazität mit nur einer geringfügigen Reduzierung des Protokoll-Overheads unabhängig von den Verkehrsmustern nutzen kann. Die Funkverbindungsbindung ist so zugeschnitten, dass sie für die jeweilige betroffene Mikrowellentransportlösung eine überlegene Leistung bietet. Beispielsweise kann es ein unabhängiges Verhalten jedes Funkträgers unter Verwendung einer adaptiven Modulation sowie eine ordnungsgemäße Verschlechterung im Falle eines Ausfalls eines oder mehrerer Träger (N + 0-Schutz) unterstützen.

Genau wie bei der Trägeraggregation wird die Funkverbindungsbindung weiterentwickelt, um höhere Kapazitäten und flexiblere Trägerkombinationen zu unterstützen, beispielsweise durch Unterstützung der Aggregation von mehr Trägern, Trägern mit unterschiedlichen Bandbreiten und Trägern in unterschiedlichen Frequenzbändern.

Netzwerkoptimierung
Der nächste Abschnitt der Kapazitäts-Toolbox ist die Netzwerkoptimierung. Dies beinhaltet die Verdichtung von Netzwerken ohne zusätzliche Frequenzkanäle durch Interferenzminderungsfunktionen wie Super-High-Performance-Antennen (SHP) und automatische Sendeleistungssteuerung (ATPC). SHP-Antennen unterdrücken effektiv Interferenzen durch sehr niedrige Nebenkeulenstrahlungsmuster und erfüllen die ETSI-Klasse 4. ATPC ermöglicht die automatische Reduzierung der Sendeleistung unter günstigen Ausbreitungsbedingungen (dh meistens), wodurch die Interferenzen im Netzwerk effektiv reduziert werden. Die Verwendung dieser Funktionen reduziert die Anzahl der im Netzwerk benötigten Frequenzkanäle und kann bis zu 70 Prozent mehr Netzwerkkapazität pro Kanal liefern. Interferenzen aufgrund von Fehlausrichtung oder dichter Bereitstellung begrenzen den Backhaul-Ausbau in vielen Netzwerken. Eine sorgfältige Netzwerkplanung, fortschrittliche Antennen, Signalverarbeitung und die Verwendung von ATPC-Funktionen auf Netzwerkebene verringern die Auswirkungen von Interferenzen.

Mit Blick auf die Zukunft, 5G und darüber hinaus

CableFree 5G Mobile Wireless-Technologie

In den kommenden Jahren werden Mikrowellenkapazitätstools für 5G-Mobilfunknetze weiterentwickelt und verbessert und in Kombination verwendet, um Kapazitäten von 10 Gbit / s und mehr zu ermöglichen. Die Gesamtbetriebskosten werden für gängige Konfigurationen mit hoher Kapazität optimiert, z. B. für Multi-Carrier-Lösungen.

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