Fronthaul

¿Qué es el fronthaul?

El fronthaul consiste en la conexión basada en fibra óptica en la infraestructura de una red RAN que se establece entre la unidad de banda base (BBU) y el cabezal de radio remoto (RRH). El fronthaul surgió con las redes LTE cuando los operadores trasladaron sus radios más cerca de las antenas. Este nuevo enlace se estableció para complementar la conexión de backhaul entre la BBU y el núcleo de la red central.

A medida que se han puesto en marcha casos de uso de la tecnología 5G, las configuraciones de fronthaul flexibles se han convertido en un elemento esencial para equilibrar la demanda de latencia, capacidad y confiabilidad de las aplicaciones 5G avanzadas. 

La red RAN de próxima generación está teniendo como resultado una mayor implementación de fronthaul de fibra óptica, así como una mayor dependencia de una arquitectura dividida, la virtualización y la multiplexación. Esto ha provocado que el fronthaul eCPRI se encuentre entre las tecnologías 5G más importantes de los informes de los operadores. VIAVI proporciona una solución completa para realizar pruebas de rendimiento del fronthaul, incluidas funciones de verificación de enlaces de fibra óptica, sincronización y temporización, así como opciones virtuales y basadas en la garantía.

Evolución del fronthaul

La evolución del fronthaul en las redes móviles ha puesto de manifiesto la creciente dependencia en la fibra óptica para las redes de banda ancha, dado que los requisitos de ancho de banda y latencia en ambos dominios han continuado impulsando las implementaciones de fibra óptica con una mayor profundidad y envergadura. Antes de la introducción de la tecnología 4G, la fibra óptica se empleaba principalmente para las redes de transporte. Estándares de rendimiento superiores, el desarrollo de la tecnología MIMO (Multiple-input, multiple-output, múltiple entrada, múltiple salida) y prácticas de coordinación de radio avanzadas se aunaron con la llegada de las soluciones de radio remotas y la introducción del fronthaul en el universo de la fibra óptica.

El protocolo de la interfaz de radio pública común (CPRI) se estableció por primera vez en 2003 a través de un consorcio de fabricantes de equipos originales para definir y estandarizar las especificaciones de transporte, conectividad y control entre la BBU y el RRH. La CPRI se basaba en la arquitectura de capa de red, de capa de enlaces de datos y de capa física (PHY) ubicadas juntas en la BBU, donde el fronthaul proporcionaba el enlace entre el RRH y la capa física de la BBU. Las estrictas limitaciones de retardo de la CPRI restringían la separación física entre las ubicaciones de la BBU y el RRH.

La CPRI emplea un protocolo de transferencia de datos sincrónica con velocidades de bits que dependen de la cantidad de antenas, de modo que se obtienen velocidades de transferencia que no ajustan las variaciones en la carga de usuarios. Esto viene a ser lo mismo que un tren que sale de la estación sin pasajeros en un trayecto y, después, vuelve y se encuentra con un exceso de viajeros esperando al siguiente tren.

La carga de etiquetado de la CPRI es elevada y la multiplexación estadística es limitada. Estas limitaciones inherentes a la CPRI han sido factibles para el fronthaul de redes 4G y LTE, pero resultan inviables y costosas de trasladar a la tecnología MIMO masiva, el alto ancho de banda y el transporte 5G de baja latencia. Una solución innovadora, según la definen los estándares de 3GPP TR 38.801, IEEE e ITU-T, requiere la división funcional de los elementos de la BBU.

Los componentes de este nuevo modelo de arquitectura se definen con la RU (lo que anteriormente se conocía como el RRH o la RRU), la unidad central (CU) y la unidad distribuida (DU), donde el nuevo enlace entre la CU y la DU se denomina, acertadamente, midhaul. La virtualización de las redes RAN ha permitido que las funciones de la BBU se ubiquen separadas o juntas dentro de los diversos elementos, en función de qué división funcional entre las capas del modelo OSI es más conveniente para responder a los requisitos del caso de uso. La flexibilidad de la arquitectura dividida es esencial para optimizar casos de uso estratégicos en las redes de fronthaul 5G de manera simultánea.

Fronthaul frente a backhaul

La arquitectura de red RAN dividida ha replanteado las definiciones tradicionales de fronthaul y backhaul. En sus primeros días, el backhaul se describía simplemente como la conexión entre la red inalámbrica y la red cableada por medio de cable o fibra óptica. El fronthaul se convirtió en una adición necesaria cuando la antesala del ancho de banda y la eficiencia surgió con las redes LTE, y un nuevo enlace conectaba unidades de banda de base centralizadas con cabezales de radio individuales.

Cuando se aúnan las arquitecturas de fronthaul y backhaul (así como el midhaul), se conoce también como crosshaul, x-haul o xhaul.

La virtualización de funciones de red (NFV) ha creado nuevas oportunidades de modularidad y personalización que descomponen más si cabe el paradigma actual. Las funciones de DU y CU se pueden integrar con la RU, la DU se puede combinar con la CU o cada elemento puede funcionar de manera independiente en ubicaciones separadas. En todos los casos, el backhaul es el que proporciona el enlace de conexión al núcleo.

Fronthaul de red O-RAN

Tradicionalmente, los proveedores de equipos de gran envergadura han implementado la CPRI como una propiedad, con operadores limitados en un enfoque de un solo proveedor para la arquitectura de red fronthaul. La descomposición de esta concepción aislada es la idea fundamental detrás de las redes RAN abiertas (O-RAN). La alianza O-RAN tiene el compromiso de realizar una migración estructurada hacia elementos de red RAN autónomos y de diversos proveedores.

En el caso del fronthaul de redes O-RAN, una arquitectura abierta y virtualizada que emplee hardware y software genéricos facilitará la interoperabilidad entre las distintas combinaciones, incluidas las unidades distribuidas abiertas (O-DU) y las unidades de radio abiertas (O-RU) de distintos proveedores. Esta estandarización igualará el nivel de competitividad y fomentará la innovación, al tiempo que los operadores podrán combinar y emparejar elementos de fronthaul con transparencia y de manera rentable.

Redes de fronthaul

Alcanzar velocidades de gigabits y una latencia de 1 milisegundo sube el listón en todos los aspectos de la infraestructura de la tecnología 5G, lo que incluye los límites establecidos para la capacidad de transporte del fronthaul. La fibra óptica es un medio de transmisión que puede superar estos obstáculos con los niveles de flexibilidad y gestión de fibra escalables que se requieren para responder a la demanda cada vez mayor de redes fronthaul. La fibra oscura, cuando está disponible, es la opción más rentable para un incremento de capacidad inmediato de la red fronthaul. Esta solución constituye también una de las mejores opciones, gracias a su rápida implementación y su mínimo impacto sobre la latencia.

WDM

La multiplexación por longitud de onda (WDM) puede permitir un uso más eficaz de los enlaces de fibra óptica del fronthaul. Al realizar las transmisiones a través de varias longitudes de onda, el tráfico de diversas antenas se puede enviar por la red a través de una sola fibra oscura. La multiplexación por división aproximada de longitud de onda (CWDM) permite a los operadores transmitir hasta a 18 canales a la vez. El carácter pasivo de la CWDM reduce el costo y la complejidad. La multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM), diseñada para aprovechar los amplificadores de fibra dopada de erbio, puede crear hasta 96 canales independientes. La DWDM se puede implementar de manera activa o pasiva en función de la distancia necesaria. Las opciones híbridas de WDM también pueden aumentar la capacidad al transmitir varias frecuencias de DWDM a través de determinados canales de CWDM.

Redes ópticas pasivas (PON)

Las redes ópticas pasivas (PON) emplean splitters ópticos para crear una topología de punto a multipunto. Los splitters de fibra óptica pasiva en favor de la multiplexación estadística es una posible contramedida para la densidad de las conexiones de RU que caracteriza a la tecnología MIMO masiva.

Cada división adicional que se introduce en una red fronthaul 5G puede duplicar la capacidad existente, pero también supone una pérdida mínima de 3 dB incluso en condiciones ideales de conexión. Avances nuevos como las redes WDM-PON combinan tecnologías instrumentales al solapar nuevas longitudes de onda con redes PON heredadas sin poner en riesgo el ancho de banda de los servicios existentes de acceso fijo.  Además, la incipiente red NG-PON2 utiliza la multiplexación por longitud de onda con diversas longitudes de onda 10G, tanto para la subida como para la bajada, a fin de proporcionar un servicio simétrico de 40 Gbps. Las redes NG-PON2 emplean longitudes de onda distintas a las de las redes G-PON y XG/XGS-PON para permitir la coexistencia de los servicios de las tres en la misma red PON.

Fronthaul 5G

Entre los casos de uso de alto nivel de la tecnología 5G, se incluye la banda ancha móvil mejorada (eMBB), las comunicaciones masivas entre máquinas (mMTC) y las comunicaciones de latencia baja ultraconfiables (uRLLC). Cada uno de estos casos de uso plantea desafíos específicos para el rendimiento del fronthaul 5G. Las aplicaciones de uRLLC como los vehículos autónomos con requisitos de disponibilidad del 99,9999 % se deben mantener a la altura de las aplicaciones 5G altamente distribuidas o con gran cantidad de datos, como el IoT o las transmisiones de ultra alta densidad.

La arquitectura dividida de fronthaul que se considera óptima para un caso de uso puede resultar restrictiva o incluso prohibitiva para otros, donde la flexibilidad se convertiría en un aspecto primordial. Al integrar la red incorporando un alto nivel de virtualización e implementando la sincronización basada en paquetes, una misma red puede admitir al mismo tiempo y de manera eficaz estos tres casos de uso 5G tan diferentes.

Arquitectura de fronthaul 5G

La evolución de la arquitectura de fronthaul 5G ha creado ocho opciones de implementación funcionales y diferenciadas, cada una de ellas con ventajas e inconvenientes intrínsecos en términos de latencia, capacidad y complejidad. Cada opción se define mediante los puntos de división seleccionados entre la capa física, la capa de datos y la capa de red con respecto a la configuración y la ubicación de la RU, la DU y la CU. La opción 8 es equivalente a la configuración de la CPRI actual con la división de alto nivel que existe entre la capa física baja de la BBU y el RRH.

Las aplicaciones inalámbricas fijas que prestan a los usuarios servicios de alto ancho de banda en ubicaciones fijas son favorables para la opción 2, que emplaza las funciones en tiempo real dentro del cabezal de radio y crea un elemento funcional de RU/DU. Dado que no es necesaria la coordinación de alto nivel de varios elementos de radio, disponer más funcionalidad en la ubicación de la RU puede reducir la carga de la latencia y el ancho de banda que se destina al fronthaul, con lo que se permite que la CU se ubique a docenas de kilómetros del cabezal de radio.

Por el contrario, en el caso de uso de la eMBB, las opciones 6 y 7 emparejan solo funciones de radio de la capa física con la RU, y las capas adicionales se quedan en la CU/DU. Esto resulta más propicio para la coordinación de varias radios en aplicaciones móviles y reduce la compatibilidad con la velocidad de datos del fronthaul. Asimismo, estas opciones suponen requisitos de latencia más exigentes que limitan la separación geográfica entre la RU y la DU.

Fronthaul eCPRI

Para estandarizar la arquitectura dividida de los componentes del fronthaul 5G, el consorcio de la CPRI introdujo en 2017 el protocolo inicial de la interfaz de radio pública común mejorada (eCPRI). El objetivo específico de la adopción del fronthaul eCPRI es disminuir la demanda de velocidad de datos entre los equipos de radio (eRE) y el control de equipos de radio (eREC), al tiempo que se mantiene a raya la complejidad. La transferencia de datos de CPRI sincrónica se sustituye por protocolos más eficaces basados en paquetes que emplean servicios Ethernet o IP.

La interfaz del fronthaul eCPRI, preparada para adaptarse a los cambios futuros, optimiza el rendimiento de la radio al utilizar algoritmos de coordinación para analizar y establecer prioridades en el tráfico en tiempo real. El protocolo de la interfaz eCPRI identifica tres planos que son necesarios para la interacción entre el eRE y el eREC. Entre estos planos, se incluyen el plano de usuario, el plano de sincronización, y el plano de control y gestión. El plano de usuario transporta definiciones, tramas de datos estandarizados, paquetes y formatos de cabeceras, mientras que los planos de sincronización, y control y gestión no están limitados expresamente por los protocolos de la interfaz eCPRI.

Nodos de red transporte fronthaul (FTN)

Cuando las interfaces CPRI y eCPRI se implementan a la vez en una configuración de fronthaul convergente, se puede emplear un nodo de red de transporte fronthaul (FTN) para gestionar el anillo de acceso Ethernet. En este caso, se requiere una solución de pruebas efectiva que garantice que los requisitos de retardo y sincronización se mantengan dentro de las especificaciones.

El dispositivo MTS-5800-100G de VIAVI se puede emplear para validar el rendimiento de los FTN en el laboratorio, llevar a cabo pruebas de la eCPRI, y medir de forma precisa la capacidad, el retardo y las fluctuaciones. Estos comprobadores de red portátiles pueden también realizar de manera eficaz pruebas de estabilidad de la señal de GPS, pruebas de errores de sincronización PTP, y la activación de servicios Ethernet a través de las metodologías de pruebas RFC 2544 e Y.1564.

Pruebas de fronthaul

Las redes de fronthaul 5G dependen en gran medida de la conectividad de la fibra óptica para ofrecer un rendimiento óptimo. La arquitectura de fronthaul de próxima generación requiere también complejas funciones de pruebas de sincronización, temporización y análisis de espectro en tiempo real. El módulo de extensión de tiempo (TEM) de VIAVI puede complementar los comprobadores de red portátiles de la serie MTS-5800 al proporcionar funciones de pruebas de sincronización y temporización de fronthaul 5G con una precisión de nanosegundos en un dispositivo portátil y robusto. El TEM también es capaz de efectuar mediciones precisas de la variación del retardo de los paquetes (PDV) y de los errores de sincronización PTP.

Dada la variedad de opciones de implementación de fronthaul, el valor de un analizador de estaciones base integral con funciones de pruebas de fibra óptica, activación de servicios 5G, alta velocidad de Ethernet y pruebas de redes OTN se hace incalculable, tanto en el laboratorio como en campo. El instrumento de pruebas portátil CellAdvisor 5G ofrece una solución completa para la verificación de redes fronthaul 5G, la instalación y la puesta en marcha de estaciones base, y la validación de haces de antena activa y MIMO masivo, además de funciones integradas de inspección y validación de fibra óptica.

Al depender de la división de la fibra y la multiplexación a través de las redes PON y las tecnologías de WDM, los requisitos de las pruebas de fibra óptica del fronthaul se hacen más complejos, de manera que las prácticas tradicionales basadas en la monitorización de la potencia y en localizadores visuales de fallos (VFL) resultan insuficientes en algunos casos.

El conjunto de herramientas para fibra óptica de VIAVI engloba desde herramientas portátiles de inspección y limpieza hasta potentes soluciones FiberComplete para detectar eventos adversos en tendidos de fibra óptica complejos, y llevar a cabo pruebas de OTDR, de pérdida de retorno óptico (ORL) y pérdida por inserción de carácter bidireccional.

A medida que las redes fronthaul continúan sacando partido a la tecnología de las redes PON para responder a la creciente demanda de capacidad, las prácticas de pruebas de fronthaul se beneficiarán de las soluciones específicas para redes PON para la creación, la activación y el mantenimiento de las instalaciones de fronthaul 5G. Esto incluye medidores selectivos de potencia de redes PON por longitud de onda para ajustarse de forma flexible a los estándares de la tecnología de red PON implementada, pruebas de redes PON centralizadas para validar y asignar redes PON, y soluciones de pruebas con OTDR específicas para redes PON.