适用于5G移动网络的微波回程

 

5G移动网络，微波回传和移动网络的未来趋势

 

CableFree 5G移动无线网络

随着5年左右2020G移动通信的问世，业界已经开始对所涉及的主要挑战，机遇和关键技术组成部分有了一个清晰的认识。 5G将在许多方面扩展无线接入网络的性能和功能，例如增强移动宽带服务，以提供超过10 Gbps的数据速率和1 ms的延迟。

微波是当前回传网络的关键要素，并将作为未来5G生态系统的一部分继续发展。 5G的一种选择是对接入和回程链路使用相同的无线电接入技术，并动态共享频谱资源。 这可以为微波回程提供补充，尤其是在具有大量小型无线电节点的非常密集的部署中。

如今，微波传输在移动回程中占据主导地位，它连接了所有宏基站的60％。 即使连接总数增加，微波的市场份额也将保持恒定。 到2019年，它仍将占所有基站（宏和室外小型小区）的约50％（见图3），它将在最后一英里接入中发挥关键作用，并在网络的聚合部分中起到补充作用。同时，光纤传输将继续增加其在移动回程市场中的份额，到2019年将连接约40％的站点，光纤将广泛用于网络的聚合/城域部分，并越来越多地用于最后一英里的访问。还将存在地理差异，人口密集的城市地区的光纤普及率高于人口较少的郊区和农村地区，在短距离和长距离链路中，微波将占主导地位。

光谱效率
 

CableFree 5G移动回程无线塔

可以通过诸如高阶调制和自适应调制，精心设计的解决方案的出色系统增益以及多输入多输出（MIMO）之类的技术来实现频谱效率（即，每赫兹获得更多比特）。

调制

微波载波上每秒传输的最大符号数受信道带宽限制。 正交幅度调制（QAM）通过将位编码到每个符号上来增加潜在的容量。 从每个符号两位（4 QAM）移至每个符号10位（1024 QAM），容量增加了五倍以上。

通过降低设备产生的噪声和信号失真的组件技术的发展，使高阶调制电平成为可能。 将来将支持高达4096 QAM（每个符号12位），但是我们正在接近理论和实践的极限。 高阶调制意味着对噪声和信号失真的灵敏度提高。 调制的每增加一步，接收机灵敏度就会降低3 dB，而相关的容量增益会变小（以百分比表示）。 例如，当从11 QAM（每个符号512位）变为9 QAM（每个符号1024位）时，容量增益为10％。

自适应调制
 

安装在电信塔上的CableFree微波链路

调制的增加使无线电对降雨和多径衰​​落等传播异常更加敏感。 为了保持微波跳段长度，可以通过更高的输出功率和更大的天线来补偿增加的灵敏度。 自适应调制是一种非常经济高效的解决方案，可以在所有传播条件下最大化吞吐量。 实际上，自适应调制是部署极高阶调制的先决条件。

自适应调制使现有的微波跃点从例如114 Mbps升级到高达500 Mbps。 容量越大，可用性越低。 例如，可用性从99.999 Mbps的5％（每年中断114分钟）降低到99.99 Mbps的时间（每年50分钟中断）的238％。 系统增益出色的系统增益是微波的关键参数。 例如，可以使用高6 dB的系统增益来增加具有相同可用性的两个调制步骤，从而将容量提高多达30％。 可替代地，它可以被用来增加跳跃长度或减小天线尺寸，或者所有这些的组合。 出色的系统增益的贡献者包括高效的纠错编码，较低的接收器噪声水平，用于更高输出功率工作的数字预失真以及功率高效的放大器等。

MIMO多输入多输出（MIMO）
MIMO是一项成熟的技术，已广泛用于提高3GPP和Wi-Fi无线电接入中的频谱效率，在可用频谱有限的情况下，MIMO提供了一种经济高效的方式来提高容量和吞吐量。 从历史上看，微波应用的频谱状况更加宽松。 提供了新的频段，并不断开发技术以满足容量要求。 然而，在许多国家，用于微波应用的剩余频谱资源开始枯竭，需要更多的技术来满足未来的需求。 对于5G移动回程，微波频率下的MIMO是一项新兴技术，它为进一步提高频谱效率以及可用的传输容量提供了有效的方法。

与基于环境反射的“常规” MIMO系统不同，对于5G移动回程，在点对点微波MIMO系统中对“通道”进行了“设计”以实现最佳性能。 这是通过安装天线间距来实现的，该间距取决于跳距和频率。 原则上，吞吐量和容量会随着天线数量的增加而线性增加（当然会以增加硬件成本为代价）。 使用N个发射机和M个接收机来构建NxM MIMO系统。 理论上，N和M值没有限制，但是由于天线必须在空间上分开，因此实际的限制取决于塔的高度和周围环境。 因此，2×2天线是MIMO系统中最可行的类型。 这些天线可以是单极化的（两载波系统）或双极化的（四载波系统）。 MIMO将是进一步扩展微波容量的有用工具，但仍处于早期阶段，例如，在大多数国家/地区，仍然需要弄清其监管状况，并且仍然需要建立其传播和规划模型。 天线分离也可能具有挑战性，尤其是对于较低的频率和较长的跳频长度。

更多频谱
5G移动回传的微波容量工具箱的另一部分涉及获得更多频谱。 在这里，毫米波频段-未经许可的60 GHz频段和许可的70/80 GHz频段-越来越流行，作为在许多市场中获得新频谱的一种方式（有关更多信息，请参见“微波频率选项”部分）。 这些频段还提供了更宽的频道，这有利于部署具有成本效益的千兆位系统，从而实现5G移动回程。

吞吐效率
吞吐量效率（即每位更多的有效载荷数据）涉及多层报头压缩和无线链路聚合/绑定等功能，这些功能着眼于数据包流的行为。

多层头压缩
多层标头压缩从数据帧的标头中删除了不必要的信息，并释放了用于流量目的的容量，如图7所示。在压缩时，每个唯一标头在发送端被唯一标识替换，这一过程被逆转在接收方。 报头压缩为较小帧大小的数据包提供了相对较高的利用率，因为它们的报头占总帧大小的相对较大部分。 这意味着所产生的额外容量随报头数量和帧大小而变化，但通常在以太网，IPv5和WCDMA上增加10–4％，平均帧大小为400–600字节，而增加15–20％具有相同的平均帧大小的以太网，MPLS，IPv6和LTE。

这些图假定实现的压缩可以支持所传输的唯一标头的总数。 另外，报头压缩应该是健壮的并且使用非常简单，例如，提供自学习，最少的配置和全面的性能指标。

无线电链路聚合（RLA，绑定）
微波中的无线电链路绑定类似于LTE中的载波聚合，并且是支持流量持续增长的重要工具，因为微波跳数的较高份额部署了多个载波，如图8所示。这两种技术都将多个无线电载波聚合为一个虚拟，因此既可以提高峰值容量，又可以通过统计复用增益来提高有效吞吐量。 由于每个数据包都可以使用总的聚合峰值容量，而与通信量模式无关，协议开销只有很小的减少，因此可以实现近100％的效率。 无线电链路绑定经过专门设计，可为有关的特定微波传输解决方案提供卓越的性能。 例如，它可以使用自适应调制来支持每个无线电载波的独立行为，以及在一个或多个载波发生故障的情况下的适度降级（N + 0保护）。

就像载波聚合一样，无线链路绑定将继续发展以支持更高的容量和更灵活的载波组合，例如通过支持更多载波，具有不同带宽的载波以及不同频带中的载波的聚合。

网络优化
容量工具箱的下一部分是网络优化。 这涉及通过减少干扰的功能（例如超高性能（SHP）天线和自动发射功率控制（ATPC））来压缩网络，而无需额外的频道。 SHP天线通过非常低的旁瓣辐射方向图有效地抑制了干扰，达到ETSI 4级。ATPC使在有利的传播条件下（即，大部分时间）自动降低发射功率，从而有效地减少了网络中的干扰。 使用这些功能可以减少网络中所需的频道数量，并且可以使每个频道的总网络容量增加多达70％。 由于未对准或密集部署而造成的干扰限制了许多网络中的回程扩展。 仔细的网络规划，先进的天线，信号处理以及在网络级别使用ATPC功能将减少干扰带来的影响。

展望未来，5G及以后
 

CableFree 5G移动无线技术

在未来几年中，用于5G移动网络的微波容量工具将得到发展和增强，并将结合使用，从而实现10 Gbps甚至更高的容量。 总拥有成本将针对常见的大容量配置（例如多载波解决方案）进行优化。

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