Drei Optionen für 5G-Middle-Haul- und Fronthaul-Link-Implementierungen!

Optische Netzwerkgeräte spielen eine wichtige Rolle in optischen Übertragungsnetzen. Sie erfüllen verschiedene Funktionen auf der physikalischen Schicht des Netzes, z. B. Wellenlängenmultiplexing, optische Leistungsverteilung und photoelektrische Umwandlung. Es ist eine Tatsache, dass optische Geräte eine wichtige Rolle für den Erfolg von 3G- und 4G-Netzen gespielt haben. Wenn es jedoch um 5G-Netzwerke geht, bestehen erhebliche Herausforderungen in Bezug auf die Fronthaul- und Middlehaul-Konnektivität. Wir werden in diesem Beitrag über diese Herausforderungen und die möglichen Lösungen sprechen, aber lassen Sie uns zunächst klären, was es bedeutet, wenn wir im Zusammenhang mit 5G-Netzwerken von Fronthaul und Middle Haul sprechen.

Architektonische Unterschiede zwischen 4G und 5G

• Die Funktionen der 4G BBUs sind auf zwei neue Komponenten verteilt: CU und DU. Die CU ist für die Nicht-Echtzeit-Dienste und -Protokolle zuständig, während die DUs die restlichen BBU-Funktionen übernehmen.

• The antenna is reconstructed as an AAU (active antenna unit). The AAU takes over the processing functions of the physical layer of the original RRU, the original BBU and the passive 4G antenna.

• DUs (verteilte Einheiten) handhaben die Echtzeitdienste und Protokolle der physikalischen Schicht. In 4G-Netzen haben wir BBUs, die diese Protokolle und Dienste verwalten.
  Das CPRI-Kommunikationsprotokoll wird für die Frontthaul-Datenübertragung in 4G verwendet und wird in 5G durch eCPRI ersetzt.

Was sind 5G Fronthaul, Mid-haul (oder Middle-haul) und Backhaul?

In 5G-Netzen bezieht sich der Begriff "Fronthaul" auf die Kommunikationsverbindungen, die die auf Türmen montierten Funkgeräte und die verteilten Einheiten verbinden. Das 5G-Fronthaul verwaltet die Echtzeit- und Echtzeitdienste. In der Regel werden die Fronthaul-Daten über Glasfaserkabel übertragen. Middle-Haul-Verbindungen sind diejenigen, die verteilte Einheiten mit den zentralen Einheiten verbinden, und diese Verbindungen arbeiten mit Nicht-Echtzeitdiensten und -protokollen. Der Backhaul verbindet die 5G-Teilnetze mit den Kernnetzen.

Überlegungen zu optischen Komponenten für 5G Fronthaul- und Midhaul-Verbindungen

In 5G-Netzen werden die drahtlosen Basisstationen in der Regel auf den Dächern der Gebäude oder den Kommunikationstürmen installiert. Daher müssen die optischen Geräte, die im Middlehaul und Fronthaul verwendet werden, den rauen Außenbedingungen standhalten können. Der Betriebstemperaturbereich dieser optischen Komponenten muss den Anforderungen an den Temperaturbereich für Industriegeräte entsprechen, d. h. -40 bis 85 °C. Für den Einsatz in Innenräumen müssen die optischen Komponenten den Temperaturanforderungen für kommerzielle Geräte entsprechen, d. h. 0 bis 70 °C.

Im Allgemeinen bleibt die für 5G-Fronthaul-Verbindungen erforderliche Übertragungsdistanz unter 10 km, wovon 5 bis 10 km 20 % und weniger als 5 km 80 % ausmachen. Dies ändert sich jedoch von Anwendung zu Anwendung. Für eine sichere Planung müssen wir die zunehmende Dämpfung über jede Fronthaul-Verbindung berücksichtigen, die durch die Verschlechterung der unter atmosphärischen Bedingungen verlegten Glasfaserkabel entsteht.

Für Mittelstreckenverbindungen sind Entfernungen zwischen 10 und 40 Kilometern vorgesehen. Daher müssen die in den Mittelstreckenverbindungen verwendeten Geräte den von verschiedenen Stellen festgelegten Anforderungen an Geräte für den industriellen Einsatz entsprechen.

Vorgeschlagene 5G Fronthaul- und Middle-Haul-Lösungen

Wir alle wissen, dass optische Transceiver die photoelektrische Umwandlung nutzen, um elektrische Signale in optische Signale umzuwandeln, und dass sie Glasfaserkabel für die Datenübertragung verwenden. Die höchsten Kosten entstehen also durch die Ressourcen der Glasfaserkabel in jedem optischen Netz. Aus diesem Grund sind die Netze so konzipiert, dass sie sich auf die Optimierung der Ressourcen konzentrieren, und durch die Verwendung von weniger Glasfaserkabeln kann viel Geld gespart werden. Im folgenden Teil dieses Beitrags werden wir über drei praktikable Netzwerklösungen für den Aufbau von Fronthaul- und Midhaul-Glasfaserverbindungen sprechen!

Erste Option: 25G BiDi SFP28-Transceiver

In cases where there is no lack of resources, we can use 25G BiDi SFP28 modules to provide a direct link between mast-mounted devices and distributed units. In most cases, a base station hosts three cells. In this case, three fiber cables are needed to connect one base station. This arrangement is widely known as One Fiber One Cel and can be used for connections of 10 to 20 kilometers.

Zweite Option: WDM-Schema

Eine weitere praktikable Lösung für die Realisierung von 5G-Fronthaul-Verbindungen ist das Multiplexen von verschiedenen Diensten. Bei dieser Technik wird jede von einer Basisstation verwaltete Dienstwellenlänge auf ein Faserpaar oder eine einzelne Faser gemultiplext, um Ressourcen zu sparen. Das WDM-Schema ist auch als 1-Faser-1-Standort-Schema bekannt. Diese Option kann jedoch in vielen Fällen typisch sein, da sie verschiedene farbige optische Module beinhaltet. Daher ist es eine Herausforderung, es zu entwerfen, zu implementieren und zu warten. Hier kommt die Rolle der abstimmbaren optischen Transceiver ins Spiel. Diese Transceiver können den Einsatz des WDM-Schemas ein wenig vereinfachen.

Daher haben viele Betreiber die Möglichkeit geschaffen, 25G abstimmbare SFP28-Module und passive optische Komponenten wie 5G CCWDM-Module und 5G OMUX zu verwenden, um robuste 5G-Fronthaul-Verbindungen aufzubauen. Das aktive WDM-Schema ist besser, da es das System abwärtskompatibel mit den bestehenden 3G- und 4G-Diensten hält. Außerdem bietet das aktive WDM-Schema bessere Optimierungs- und Verwaltungsfunktionen. Allerdings sind die Kosten für den Aufbau aktiver WDM-Verbindungen höher als die für passive WDM-Verbindungen.

Dritte Option: Passives WDM-Schema

DWDM und CWDM sind zwei Arten der passiven Wellenlängenaufteilung. Bei der passiven WDM-Fronthaul-Konfiguration sind mehrere Basisstationen über ein Punkt-zu-Mehrpunkt-P2MP-Netzwerk mit einer DU verbunden. Diese Option ähnelt der zweiten Option, da beide WDM für die Datenübertragung zwischen AAUs und DUs verwenden. Die Einrichtung eines passiven WDM-Schemas ist jedoch kostengünstiger als aktives WDM. Der 40-Kanal-DWDM-Mux/Demux ist eine beliebte 5G-Fronthaul-Option, da er bis zu sechs Basisstationen mit DUs verbinden kann, vorausgesetzt, dass jede Station drei Zellen hat.

Die Verfügbarkeit geeigneter AWGs ist für diese Option unerlässlich. Derzeit sind die handelsüblichen AWGs auf dem Markt nicht ausreichend geeignet, um rauen Umgebungen standzuhalten. Einige Anbieter behaupten jedoch, athermische AWGs entwickelt zu haben. Als Ersatz für AWGs können auch PLC-Splitter verwendet werden, da die Industrieversion dieser Splitter für den Außeneinsatz geeignet ist.

Fazit

Die Einführung von 5G ist ein revolutionärer Schritt in der Geschichte der Vernetzung. Allerdings sind die anhaltende Pandemie, die Halbleiterkrise und andere geopolitische Probleme neben der unzureichenden technischen Theorie einige der Herausforderungen, mit denen sowohl Verbraucher als auch Hardwarehersteller konfrontiert sind.

Die beste praktikable Option für Fronthaul-Netzwerke ist die direkte Glasfaserverbindung. Aktive und passive WDM-Schemata sind für diesen Zweck ebenfalls denkbar, aber die geeignete Hardware ist immer noch eine große Frage. In diesem Beitrag haben wir drei mögliche Lösungen für den Aufbau von 5G-Fronthaul- und Middlehaul-Verbindungen vorgestellt. Wir glauben, dass die Dinge bis Ende 2022 transparenter werden und wir andere zuverlässige 5G-Konnektivitätsoptionen sehen werden.