Czy 5G wymaga kabla światłowodowego? Co musisz wiedzieć o infrastrukturze przesyłowej 5G

Czy 5G wymaga kabel światłowodowy ? Krótka odpowiedź brzmi: nie zawsze, ale światłowód jest zdecydowanie preferowany i często niezbędny do zapewnienia pełnej wydajności 5G. Sieci 5G zależą od połączenia typu backhaul — połączenie między masztem komórkowym lub małą komórką a siecią szkieletową — i chociaż kabel światłowodowy jest złotym standardem w przypadku tej sieci szkieletowej, operatorzy mogą również w określonych scenariuszach korzystać z rozwiązań mikrofalowych, bezprzewodowych na falach milimetrowych lub rozwiązań hybrydowych. Jednak wyjątkowo niskie opóźnienia i wielogigabitowa przepustowość, które definiują prawdziwą sieć 5G, są niezwykle trudne do osiągnięcia bez infrastruktury światłowodowej w pewnym punkcie ścieżki sygnału. Zrozumienie, gdzie, dlaczego i jak światłowód pasuje do architektury 5G, ma kluczowe znaczenie dla planistów sieci, gmin, deweloperów i konsumentów oceniających usługi 5G.

Dlaczego 5G potrzebuje tak potężnej infrastruktury typu backhaul?

Sieć 5G wymaga przepustowości łącza dosyłowego od 10 do 100 razy większej niż 4G LTE, co sprawia, że ​​wybór technologii łącza dosyłowego jest decydującym czynnikiem wpływającym na jakość sieci. Aby zrozumieć dlaczego, rozważmy skok pokoleniowy w pierwotnej wydajności: pojedyncza stacja bazowa 5G wykorzystująca widmo średniego pasma (3,5 GHz) może zapewnić łączną przepustowość 1–4 Gb/s , podczas gdy węzeł 5G wykorzystujący fale milimetrowe (mmWave) teoretycznie może wytrzymać ponad 10 Gb/s . Dla porównania, typowa stacja bazowa 4G LTE wymaga jedynie 200–500 Mb/s przepustowości przesyłu zwrotnego.

Poza surową prędkością, 5G wprowadza rygorystyczne wymagania dotyczące opóźnień . Przypadki użycia ultraniezawodnej komunikacji o niskim opóźnieniu (URLLC), takie jak pojazdy autonomiczne, zdalna chirurgia i automatyka przemysłowa, wymagają kompleksowego opóźnienia 1 milisekunda lub mniej . Każde łącze typu backhaul na ścieżce sygnału zwiększa opóźnienie; pojedynczy przeskok w kuchence mikrofalowej dodaje około 0,1–0,5 ms , podczas gdy połączenie światłowodowe obejmujące tę samą odległość nie wprowadza praktycznie żadnego mierzalnego opóźnienia propagacji przekraczającego stałą prędkości światła. To sprawia, że ​​światłowód jest jedynym medium typu backhaul zdolnym do spójnego realizowania celów URLLC na dużą skalę.

Dodatkowo, Małe komórki 5G są wdrażane z gęstością 10–50 razy większą niż makrowieże 4G , zwłaszcza w środowisku miejskim. Gęsta miejska sieć 5G może wymagać jednej małej komórki na każdą 100–250 metrów . Każdy z tych węzłów wymaga połączenia typu backhaul. Doprowadzenie światłowodu do każdej małej komórki to ogromne przedsięwzięcie w zakresie inżynierii lądowej i dlatego właśnie pojawia się pytanie, czy 5G wymaga kabla światłowodowego ma ogromne znaczenie handlowe i techniczne.

Jak kabel światłowodowy pasuje do architektury sieci 5G?

Kabel światłowodowy odgrywa rolę w wielu warstwach sieci 5G – nie tylko w segmentach typu backhaul, ale także w segmentach fronthaul i midhaul. Zrozumienie tych trzech segmentów wyjaśnia dokładnie, gdzie i dlaczego błonnik jest niezbędny.

Fronthaul: Podłączenie jednostki radiowej do jednostki rozproszonej

Segment fronthaul łączy jednostkę radiową (RU) — antenę na szczycie wieży lub małej komórki — z jednostką rozproszoną (DU), która obsługuje krytyczne czasowo przetwarzanie pasma podstawowego. To łącze jest niezwykle wrażliwe na opóźnienia: standard 3GPP określa budżet opóźnień typu fronthaul wynoszący zaledwie 100 mikrosekund (0,1 ms) . Wymóg ten jest na tyle rygorystyczny, że jedynie kabel światłowodowy lub dedykowane łącza bezprzewodowe o bardzo krótkim zasięgu mogą go niezawodnie spełnić. Zwykle przenosi łącze światłowodowe typu fronthaul 25 Gb/s lub więcej na jednostkę radiową w dużym wdrożeniu MIMO 5G.

Midhaul: Podłączenie jednostki rozproszonej do jednostki scentralizowanej

Linia pośrednia łączy DU z jednostką centralną (CU), gdzie odbywa się przetwarzanie protokołu wyższej warstwy, a segment ten charakteryzuje się bardziej swobodnym budżetem opóźnień wynoszącym około 10 ms. W tym przypadku preferowanym medium pozostaje światłowód, ale łącza mikrofalowe o dużej przepustowości mogą służyć jako alternatywa w obszarach, w których rozmieszczenie światłowodów jest zbyt kosztowne. W przypadku wdrożeń miejskich na dużą skalę, wykorzystuje się łącza światłowodowe Multipleksowanie z gęstym podziałem długości fali (DWDM) umożliwia dziesiątkom kanałów logicznych współdzielenie jednej pary włókien, radykalnie zmniejszając koszty infrastruktury przypadające na węzeł.

Backhaul: Podłączenie lokalizacji komórkowej do sieci szkieletowej

Najpowszechniej omawianym segmentem jest backhaul, który przenosi zagregowany ruch z wielu stacji bazowych do sieci szkieletowej operatora i dalej do Internetu. To tutaj debata dotycząca światłowodów i sieci bezprzewodowych jest najbardziej aktywna. Sieć światłowodowa typu backhaul zapewnia symetryczną przepustowość z faktycznie nieograniczoną skalowalnością, opóźnieniami poniżej milisekundy i brakiem podatności na zakłócenia pogodowe. Bezprzewodowa łączność typu backhaul (mikrofalowa lub mmWave) zapewnia szybsze wdrożenie i niższe koszty cywilne, ale wprowadza opóźnienia, ograniczenia przepustowości i problemy z niezawodnością łącza – a wszystko to ogranicza wydajność 5G.

Która technologia backhaul jest najlepsza dla 5G: opcje światłowodowe czy bezprzewodowe?

Kabel światłowodowy przewyższa wszystkie alternatywne rozwiązania w zakresie bezprzewodowej transmisji typu backhaul pod względem wskaźników, które mają największe znaczenie dla sieci 5G — przepustowości, opóźnień i długoterminowej skalowalności — ale opcje bezprzewodowe pozostają wykonalne w przypadku określonych scenariuszy wdrożeń. Poniższa tabela zawiera bezpośrednie porównanie.

Tabela 1: Porównanie opcji technologii szkieletowej 5G pod względem wydajności, opóźnień, wrażliwości na warunki atmosferyczne, kosztów wdrożenia i idealnego przypadku użycia.

Dane jasno to pokazują Kabel światłowodowy to jedyne medium typu backhaul, które jednocześnie bezkompromisowo spełnia wymagania dotyczące pojemności, opóźnień i niezawodności sieci 5G. Alternatywy bezprzewodowe to przydatne narzędzia w zestawie narzędzi operatora, ale stanowią one raczej kompromis niż odpowiednik, a te kompromisy bezpośrednio ograniczają doświadczenie 5G, jakie otrzymują użytkownicy końcowi.

Jakie rodzaje kabli światłowodowych są stosowane w sieciach 5G?

Nie wszystkie kable światłowodowe nadają się do zastosowań 5G — wybór typu światłowodu, liczby pasm i metody wdrażania ma bezpośredni wpływ na wydajność sieci, ścieżkę modernizacji i całkowity koszt posiadania w ciągu 20–30-letniego cyklu życia infrastruktury.

Światłowód jednomodowy (SMF)

Światłowód jednomodowy jest dominującym wyborem w przypadku sieci typu backhaul i midhaul 5G ze względu na jego zdolność do przesyłania sygnałów na odległości od 10 km do 80 km bez wzmocnienia. SMF wykorzystuje bardzo wąski rdzeń (około 9 mikrometrów ), który umożliwia propagację tylko jednego trybu światła, eliminując dyspersję modową i umożliwiając prędkość 100 Gb/s do 400 Gb/s na długość fali przy użyciu spójnych transceiverów optycznych. Standard ITU-T G.652D (OS2 w terminologii centrów danych) jest najczęściej wdrażanym wariantem SMF w infrastrukturze 5G na świecie.

Światłowód wielomodowy (MMF)

Światłowód wielomodowy jest stosowany w połączeniach o krótkim zasięgu w centrach danych i pomieszczeniach sprzętowych 5G, obejmujących odległości zwykle poniżej 500 metrów. Obsługa gatunków OM4 i OM5 100 Gb/s na dystansie 150 metrów , co czyni je opłacalnymi w przypadku łączności wewnątrz obiektu. MMF nie jest stosowany w zewnętrznych trasach dosyłowych 5G ze względu na jego ograniczony zasięg i większą podatność na rozproszenie na duże odległości.

Kable o dużej liczbie włókien (HFC) i taśmy

W przypadku gęstych miejskich wdrożeń 5G operatorzy coraz częściej wybierają kable taśmowe o dużej liczbie włókien, zawierające 144, 288, a nawet 432 żyły światłowodowe w jednym kablu, aby zabezpieczyć infrastrukturę kanałową na przyszłość. Koszty cywilne wykopów i instalacji przewodów stanowią 60–80% całkowitego kosztu wdrożenia światłowodów; ciągnięcie kabla taśmowego 432-włóknowego kosztuje tylko nieznacznie więcej niż kabel 12-włóknowy, ale zapewnia 36 razy większą przepustowość dla przyszłych modernizacji sieci. Takie podejście – powszechnie nazywane nadmiernym dostarczaniem „ciemnych włókien” – jest standardową praktyką wśród przyszłościowych twórców infrastruktury 5G.

Ile kabla światłowodowego faktycznie wymaga sieć 5G?

Analiza branżowa konsekwentnie pokazuje, że wdrożenie kompleksowej sieci 5G wymaga znacznie więcej włókien na kilometr kwadratowy niż jakakolwiek poprzednia generacja sieci mobilnych. Ilościowe określenie tego daje konkretny obraz związanych z tym inwestycji infrastrukturalnych.

Tabela 2: Szacunkowe wymagania dotyczące kabla światłowodowego na kilometr kwadratowy w różnych scenariuszach wdrożenia 5G.

Globalne szacunki pochodzące z badań infrastruktury sugerują, że ogólnokrajowe wdrożenie 5G w kraju średniej wielkości wymaga wdrożenia setki tysięcy kilometrów nowych włókien . Oszacowano, że same Stany Zjednoczone będą potrzebować dodatkowego 1,4 do 1,7 miliona mil (2,3–2,7 miliona km) światłowodu wsparcie kompleksowego zasięgu sieci 5G – liczba ta podkreśla, dlaczego dostępność światłowodów jest konsekwentnie uznawana za główne wąskie gardło w harmonogramie wdrażania sieci 5G na całym świecie.

Dlaczego kabel światłowodowy stanowi wąskie gardło we wdrażaniu 5G?

Głównym ograniczeniem szybkości wdrażania 5G na całym świecie nie jest dostępność widma, sprzęt radiowy czy kapitał – jest to dostępność i zezwolenia na infrastrukturę kabla światłowodowego. Trzy powiązane ze sobą czynniki powodują to wąskie gardło.

Koszt i harmonogram robót budowlanych

Koszty wykopów i instalacji podziemnych przewodów światłowodowych wynoszą od 25 000 do 100 000 USD za milę w środowiskach miejskich , w zależności od warunków gruntowych, rodzaju nawierzchni drogi i lokalnych stawek pracy. Światłowód napowietrzny na istniejących słupach energetycznych jest szybszy i tańszy (10 000–30 000 USD za milę), ale wymaga umów o zamocowanie słupów i wiąże się z większym ryzykiem pogodowym i uszkodzeniami fizycznymi. W miastach o rygorystycznych wymaganiach dotyczących użyteczności podziemnej mogą reprezentować prace budowlane do 80% całkowitego kosztu wdrożenia sieci 5G na węzeł .

Zezwolenie i pierwszeństwo przejazdu

Uzyskanie pozwoleń na kopanie lub montaż infrastruktury na drogach publicznych może zająć od 6 do 36 miesięcy na gminę , tworząc mozaikę postępu wdrażania nawet w obrębie jednego obszaru metropolitalnego. Wiele krajów wprowadziło usprawnione ramy wydawania pozwoleń, aby wyeliminować wąskie gardła we wdrażaniu światłowodów 5G, ale ich wdrażanie różni się znacznie w zależności od jurysdykcji.

Dostępność włókien na obszarach wiejskich i obszarach o niedostatecznym dostępie do sieci

Obszary wiejskie, które najbardziej potrzebują lepszej łączności, to często te z najmniej istniejącą infrastrukturą światłowodową , tworząc złożone wyzwanie. Bez światłowodowego łącza typu backhaul wdrożenia 5G na obszarach wiejskich ograniczają się do pasma dolnego z bezprzewodowym mikrofalowym łączem typu backhaul, które zapewnia prędkości tylko nieznacznie lepsze niż 4G i całkowicie nie jest w stanie obsługiwać aplikacji URLLC. Likwidacja luki w zakresie światłowodów na obszarach wiejskich jest powszechnie uznawana za warunek wstępny równego dostępu do sieci 5G.

Jaka jest różnica między 5G NSA a 5G SA pod względem wymagań dotyczących światłowodów?

Architektura 5G Non-Standalone (NSA) wykorzystuje istniejącą infrastrukturę sieci rdzeniowej 4G LTE i dlatego ma mniejsze bezpośrednie wymagania dotyczące światłowodów niż architektura 5G Standalone (SA), która wymaga w pełni natywnego rdzenia 5G połączonego całkowicie światłowodem o dużej przepustowości.

• 5G NSA (niesamodzielny): Radio 5G łączy się z siecią szkieletową 4G. Wymagania dotyczące połączeń typu backhaul są wyższe niż w przypadku sieci 4G, ale można w nich częściowo wykorzystać istniejącą infrastrukturę światłowodową i mikrofalową. Jest to architektura stosowana w większości wczesnych komercyjnych wdrożeń 5G. Obsługuje ulepszoną mobilną łączność szerokopasmową (eMBB), ale nie może w pełni zapewnić możliwości URLLC ani Massive IoT.
• 5G SA (samodzielny): Radio 5G łączy się z natywnym rdzeniem 5G (5GC). Architektura ta umożliwia korzystanie z pełnego zestawu funkcji 5G, w tym dzielenia sieci, przetwarzania brzegowego i opóźnień URLLC poniżej milisekundy. Wymaga kompletnego szkieletu światłowodowego o dużej przepustowości od jednostki radiowej do rdzenia 5G, bez starszych łączy miedzianych lub łączy bezprzewodowych o małej przepustowości na ścieżce. Wymagania dotyczące włókien w przypadku 5G SA są znacznie wyższe niż w przypadku NSA.

Przejście branży z 5G NSA na 5G SA nabiera tempa, co oznacza zapotrzebowanie kabel światłowodowy w sieciach 5G będzie nadal znacząco rosnąć w ciągu najbliższych 5–10 lat, nawet na rynkach, na których zasięg NSA 5G jest już powszechny.

Często zadawane pytania: Czy 5G wymaga kabla światłowodowego?

Wniosek: 5G i kabel światłowodowy są nierozłączne na dużą skalę

Odpowiedź na czy 5G wymaga kabla światłowodowego jest zniuansowany, ale ma jasny kierunek: 5G nie wymaga bezwzględnie światłowodu w każdym łączu, ale całkowicie zależy od światłowodu, aby zapewnić jego definiujące możliwości. Alternatywne rozwiązania w zakresie bezprzewodowej transmisji dosyłowej mogą wypełnić luki i obsługiwać obszary o niskim zagęszczeniu lub odległe, ale nakładają pułapy przepustowości i kary za opóźnienia, które zasadniczo ograniczają możliwości 5G.

Dla operatorów sieci, gmin, deweloperów i inwestorów infrastrukturalnych praktyczne implikacje są proste: wszędzie tam, gdzie celem jest pełna funkcjonalność 5G, w planie musi znajdować się kabel światłowodowy. Koszty cywilne są wysokie, a terminy wydawania pozwoleń są długie, ale zainstalowany dzisiaj światłowód będzie służył nie tylko 5G, ale każdej kolejnej generacji technologii bezprzewodowej przez nadchodzące dziesięciolecia. Kable o dużej liczbie włókien i pojemności ciemnego pasma zapewniają, że dzisiejsze inwestycje pozwolą na jutrzejszą modernizację sieci bez konieczności ponownego otwierania terenu.

Ponieważ branża przyspiesza przejście z architektury 5G NSA na architekturę 5G SA, rola kabel światłowodowy w sieciach 5G będzie się tylko pogłębiać. Operatorzy i gminy, które dziś proaktywnie inwestują w infrastrukturę światłowodową, będą miały zdecydowaną przewagę konkurencyjną i ekonomiczną w erze 5G i w erze 6G, która po niej nastąpi.