La gara globale per la distribuzione di reti 5G ha posto richieste senza precedenti sull’infrastruttura fisica che trasporta i dati dai siti cellulari alle reti core. Mentre gran parte dell’attenzione pubblica si concentra sulle torri radio, sulle piccole celle e sull’allocazione dello spettro, il vero abilitatore della velocità, della capacità e della bassa latenza è l’infrastruttura di rete ottica che forma la sua spina dorsale.

Le reti ottiche, costruite principalmente intorno alle fibre di vetro che trasmettono informazioni come impulsi di luce, sono state a lungo la base della comunicazione a lungo raggio e metropolitana. Tuttavia, l'arrivo di 5G li ha trasformati da uno strato di trasporto passivo in un componente attivo, programmabile e profondamente integrato della rete di accesso wireless. Questo articolo spiega come l'infrastruttura ottica supporta ogni strato di 5G - da backhaul e midhaul a fronthaul e il core - e perché l'investimento continua generazione in fibra essenziale.

Il ruolo fondamentale della fibra ottica in 5G

Poiché la luce si muove molto più velocemente dei segnali elettrici in rame e non soffre quasi nessun degrado del segnale su lunghe distanze, la fibra offre due attributi critici a 5G: la larghezza di banda di immense] e ]] latenza estremamente bassa la seconda coppia di dati di lunghezza d'onda può portare una coppia di luce.

5G richiede una rete di trasporto che può gestire capacità che sono un ordine di grandezza superiore a 4G LTE. Ad esempio, mentre un tipico sito di cella 4G potrebbe avere bisogno di una capacità di backhaul di 1 Gbps o meno, una cellula macro 5G che serve aree urbane dense può richiedere 10 Gbps o più.

Le connessioni a base di rame come DSL o cavo coassiale non possono sostenere queste velocità o latenza su distanze superiori a poche centinaia di metri. Pertanto, ogni piano di distribuzione 5G — sia per un cluster di microcelle urbane denso, un sito macro suburbano, o un nodo di accesso wireless fisso rurale — in definitiva si basa su una connessione a fibra backhaul. Il cambiamento è così fondamentale che il termine “fiber-to-the-tower” è diventato a 5 (FTT).

Comparazione della fibra alle tecnologie alternative Backhaul

Le alternative wireless come il microonde e il millimetro-onda punti a punto possono talvolta fornire backhaul temporaneo o supplementare, ma soffrono di vincoli di linea di vista, limitazioni di capacità e suscettibilità alla pioggia fade.

Massive MIMO e l'imperativo della Fibra Backhaul

Una delle innovazioni tecnologiche chiave in 5G è massiva MIMO (multiple-input, multi-output) . Invece di alcune antenne, 5G stazioni di base possono impiegare decine o addirittura centinaia di elementi di antenna, ciascuno in grado di trasmettere e ricevere flussi di dati indipendenti.

In una tipica distribuzione 5G, l'unità radio (RU) si trova nella parte superiore della torre o su una lampada di strada, l'unità distribuita (DU) è da qualche parte alla base della torre o in un armadio vicino, e l'unità centralizzata (CU) può essere a diversi chilometri di distanza in un ufficio centrale.

Celle piccole e densità di fibre

5G bande di frequenza più elevate — in particolare millimetro-onda (mmWave) spettro — hanno gamma molto limitata e può essere bloccato da edifici, alberi e anche pioggia. Per fornire una copertura coerente, gli operatori devono distribuire uno strato denso di piccole cellule ogni 100 a 300 metri nelle aree urbane. Ogni piccola cellula richiede la sua fibra di backhaul. Questo ha spinto un aumento drammatico del numero di luoghi illuminati dalla fibra.

In ambienti urbani densi, la fibra deve essere impiegata non solo lungo le strade ma anche in edifici, su tetti, e in poli di utilità e mobili di strada.Gli operatori utilizzano sempre più tecniche di micro-trenching per porre rapidamente la fibra con una minima disgregazione, oltre a sfruttare le correnti di conduit e fibra aerea esistenti. Il processo è in aumento capitale ma essenziale; una rete 5G senza adeguato backhaul fibra lascerebbe piccole cellule affamate di capacità, con conseguente scarsa utente.

Tecnologie di trasporto ottico che permettono 5G

Oltre a distribuire semplicemente i cavi in fibra, 5G si basa sulle tecnologie avanzate di trasporto ottico per massimizzare l'uso di quella fibra. Il più importante di questi è Wavelength Division Multiplexing (WDM), che permette la lunghezza d'onda multi (colori) di luce per viaggiare simultaneamente su una singola fibra.

La trasmissione ottica coerente è un'altra tecnologia chiave. I moderni modem coerenti utilizzano formati di modulazione avanzati come 16QAM o 64QAM combinati con l'elaborazione digitale del segnale per spingere i tassi di dati oltre 400 Gbps per lunghezza d'onda, anche oltre le distanze di centinaia di chilometri.

Affettare ottico per la stampa di rete

5G introduce il concetto di slicing della rete — la creazione di reti virtuali isolate su un'infrastruttura fisica condivisa per servire diversi casi di utilizzo (ad esempio, potenziato banda larga mobile, IoT massiccio, ultra-reliable low-latency Communications).

Infrastruttura ottica per il nucleo 5G e bordo

La rete di 5G è fondamentalmente diversa da quella di 4G. È costruita su un’architettura cloud-native con funzioni di rete virtualizzate in esecuzione su server di merce, spesso distribuite al bordo di rete per ridurre la latenza. Questo multi-access edge computing (MEC)]] consente di impostare i siti di elaborazione e archiviazione entro 10-20 chilometri dall’utente finale, richiedendo connessioni a bassa banda di data

Le reti ottiche sono l'unico modo pratico per collegare questi nodi di bordo. Un centro dati tipico del bordo può avere bisogno di connettività 100-400 Gbps ai suoi siti cellulari di supporto, e più centri di dati del bordo devono essere collegati tra loro e ai core centralizzati. Ciò richiede un denso interconnessione ottica, spesso implementato utilizzando le tecnologie DWDM o di rete ottica passiva (PON) XGS-PON e NG-PON2

Rivolgersi alle sfide dell'infrastruttura ottica per 5G

Nonostante i suoi vantaggi evidenti, l'implementazione di infrastrutture di rete ottiche per 5G affronta diverse sfide significative. L'elevata spesa iniziale di capitale[] è soprattutto. Posa nuova fibra - sia metropolitana, bloccata, o attraverso condotti esistenti - è costosa, in particolare nelle aree urbane dense dove permettendo, diritti di strada, e costi di costruzione sono elevati.

Un'altra sfida è potenza e spazio[]]. L'attrezzatura ottica attiva, come le unità WDM mux/demux, gli amplificatori e i transceivers coerenti, deve essere alloggiata in armadi stradali, capanne o rifugi di stazione di base.

Infine, sicurezza e resilienza[[[]]] sono preoccupazioni. Una fibra severa puÃ2 abbattere un intero gruppo di celle 5G, e poiché i cavi ottici sono spesso installati vicino a strade o altre utilitÃ, i tagli accidentali sono comuni. Gli operatori devono distribuire percorsi in fibra ridondante, spesso in percorsi fisicamente diversi, e implementare il commutatore di protezione automatica per mantenere la continuità di servizio.

Innovazione Ridurre i barri di distribuzione

Per fortuna, molte innovazioni stanno facendo un'implementazione ottica per 5G più veloce e più conveniente. Fibra di fine insensibile[[], ad esempio, permette di piegare i cavi più bruscamente senza perdita di segnale, rendendoli più facili da percorrere attraverso condotti stretti, alzanti ed oleosi di strada.

Micro-trenching[[]] è emerso come metodo popolare per l'installazione di fibre in marciapiedi e strade. Una stretta slot (di circa 1-2 pollici di larghezza e 6-12 pollici di profondità) è tagliata, il cavo di fibra è posato, e la slot è riempita con un composto di rapida messa a punto. Il processo può essere completato in giorni piuttosto che settimane, con un minimo discarico di traffico stradale.

Sono anche in fase di raffinazione le soluzioni di fibra aerea[]. I cavi in fibra leggera possono essere ridotti ai poli di potenza o di telefono esistenti, e le nuove tecniche di cavo appeso consentono una maggiore durata tra i poli senza bisogno di strutture di mezza-span. Questo è particolarmente utile per il backhaul 5G rurale, dove i costi di trincea sono proibitivi ma esistono percorsi pole.

Sul lato delle apparecchiature attive, l'avvento dei fotonici e dei transceivers coerenti integrati sta riducendo il costo delle connessioni ottiche ad alta velocità. Un modulo coerente da 400G che costa decine di migliaia di dollari pochi anni fa costa ora una frazione di quello, rendendolo possibile distribuire in ogni sito cellulare.

Inoltre, ] la virtualizzazione della funzione di rete[[[] e SDN consentono agli operatori di gestire le risorse ottiche centralmente, orchestrare le assegnazioni di lunghezza d'onda e automatizzare il recupero dei guasti, riducendo le spese operative e rendendo possibile scalare dinamicamente lo strato ottico in quanto le esigenze del traffico crescono.

Il futuro: 6G e oltre

6G, che dovrebbe arrivare intorno al 2030, esigerà anche maggiori tassi di dati (forse 1 Tbps per utente), latenza submicroseconda, e l'integrazione con il rilevamento e l'intelligenza delle frequenze Terahertz e delle superfici intelligenti richiederanno un tessuto incredibilmente denso di punti di accesso radio, ogni capacità estrema di backhaul. Fotonici e ottica integrata

Inoltre, comunicazione ottica free-space (link basati su laser e lifi)[] può integrare la fibra tradizionale per i pochi metri finali in ambienti ultra-dense, come stadi o pavimenti di fabbrica. Tuttavia, per la maggior parte della rete di trasporto, la fibra rimarrà l'unico mezzo in grado di fornire la scala richiesta. Il termine "all-fibra" potrebbe diventare ridondante perché le reti wireless saranno sempre più,

Conclusioni

L'infrastruttura di rete ottica non è solo un elemento di supporto dell'espansione 5G — è il fattore essenziale. Dal backhaul che collega ogni macro e piccola cella al core, alla fronthaul che collega le radio MIMO massicce, alle interconnessioni del data center dei bordi, le fibre ottiche forniscono la larghezza di banda, la bassa latenza e la scalabilità che 5G richiede.

Per gli operatori delle telecomunicazioni, investire in uno strato ottico denso e programmabile oggi crea una fondazione che non solo sosterrà la piena realizzazione di 5G ma faciliterà anche la transizione a qualsiasi cosa accada.

Per ulteriori informazioni: Fiber Broadband Association[]] fornisce informazioni sull'industria sulle tendenze di distribuzione delle fibre. Una panoramica dettagliata del trasporto ottico in 5G è disponibile da Light Reading.