Ponti radio wireless in banda E per le reti 5G

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I ponti radio wireless in banda e renderanno possibile la diffusione delle reti 5G a livello globale, ma quali requisiti di sistema sono necessari per la tecnologia in banda E?

Questo articolo introduce le varie tecnologie di backhaul disponibili per le reti 5G, concentrandosi quindi sui ponti radio wireless in banda E e su come questi renderanno possibile la continua diffusione delle reti 5G a livello globale; fornisce inoltre un’analisi tecnica dei requisiti di sistema necessari per la tecnologia in banda E, tracciando poi i risultati nella progettazione della radio fisica e offrendo approfondimenti sulla catena del segnale a onde millimetriche (mmW).

Topologia di una rete 5G

Le reti 5G si stanno diffondendo in numero sempre maggiore sulla base del successo della tecnologia 4G Long Term Evolution (LTE). La figura 1 illustra la topologia di una rete 5G per aiutare a visualizzare la rete radio dall’accesso al backhaul; la topologia delinea quattro scenari con una connessione separata dalla rete principale. Le apparecchiature dell’utente (UE-User Equipment), come i telefoni cellulari e l’Internet wireless 5G, accederanno alla rete collegandosi alla stazione base (gNodeB) nella rete di accesso radio di prossima generazione (NG-RAN). Nella figura 1 i gNodeB sono rappresentati da macrocelle, piccole celle, punti di accesso 5G mmW e ripetitori. Le macro e le piccole celle coprono la gamma di frequenze (FR-Frequency Range) da 410 MHz a 7,125 GHz (FR1); le soluzioni 5G mmW coprono la gamma di frequenze da 24,25 GHz a 52,6 GHz (FR2). Le macrocelle hanno un ampio raggio di copertura, mentre quelle piccole, in numero maggiore rispetto alle macrocelle, sono più facili da installare, hanno però un raggio di copertura inferiore. La loro funzione è gestire il traffico in aree dense e aggiungere capacità o copertura alla rete in modo più efficiente senza aggiungere altre macrocelle. Il 5G mmW è la tecnologia di ultima generazione che aggiunge capacità per supportare nuove esperienze utente che aumentano la domanda di capacità di rete, come per esempio un evento sportivo in diretta in cui i fan possono guardare i replay su un dispositivo mobile. Esistono diverse altre istanze di apparecchiature NG-RAN che operano in FR1 e FR2, come radio MiMO massive, microcelle, femtocelle, picocelle ecc. Il termine ‘backhaul’, o ‘backhaul mobile’, si riferisce alla rete di trasporto che collega la rete centrale (CN-Core Network) e la rete di accesso radio (gNodeB nel 5G). Con l’aumento della densità dei siti di cella, l’importanza del backhaul wireless mobile e fisso è evidente, poiché sono necessari collegamenti ad alta capacità alla rete centrale. Il rapporto ‘Ericsson Microwave Outlook 2022’ mostra che entro il 2025 sarà necessaria una capacità di backhaul da 5 a 20 Gbps per sito per i siti cellulari urbani. Nella figura 1, il backhaul wireless è rappresentato da radio a microonde (μW) e in banda E (mmW). Le radio in banda E possono essere collegate alle radio μW o rappresentare un’alternativa con una maggiore larghezza di banda dati rispetto alle radio μW. Si aprono dunque nuove opportunità di business grazie al 5G, mentre cresce la pressione sugli operatori di telefonia mobile affinché forniscano rapidamente (time-to-market) collegamenti di backhaul ad alta capacità, bassa latenza, affidabili, scalabili e a costi ottimizzati, sia in aree urbane che rurali.

La differenza tra backhaul, midhaul e fronthaul

Nella RAN 5G, la funzionalità dell’unità in banda base (BBU-BaseBand Unit) è suddivisa in unità distribuite (DU-Distributed Unit) e unità centralizzate (CU-Centralised Unit). Il modo in cui l’operatore sceglie di collocarle dipende dall’interfaccia fronthaul disponibile, dalla tecnologia di trasporto dei collegamenti e da quanto sia meglio che l’elaborazione avvenga ai margini in modalità a bassa latenza rispetto a un approccio più centralizzato. La figura 2 mostra l’evoluzione architettonica della rete di accesso radio: il backhaul è una parte fondamentale di ogni soluzione. − RAN del sito cellulare: configurazione tradizionale, in cui l’unità radio (RU-Radio Unit) e la funzionalità BBU sono ospitate in un sito cellulare. Un collegamento backhaul separato si collega alla rete centrale; − RAN centralizzata (split di basso livello): questo modello consente di centralizzare porzioni della rete all’edge del sito, offrendo così vantaggi di virtualizzazione (vBBU). Ciò spinge la capacità di elaborazione verso l’edge del sito e riduce la complessità del sito di cella, in quanto vi è presente solo il layer fisico. Tuttavia, per trasportare grandi quantità di dati tra la RU e la BBU centralizzata, oggi è necessario un collegamento fronthaul: questa soluzione viene talvolta definita ‘split di basso livello’; − Split RAN (split di alto livello): consente di collocare RU e DU nel sito di cella o di disporli separatamente, e promette di offrire vantaggi in termini di virtualizzazione (vBBU) e di efficienza dei costi. Il CN è situato separatamente nel sito edge: si tratta di una suddivisione di alto livello; − RU e DU sono collocati nel sito di cella, mentre il CN è situato nel sito periferico. Ciò significa che è necessario un collegamento midhaul per collegare un CN remoto (sito edge) a RU+DU (sito di cella); − RU, DU e CN collocati separatamente. Sia i modelli di RAN centralizzata, sia quelli di RAN divisa consentono l’implementazione di hardware e software di più fornitori, il che dovrebbe portare a una maggiore efficienza dei costi per l’implementazione della rete. Le apparecchiature devono essere interoperabili (RU, DU, CU) per consentire di combinare le soluzioni dei vari fornitori e sfruttare le efficienze: questo è il cuore dell’alleanza Open-RAN (O-RAN). In passato non è stato così, perché i fornitori di apparecchiature avevano soluzioni di interfaccia proprietarie che impedivano l’interoperabilità con apparecchiature di più fornitori. L’aspetto interessante è che oggi il fronthaul e il midhaul sono collegamenti che si stanno evolvendo con l’implementazione da parte degli operatori di configurazioni RAN centralizzate e divise. La banda E può fornire una soluzione eccellente laddove la fibra ottica non è disponibile e/o l’installazione di tale fibra sarebbe proibitiva dal punto di vista dei costi, o non praticabile come soluzione a breve termine. Vale la pena notare che una differenza fondamentale tra il 4G e il 5G è che nel 5G NR il tradizionale EPC (Evolved Packet Core), che funziona su hardware specializzato e di solito si trova alla base o vicino alla torre cellulare, è stato diviso: in questo modo le singole funzioni possono essere eseguite su hardware Cots (Commerciale Off-The-Shelf). In effetti, nel 5G la rete centrale è più decentralizzata e le funzioni si sono spostate all’edge. Si veda la figura 3: le funzioni della rete centrale possono ora essere collocate all’edge, rendendo le comunicazioni più veloci e riducendo la latenza per gli utenti. Ciò consente anche lo ‘slicing’ della rete, che crea reti virtuali per requisiti applicativi specifici: una slice, per esempio, potrebbe fornire banda larga ad alta velocità, mentre un’altra slice potrebbe fornire connettività machine-to-machine per l’IoT. Inoltre, questa architettura edge cloud consente l’edge computing, in questo modo le reti possono disporre di piccoli data center vicino all’edge per supportare, per esempio, lo streaming video degli stessi contenuti, anziché cercare di effettuare il backhaul dei dati da una posizione centralizzata. In generale, questa architettura 5G crea efficienza e maggiore flessibilità nell’architettura dell’accesso alla rete, dell’hardware, delle funzioni e del backhaul.

Le soluzioni di backhaul oggi disponibili

Per gli operatori di rete mobile (MNO-Mobile Network Operator), l’opzione a più alta capacità disponibile è il backhaul in fibra. Si tratta infatti della tecnologia di backhaul utilizzata per piccole celle che domina al momento, grazie alla disponibilità della rete in fibra ottica in molte aree urbane/interne densamente popolate, dove le piccole celle vengono utilizzate per aumentare la copertura/capacità. La fibra ha una capacità fino a 1,6 Tbps (160 segnali×10 Gbps per segnale). La fibra è la scelta di capacità più elevata per i MNO; tuttavia, le principali sfide legate all’implementazione della fibra sono il costo, la disponibilità, i permessi di pianificazione (logistica) e, per finire, il tempo di implementazione. Secondo Gmsa, il costo di distribuzione della fibra ottica è di circa 70 k$/km. Il Capex e i tempi di implementazione sono altrettanti ostacoli alla crescita. È da notare inoltre che il backhaul μW/mmW e la fibra sono soluzioni complementari e coesistono nelle reti. Il wireless e la fibra rappresentano, per gli operatori, tecnologie di backhaul alternative. La soluzione di backhaul ottimale deve tenere conto di molti fattori, tra cui i tempi di implementazione, i permessi locali, statali e comunali, l’ottenimento del diritto di accesso, i requisiti di larghezza di banda dei dati, il terreno e il costo totale di proprietà. Le tecnologie di backhaul dominanti per le macrocelle sono μW e mmW, che rappresentano circa il 50% dei collegamenti di backhaul delle medesime; la tecnologia di banda con licenza μW è molto efficiente, facile da implementare e relativamente a basso costo (non è necessario scavare le strade cittadine o creare trincee). Copre frequenze da 6 a 42 GHz, bande molto adatte per collegamenti a medio-lungo raggio che possono raggiungere i 25 km. Il backhaul mmW in banda V (da 57 a 66 GHz) e in banda E (76/86 GHz) esiste da diversi anni; la banda V, tuttavia, soffre di un significativo assorbimento dovuto all’ossigeno, che crea una forte attenuazione del segnale a 60 GHz. Inoltre, i Paesi hanno normative diverse per quanto riguarda l’uso di questa banda; alcuni concedono in licenza porzioni dello spettro per il backhaul, mentre altri lo lasciano a uso libero. Europa e Stati Uniti sono territori che consentono l’uso senza licenza e stanno implementando regole per ridurre la probabilità di interferenze per le diverse configurazioni ma, in ogni caso, quando sono richiesti backhaul di alta qualità, la banda V non è affidabile. Il suo utilizzo è invece previsto principalmente per soluzioni di copertura indoor e outdoor senza licenza a corto raggio (WiGig). La banda E offre una soluzione con una larghezza di banda più ampia e un minore impatto ambientale, in grado di fornire collegamenti ad alta disponibilità. Allora perché, in passato, la banda E non è stata utilizzata più di tanto nelle reti? Nelle reti 4G la tecnologia di backhaul mmW era sottoutilizzata, data la capacità di larghezza di banda disponibile, necessaria solo in alcuni scenari, per cui la maggior parte del backhaul wireless veniva effettuato utilizzando le bande con licenza μW (da 6 a 42 GHz). Questa situazione sta cambiando con la rapida implementazione delle reti 5G e la densificazione, che richiede una capacità di backhaul di 10 Gbps o superiore.

I vantaggi della banda E rispetto altre tecnologie

La banda E offre due bande da 5 GHz dello spettro, da 71 a 76 GHz e da 81 a 86 GHz; queste bande sono suddivise in più canali da 250 MHz. Un vantaggio fondamentale nell’allocazione dello spettro è che può essere utilizzato per collegamenti Time Division Duplex o Frequency Division Duplex. Anche la capacità non è un problema, poiché la quantità massima di dati che può essere trasmessa in un collegamento punto-punto in banda E con licenza è superiore a 60 Gbps(1). La banda E ha anche il potenziale per essere utilizzata in sistemi punto-multipunto, il che aumenta ulteriormente la larghezza di banda disponibile per il backhaul. La capacità di canale è notevolmente superiore rispetto alle radio μW tradizionali, che sono limitate a collegamenti di circa 2,4 Gbps a causa della disponibilità delle frequenze. Inoltre, poiché le antenne in banda E concentrano l’energia elettromagnetica in un beam ristretto (per esempio, 1 grado di direttività), possono avere un elevato guadagno (45 dBi) e un fattore di forma piccolo (30 cm di diametro), ideale per il posizionamento discreto su edifici o torri. Inoltre, con una potenza di trasmissione RF modesta è comune che la banda E supporti collegamenti di lunghezza fino a 3 km(2). Per un confronto tra le tecnologie di backhaul più diffuse si vedere la tabella 1. Per quanto concerne il rame, si tratta di una soluzione obsoleta, che utilizza il protocollo T1/E1 e non è facilmente scalabile per fornire la larghezza di banda necessaria per il 4G, figuriamoci per il 5G. È ancora una scelta possibile per le piccole celle interne e per i luoghi pubblici, ma gli operatori stanno abbandonando questa tecnologia. Il satellite non è molto utilizzato rispetto alla fibra o al μW/mmW, perché le velocità di trasmissione dei dati sono limitate e, nel caso dei satelliti geostazionari (orbita terrestre molto alta), la latenza rappresenta un problema. I satelliti a basso livello orbitale (LEO), invece, potrebbero svolgere un ruolo sempre più importante grazie alla loro latenza inferiore, ma questo non è ancora ben chiaro. Il vantaggio principale del satellite è quello di collegare le aree rurali dove non è possibile ricorrere a mezzi alternativi. Il wi-fi non è una tecnologia molto utilizzata per il backhaul, se non in un numero molto ridotto di mercati emergenti. Le bande di frequenza non sono soggette a licenza e, quindi, le interferenze dovute al numero crescente di punti di accesso wireless e la portata limitata rappresentano un problema.

Trasferimento dati via etere in banda E

La banda E utilizza la tradizionale codifica a modulazione digitale, da Bspk a 1.024 QAM, per il trasferimento dei dati via etere. Ma cosa può limitare la distanza del collegamento? − Condizioni meteorologiche avverse: pioggia, nebbia, nevischio e neve attenuano la potenza del segnale in modo imprevedibile, diminuendone il livello al ricevimento e riducendo il rapporto segnale/rumore (SNR-Signal to Noise Ratio). È interessante notare che, in caso di pioggia, i collegamenti radio in banda E possono utilizzare una modulazione adattiva, il che significa che un collegamento può passare a una modulazione meno complessa per evitare la perdita di dati. Questo consente di mantenere la connettività per il collegamento dati ad alta disponibilità, riducendo la capacità durante i periodi avversi. La soluzione SiP (System in Package) di ADI garantisce una disponibilità del 99,999% per un collegamento di 1 km con pioggia fino a 100 mm/h; − capacità in banda base: quando si opera alle frequenze della banda E, l’unità in banda base diventa il collo di bottiglia per il throughput dei dati. La tipica BBU supporta 10 Gbps di velocità di trasmissione dati, mentre lo spettro disponibile può supportare oltre 60 Gbps di velocità di trasmissione dati: i SiP ADI in banda E supportano ordini di modulazione fino a 1.024 QAM; − rumore di fase del LO: il rumore di fase può limitare l’ordine di modulazione. Il jitter del LO contribuisce a ridurre l’SNR a causa del rumore che si sovrappone al segnale di interesse da convertire verso l’alto o verso il basso. ADI dispone di eccellenti sorgenti esterne a banda larga PhaseLocked Loop/Voltage-Controlled Oscillator (PLL/ VCO) e di moltiplicatori di percorso LO e amplificazione in banda E on-chip. La tabella 2 mostra i requisiti di efficienza di bit e SNR previsti per le diverse modulazioni supportate dalle tecnologie in banda E.

Le radio in banda E sono più difficili da progettare rispetto alle radio μW?

Le radio in banda E possono sfruttare gran parte dell’attuale struttura delle schede radio a banda base μW, compresi il nucleo del modem, il processore, i moduli di memoria, il recupero/generazione del clock e la circuiteria sync 1588, oltre al front end analogico a bassa frequenza. Questo facilita la transizione dei fornitori di radio μW nello spazio della banda E. Il modulo front end in banda E, il diplexer e l’antenna sono i nuovi blocchi di progettazione necessari per la transizione da una radio μW a una in banda E (si veda figura 4). Senza dubbio un progetto a 76/86 GHz può apparire ostico, in quanto la complessità della progettazione in mmW è maggiore rispetto a quella di un progetto a frequenza RF inferiore o addirittura μW. Come si nota nella figura 4, le transizioni WG sono integrate nel SiP ADI per la banda E, per passare a segnali a frequenza più elevata con una perdita minima di radiofrequenza (RF) verso l’antenna. I SiP ADI hanno eliminato l’assemblaggio di stampi, incollaggi e resina epossidica e possono essere assemblati con apparecchiature di assemblaggio pick&place standard: il SiP in banda E ha reso l’assemblaggio delle radio simile a quello delle radio μW. I budget dei collegamenti in banda E possono essere impegnativi a causa della perdita di 131 dB nello spazio libero a 1 km(4) e dell’attenuazione da pioggia di 17 dB/km e 31 dB/km per una disponibilità del 99,99% e del 99,999%(5). I progettisti devono considerare attentamente requisiti quali il guadagno, la potenza di trasmissione, la figura di rumore e l’IP3 per soddisfare i requisiti di backhaul degli operatori di rete 5G. Analog Devices vanta una ricca tradizione nella tecnologia di backhaul μW e mmW e ha sviluppato dispositivi in banda E per ridurre molte delle sfide di progettazione e assemblaggio sopra menzionate, per aiutare i progettisti a sentirsi a proprio agio in questo spazio in banda E.

Banda E: il prossimo contributo per soddisfare le esigenze di backhaul del 5G

Questa esplorazione della banda E mette in evidenza la sua maggiore larghezza di banda per le reti 5G, ampliando le opzioni di backhaul. Si tratta di un’eccellente tecnologia, complementare alla fibra, e offre agli operatori una flessibilità ancora maggiore nella pianificazione delle installazioni e nel bilanciamento di una soluzione RAN centralizzata o divisa. Sviluppando SiP a montaggio superficiale, altamente integrati, con ingresso o uscita in banda base e uscita o ingresso in guida d’onda integrati, ADI ha eliminato gran parte del lavoro gravoso associato alla progettazione di front end in banda E. I progettisti non devono più preoccuparsi di gestire le matrici utilizzando le soluzioni tecnologiche pacchettizzate di ADI per la banda E. L’obiettivo di ADI è quello di favorire questo mercato, offrendo una tecnologia più accessibile alla comunità dei progettisti RF/μW e mmW.

Analog Devices (ADI) – www.analog.com

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