5 년경 2020G 모바일 통신이 가능 해짐에 따라 업계는 이미 관련 주요 과제, 기회 및 핵심 기술 구성 요소에 대한 상당히 명확한 시각을 개발하기 시작했습니다. 5G는 다양한 차원에서 무선 액세스 네트워크의 성능과 기능을 확장 할 것입니다. 예를 들어 10ms의 대기 시간으로 1Gbps 이상의 데이터 속도를 제공하도록 모바일 광대역 서비스를 향상시킬 것입니다.

마이크로 웨이브는 현재 백홀 네트워크의 핵심 요소이며 향후 5G 생태계의 일부로 계속 진화 할 것입니다. 5G의 옵션은 스펙트럼 리소스의 동적 공유와 함께 액세스 및 백홀 링크 모두에 동일한 무선 액세스 기술을 사용하는 것입니다. 이것은 특히 많은 수의 작은 무선 노드가있는 매우 밀집된 배치에서 마이크로파 백홀을 보완 할 수 있습니다.

오늘날 마이크로파 전송은 모든 매크로 기지국의 약 60 %를 연결하는 모바일 백홀을 지배합니다. 총 연결 수가 증가하더라도 마이크로파의 시장 점유율은 상당히 일정 할 것입니다. 2019 년까지는 여전히 모든 기지국 (매크로 및 실외 소형 셀 (그림 50 참조)의 약 3 %를 차지할 것입니다. 라스트 마일 액세스에서 핵심적인 역할을하고 네트워크의 통합 부분 인 보완적인 역할을 수행 할 것입니다. 동시에 광섬유 전송은 모바일 백홀 시장에서 계속해서 점유율을 증가시킬 것이며 2019 년까지 전체 사이트의 약 40 %를 연결할 것입니다. 광섬유는 네트워크의 집선 / 메트로 부분에서 널리 사용되고 라스트 마일 액세스에 점점 더 많이 사용될 것입니다. 또한 지리적 차이가있을 것입니다. 인구 밀도가 높은 도시 지역은 인구 밀도가 낮은 교외 및 시골 지역보다 섬유 투과율이 높으며 단거리 및 장거리 링크 모두에 마이크로파가 우세합니다.

스펙트럼 효율성

CableFree 5G 모바일 백홀 무선 타워

고차 변조 및 적응 변조, 잘 설계된 솔루션의 우수한 시스템 이득, MIMO (Multiple Input, Multiple Output)와 같은 기술을 통해 스펙트럼 효율성 (즉, Hz 당 더 많은 비트 획득)을 달성 할 수 있습니다.

조정

마이크로파 캐리어에서 전송되는 초당 최대 심볼 수는 채널 대역폭에 의해 제한됩니다. QAM (Quadrature Amplitude Modulation)은 각 심볼에 비트를 코딩하여 잠재적 용량을 증가시킵니다. 심볼 당 4 비트 (10QAM)에서 심볼 당 1024 비트 (XNUMXQAM)로 이동하면 용량이 XNUMX 배 이상 증가합니다.

장비에서 발생하는 잡음과 신호 왜곡을 감소시킨 부품 기술의 발전을 통해 고차 변조 수준이 가능해졌습니다. 앞으로 최대 4096 QAM (심볼 당 12 비트)에 대한 지원이있을 예정이지만 이론 및 실제 한계에 접근하고 있습니다. 고차 변조는 노이즈 및 신호 왜곡에 대한 민감도가 증가 함을 의미합니다. 수신기 감도는 변조 단계가 증가 할 때마다 3dB 씩 감소하는 반면 관련 용량 이득은 감소합니다 (백분율 기준). 예를 들어 11QAM (심볼 당 512 비트)에서 9QAM (심볼 당 1024 비트)으로 이동할 때 용량 이득은 10 %입니다.

적응 형 변조

통신 타워에 설치된 CableFree Microwave Link

변조가 증가하면 라디오가 비 및 다중 경로 페이딩과 같은 전파 이상에 더 민감 해집니다. 마이크로파 홉 길이를 유지하기 위해 증가 된 감도는 더 높은 출력 전력과 더 큰 안테나로 보상 할 수 있습니다. 적응 형 변조는 모든 전파 조건에서 처리량을 최대화하는 매우 비용 효율적인 솔루션입니다. 실제로 적응 형 변조는 극도의 고차 변조로 배포하기위한 전제 조건입니다.

적응 형 변조를 사용하면 기존 마이크로파 홉을 예를 들어 114Mbps에서 최대 500Mbps로 업그레이드 할 수 있습니다. 용량이 클수록 가용성이 낮아집니다. 예를 들어 가용성은 99.999Mbps에서 5 % (연간 114 분 중단)에서 99.99Mbps에서 50 % (연간 238 분 중단)로 감소합니다. 시스템 게인 우수한 시스템 게인은 마이크로파의 핵심 매개 변수입니다. 예를 들어, 6dB 더 높은 시스템 이득을 사용하여 동일한 가용성으로 30 개의 변조 단계를 증가시켜 최대 XNUMX % 더 많은 용량을 제공 할 수 있습니다. 또는 홉 길이를 늘리거나 안테나 크기를 줄이거 나 모두를 조합하는 데 사용할 수 있습니다. 우수한 시스템 이득에 기여하는 요인으로는 효율적인 오류 수정 코딩, 낮은 수신기 잡음 레벨, 더 높은 출력 전력 작동을위한 디지털 전치 왜곡, 전력 효율적인 증폭기 등이 있습니다.

MIMO 다중 입력, 다중 출력 (MIMO)
MIMO는 3GPP 및 Wi-Fi 무선 액세스에서 스펙트럼 효율성을 높이는 데 널리 사용되는 성숙한 기술로, 사용 가능한 스펙트럼이 제한된 경우 용량과 처리량을 높이는 비용 효율적인 방법을 제공합니다. 역사적으로 마이크로파 애플리케이션의 스펙트럼 상황은 더 완화되었습니다. 새로운 주파수 대역을 사용할 수 있으며 용량 요구 사항을 충족하기 위해 기술이 지속적으로 개발되었습니다. 그러나 많은 국가에서 마이크로파 응용을위한 나머지 스펙트럼 자원이 고갈되기 시작했으며 향후 요구 사항을 충족하기 위해 추가 기술이 필요합니다. 5G 모바일 백 홀의 경우 마이크로파 주파수의 MIMO는 스펙트럼 효율성을 더욱 높이고 사용 가능한 전송 용량을 늘리는 효과적인 방법을 제공하는 새로운 기술입니다.

환경의 반사를 기반으로하는 '기존'MIMO 시스템과 달리 5G 모바일 백 홀의 경우 채널은 최적의 성능을 위해 지점 간 마이크로파 MIMO 시스템에서 '설계'됩니다. 이것은 홉 거리와 주파수에 따라 공간적으로 분리 된 안테나를 설치함으로써 가능합니다. 원칙적으로 처리량과 용량은 안테나 수에 따라 선형 적으로 증가합니다 (물론 추가 하드웨어 비용이 발생 함). NxM MIMO 시스템은 N 개의 송신기와 M 개의 수신기를 사용하여 구성됩니다. 이론적으로 N 및 M 값에는 제한이 없지만 안테나가 공간적으로 분리되어야하므로 타워 높이와 주변 환경에 따라 실질적인 제한이 있습니다. 이러한 이유로 2x2 안테나가 가장 실현 가능한 MIMO 시스템 유형입니다. 이러한 안테나는 단일 편파 (XNUMX 캐리어 시스템) 또는 이중 편파 (XNUMX 캐리어 시스템) 일 수 있습니다. MIMO는 마이크로파 용량을 추가로 확장하는 데 유용한 도구가 될 것이지만, 예를 들어 대부분의 국가에서 규제 상태가 여전히 명확해야하고 전파 및 계획 모델이 여전히 확립되어야하는 초기 단계에 있습니다. 특히 낮은 주파수와 긴 홉 길이의 경우 안테나 분리가 어려울 수 있습니다.

더 많은 스펙트럼
5G 모바일 백 홀용 마이크로파 용량 도구 상자의 또 다른 섹션에는 더 많은 스펙트럼에 대한 액세스 권한이 포함됩니다. 여기에서 밀리미터 파 대역 (비면허 60GHz 대역 및 라이선스 70 / 80GHz 대역)은 많은 시장에서 새로운 스펙트럼에 액세스 할 수있는 방법으로 인기가 높아지고 있습니다 (자세한 내용은 마이크로 웨이브 주파수 옵션 섹션 참조). 이 대역은 또한 훨씬 더 넓은 주파수 채널을 제공하여 5G 모바일 백홀을 가능하게하는 비용 효율적인 멀티 기가비트 시스템의 배포를 용이하게합니다.

처리량 효율성
처리량 효율성 (즉, 비트 당 더 많은 페이로드 데이터)에는 패킷 스트림의 동작에 초점을 맞춘 다중 레이어 헤더 압축 및 무선 링크 집계 / 본딩과 같은 기능이 포함됩니다.

다층 헤더 압축
다중 계층 헤더 압축은 데이터 프레임의 헤더에서 불필요한 정보를 제거하고 트래픽 목적을 위해 용량을 해제합니다 (그림 7 참조). 압축시 각 고유 헤더는 전송 측에서 고유 한 ID로 대체됩니다. 수신 측에. 헤더 압축은 더 작은 프레임 크기의 패킷에 대해 상대적으로 더 높은 활용 이득을 제공합니다. 그 헤더는 전체 프레임 크기에서 상대적으로 더 큰 부분을 차지하기 때문입니다. 즉, 추가 용량은 헤더 수와 프레임 크기에 따라 달라 지지만 일반적으로 이더넷, IPv5 및 WCDMA의 경우 10 ~ 4 % 증가하고 평균 프레임 크기는 400 ~ 600 바이트이며 15 ~ 20 % 증가합니다. 평균 프레임 크기가 동일한 이더넷, MPLS, IPv6 및 LTE를 사용합니다.

이 수치는 구현 된 압축이 전송되는 총 고유 헤더 수를 지원할 수 있다고 가정합니다. 또한 헤더 압축은 견고하고 사용이 매우 간편해야합니다. 예를 들어자가 학습, 최소 구성 및 포괄적 인 성능 표시기를 제공합니다.

무선 링크 집계 (RLA, 본딩)
마이크로파의 무선 링크 본딩은 LTE의 반송파 집성과 유사하며 그림 8에서 볼 수 있듯이 마이크로파 홉의 더 높은 점유율이 여러 반송파와 함께 배포되므로 지속적인 트래픽 증가를 지원하는 중요한 도구입니다. 두 기술 모두 여러 무선 반송파를 하나로 집계합니다. 따라서 통계적 멀티플렉싱 이득을 통해 효과적인 처리량을 증가시킬뿐만 아니라 피크 용량을 향상시킬 수 있습니다. 각 데이터 패킷은 트래픽 패턴에 관계없이 프로토콜 오버 헤드에 대한 약간의 감소만으로 총 집계 된 피크 용량을 사용할 수 있으므로 거의 100 %의 효율성이 달성됩니다. 라디오 링크 본딩은 관련 특정 마이크로파 전송 솔루션에 우수한 성능을 제공하도록 맞춤화되었습니다. 예를 들어, 적응 형 변조를 사용하여 각 무선 캐리어의 독립적 인 동작을 지원할 수있을뿐만 아니라 하나 이상의 캐리어에 장애가 발생하는 경우 정상 성능 저하 (N + 0 보호)를 지원할 수 있습니다.

캐리어 통합과 마찬가지로 무선 링크 본딩은 더 많은 캐리어, 대역폭이 다른 캐리어 및 서로 다른 주파수 대역의 캐리어 통합 지원을 통해 더 높은 용량과 더 유연한 캐리어 조합을 지원하기 위해 계속 개발 될 것입니다.

네트워크 최적화
용량 도구 상자의 다음 섹션은 네트워크 최적화입니다. 여기에는 초 고성능 (SHP) 안테나 및 자동 송신 전력 제어 (ATPC)와 같은 간섭 완화 기능을 통해 추가 주파수 채널없이 네트워크를 고밀도화하는 것이 포함됩니다. SHP 안테나는 매우 낮은 사이드 로브 방사 패턴을 통해 효과적으로 간섭을 억제하여 ETSI 클래스 4를 충족합니다. ATPC를 사용하면 유리한 전파 조건 (즉, 대부분의 경우) 동안 전송 전력을 자동으로 줄여 네트워크의 간섭을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 이러한 기능을 사용하면 네트워크에 필요한 주파수 채널 수가 줄어들고 채널당 총 네트워크 용량이 최대 70 %까지 늘어날 수 있습니다. 정렬 불량 또는 밀집된 배포로 인한 간섭은 많은 네트워크에서 백홀 구축을 제한하고 있습니다. 주의 깊은 네트워크 계획, 고급 안테나, 신호 처리 및 네트워크 수준에서 ATPC 기능을 사용하면 간섭으로 인한 영향을 줄일 수 있습니다.

미래, 5G 및 그 이상을 바라보기

CableFree 5G 모바일 무선 기술

향후 몇 년 동안 5G 모바일 네트워크 용 마이크로 웨이브 용량 도구는 발전 및 향상되며 함께 사용되어 10Gbps 이상의 용량을 가능하게 할 것입니다. 총 소유 비용은 다중 캐리어 솔루션과 같은 일반적인 고용량 구성에 최적화됩니다.

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