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微波将推动5G的发展
材料来源:《微波杂志》2019年9/10月号           录入时间:2019/10/14 10:02:59

Microwave Will Drive the Development of 5G

Tamas Madarasz, Nokia, Espoo, Finland

移动数据流量正在迅速增长,目前的估计显示:从2014年到2020年,移动数据流量将增长40倍。到2025年,随着从冰箱到工业控制器等智能产品的大量涌现,网络还将把大约500亿个设备连接到物联网。因此,在向5G过渡的过程中,许多通信服务提供商(CSP)正在重新考虑它们现有的传输网架构。

向5G的转变不同于前几代移动通信技术所经历的变化,因为5G不仅仅是使用新频谱的创新无线电技术。除了前述的极具挑战性的容量因素之外,5G还引入了一种新的网络架构方法,为有望实现下一个万亿美元增长的行业提供了新的商业模式。这显然不会仅仅通过在发展中的市场销售更多智能手机或提供简单的连接来实现;相反,它建立在新的概念之上,如致密化、网络功能的分解(例如用户平面和控制平面的分离)、可编程传输、网络切片、端到端自动化和编排,以支持新的服务和业务模型1。这需要各种网络域、技术、组件和服务之间的复杂协同。

随着5G的部署,移动传输网必须发展,以满足这一复杂的新需求,迫使CSP实施回传改造项目,以满足5G无线接入网(RAN)服务供应的需求。漫不经心的观察家可能会认为,未来的运输网将是光纤的天下。的确,由于通信服务提供商利用了这项技术的优势,光纤在传输网中的应用与日俱增。然而,光纤并非总是可用的,而且可能过于昂贵。例如,当光纤节点距无线接入点数百米时,采用微波连接可降低总拥有成本(TCO)。目前已有超过50%的蜂窝基站采用微波,任何效费比更高的5G演进都将继续使用现有的4G/LTE网络资产,特别是由于微波技术能够支持5G极具挑战性的容量和延迟指标。

如前所述,5G将支持许多新的服务,包括增强的移动宽带、增强现实(AR)和关键任务通信,创建一个前所未有的流量组合需要显著提高性能。例如,吞吐量必须提高10倍(F1链路和蜂窝基站回传接口为10-25 Gbps),端到端延迟必须降低到1 ms。为了满足不断增长的5G容量需求,优化频谱使用并显著提高容量的新微波解决方案已经问世,后续还将推出更多。一旦需要对付延迟,物理上更倾向于微波。传播介质的延迟取决于介质的密度,因此无线连接的延迟从本质上要小于相同长度的光缆。还必须考虑设备的延迟。关键任务应用需要高的弹性。在地震、火灾或简单的道路维护等主要事件中,无线通常比光纤更可靠。在这些情况下,采用微波连接的恢复时间要快得多。由于所有这些原因,微波传输将成为5G的一个要素,在CSP加速其5G推广的过程中发挥重要作用。

一个新的架构

5G不仅是一项创新的无线电技术。它引入了一种新的网络架构方法,以实现5G用户所期望的性能的显著改善。例如,CSP此前是独立地处理核心、传输和RAN,并且倾向于在部署之后才去集成不同的基础设施部件。然而在5G场景中,使用这种方法,部署后集成的成本、上市时间和服务质量下降的风险都将显著增加。如果没有跨域设计和部署前集成,CSP可能会错失新的5G商机。依赖于超可靠低延迟通信(URLLC)和极高网络可靠性的业务关键应用,只能用无线、传输、核心、数据中心和管理系统的无缝、无差错的交互提供。

网络切片(图1)是下一代服务与业务模型的一个要素。采用网络切片,网络资源(虚拟网络功能和传输网)可被不同的服务分享。网络被虚拟分割成几个独立的逻辑资源,以同时满足多个应用的需求。这与分享网络资源的传统设置(其中,一个主机向一个或多个客户提供硬件和软件资源)有所不同。不同之处在于,它依赖于软件定义网络(SDN)的概念。支持SDN的微波网络通过一个虚拟的传输服务提供资源,SDN控制器充当管理程序来分配资源。例如,可以用一个网络切片为超低延迟应用提供服务,该网络切片采用载波聚合将服务分配到一个E波段(即80 GHz)通道。不需要低延迟的其它服务,可以通过SDN控制器中的一个负载平衡算法来分配,以高效利用载波聚合的带宽。

1:传输网切片创建多个管道,以满足大量不同的性能要求

网络切片需要大量的服务自动化和优化。由于网络的复杂性和每个服务所需的生命周期不同,此类动态的环境非人力所能管理。取而代之,它需要一种端到端的方法来实现,这意味着新聚合的网络必须过渡到IP以支持该方法。无论微波与光纤如何组合,传输网都必须与基站提供的分布式IP核心和RAN功能同步,以满足每个网络切片所需的服务等级。复杂的流量工程与提供更短服务激活周期(从数天、数小时到数分钟)的灵活性结合在一起,使网络自动化水平的跳变成为唯一明智的选择。

所有这些加剧了复杂性。例如,虚拟RAN功能将分布在多个平台上,并通过新的互连接口集成起来。一些功能将转移到云中实现中心化,以优化成本和性能;另一些功能则会更接近终端用户,以更好地满足严苛的低延迟指标。这种灵活而复杂的网络将需要前所未有的自动化水平,以实现细化的端到端流量工程,并满足每个服务或网络切片的不同服务水平协议。每个切片将有效地成为一个自动化、可编程的传输管道,能够动态地满足变化的需求。

网络物理边缘的致密化意味着需要连接更多的站点,这对传输具有重要的影响。例如,在一个典型的部署中,一个宏基站可能是其覆盖区域内若干小基站的汇集站点。高用户密度(> 150,000用户/平方公里)意味着需要采用不同的连接技术来提高基站站点之间的连接性,因此致密化要求拓扑结构向网格形或部分网格形结构转变。

适用于所有场景的微波解决方案

从高流量热点到乡村覆盖,每个5G网络场景都有支持微波解决方案的充足论据(图2)。例如,在超高密度的城区,如拥挤的广场、机场和体育场,可以采用毫米波无线接入层(如26、28或39 GHz)部署5G网络,如图3所示。这需要极大容量的回传(≥10 Gbps),且传输链路长度小于1公里。小的视线效应是在密集城市环境中部署的另一个考虑因素,尺寸极小的微波解决方案将与RAN设备集成在一起。在郊区,典型的链路距离是7-10公里,接入层将基于sub-6 GHz频段,且连接性的要求远没有那么极端,但仍然需要5-10 Gbps的容量。这与乡村环境形成了对比,乡村地理覆盖范围更大,且接入网的频率低于1 GHz。乡村传输网的回传必须高达2 Gbps,且链路长度通常超过10公里。

2:微波必须满足不同的传输需求,从密集的城市热点到乡村地区

3:微波和毫米波传输网可以满足5G数据容量(a)和覆盖(b)的需求

除了针对所有场景的解决方案,CSP还必须确定它们的端到端服务能力,包括传输之外的访问和管理因素。一套微波解决方案必须完全集成到端到端网络和服务中。

为了满足5G对更大容量的要求,已经有了优化频谱使用的新的微波解决方案:载波聚合在同一链路上使用多个频段;使用更宽通道、功率更大、效率更高的功率放大器;以及满足未来网络解决方案中关键指标的毫米波频谱。例如,在当今用于RAN回传(6-42 GHz)的频段中,一些供应商已经在单个盒子中提供了容量2.5 Gbps的收发机,这归功于在2×112 MHz频道中应用了4096-QAM调制。不止如此,目前的E波段解决方案已准备好满足5G引入的最初浪潮(需要高达10 Gbps的传输容量、城市环境中20 µs的延迟)。将E波段与传统6-42 GHz的微波频段相结合,可能实现更长的距离,同时保持最有价值的流量所需的高可用性。采用高效的载体聚合,可以实现10-20 Gbps的双向容量。

进一步展望未来,电信业正在考虑将100 GHz以上的频段用于未来5G网络的传输部分。最近的活动反映出对W波段(92-114.25 GHz)和D波段(130-174.8 GHz)最感兴趣。W波段被视为E波段的一种可能的扩展,这是由于这两个波段有相似的传播行为;D波段的特性使设备设计的创新方法成为可能。此外,仅数平方厘米的极小尺寸有利于射频器件与天线的集成。在传输和接入产品中,这些频段(采用100 GHz以上的频段)支持新的网络结构,例如与波束控制相结合的点对多点连接和网格形连接。

5G网络转型对3G阶段和4G早期部署的微波解决方案的影响,可能远甚于任何其它的传输技术。大量已安装的微波基站将不可避免地被新的为5G设计的微波解决方案所取代——某些情况下是光纤。CSP的目标是降低回传网络升级期间的预算,以使其演进中的资产的TCO最小化。最新的微波设计是高度小型化的,通常有集成的天线和其它组件,使其能够用于广泛的用例。新的微波室外单元还支持多频系统和载波聚合,有助于降低TCO。

现在和将来的解决方案

为了在选择最好的前进道路时拥有最大的灵活性,各公司必须寻找恰当的解决方案和工具,从而能够在回传网络升级期间降低兼顾资本支出(CAPEX)和运营成本(OPEX)的预算。最佳解决方案结合了一套端到端的组合,包括跨域、云原生实用程序,并能跨越分布式云基础设施快速部署虚拟化功能。这将简化服务规模缩放,缩短上市时间,并在整个射频、核心和传输网络中实现高效费比。

寻求数字化转型的公司需要一种融合前传、中传(midhaul)和回传并在同一个网络中服务各种用例的解决方案,来应对5G传输的挑战。每个CSP都将沿着一条独特的道路迈向5G,但每个CSP都需要处理好演进中的传输网。当下,传输层必须处理许多技术(包括新、老技术),并将很快转向满足更极端的要求(图4)。CSP需要在传输网中采用一种端到端的方法,微波技术成为新方法中的一个关键因素。微波技术将帮助CSP,在持续构建5G所需新功能之时利用好已有的投资。

4:通过在整个射频、传输、核心网和中心云中使用网络切片,5G具有用一个公共底层基础设施支持各种用例的灵活性。

参考文献

1.“The Evolution of Microwave Transport - Enabling 5G and Beyond,” Nokia, 2019, pp. 1–24, https://nokia.ly/2NrxmWK


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