Fronthaul

Qu’est-ce que le fronthaul ?

Le fronthaul est défini comme étant une connexion basée sur la fibre optique au sein d’une infrastructure de réseau d’accès sans fil (RAN), entre l’unité de bande de base (BBU) et la tête radio distante (RRH). Le fronthaul est né des réseaux LTE, lorsque les opérateurs ont commencé à déplacer leurs radios plus près des antennes. Ce nouveau lien a été créé afin de compléter la connexion de backhaul entre la BBU et les backbones du réseau central.

À mesure que de nouveaux cas d’utilisation de la 5G apparaissent, les configurations de fronthaul flexibles deviennent un élément essentiel permettant d’équilibrer les exigences des applications 5G avancées en matière de latence, de débit et de fiabilité. 

L’apparition de réseaux d’accès sans fil (RAN) de nouvelle génération a entraîné une augmentation du déploiement de fibres optiques de fronthaul et créé une plus grande dépendance envers le multiplexage, la virtualisation et les architectures de fronthaul divisées. Cela explique que, lors de sondages, les opérateurs citent le fronthaul eCPRI comme l’une des technologies 5G les plus importantes. VIAVI propose une solution complète pour les tests de performance de fronthaul. Cette solution inclut la vérification du lien fibre optique, la synchronisation et des capacités de test de délais, mais aussi des options virtuelles et basées sur assurance.

L’évolution du fronthaul

L’évolution du fronthaul dans les réseaux mobiles reflète la dépendance croissante des réseaux à haut débit envers la fibre optique, car les exigences en matière de bande passante et de latence continuent à généraliser le déploiement de la fibre optique. Avant le lancement de la 4G, la fibre optique était principalement utilisée pour les réseaux de transport. Les normes de performances plus élevées, le développement de la technologie MIMO (entrées multiples, sorties multiples) et les pratiques de coordination radio avancées sont autant d’éléments qui ont concordé avec l’arrivée de solutions radio distantes et l’introduction du fronthaul dans le jargon de la fibre optique.

Le protocole Common Public Radio Interface (CPRI) a d’abord été établi en 2003 par un consortium de fabricants d’équipement d’origine (OEM) afin de définir et de normaliser des spécifications de transport, de connectivité et de contrôle entre la BBU et la RRH. Le protocole CPRI était basé sur une architecture regroupée dans la BBU, composée d’une couche physique (PHY), d’une couche de liaison de données et d’une couche réseau, où le fronthaul fournissait la liaison entre la RRH et la couche PHY de la BBU. Les exigences de délai rigoureuses du CPRI limitaient la séparation physique entre les positions de la BBU et de la RRH.

Le CPRI utilise un protocole de transfert des données par synchronisation, avec des taux de bits dépendants du nombre d’antennes, ce qui produit des taux de transfert qui ne s’ajustent pas en fonction des variations du nombre d’utilisateurs. Par analogie, on peut comparer ce fonctionnement à celui d’un train quittant la gare sans aucun passager à l’aller, puis y revenant pour trouver des voyageurs en très grand nombre qui attendent le prochain.

La charge de marquage du CPRI est élevée et le multiplexage statistique limité. Ces inefficacités propres au CPRI pouvaient être gérées pour le fronthaul 4G/LTE. Mais elles se révèlent particulièrement peu pratiques et onéreuses lorsqu’il s’agit de s’adapter au MIMO massif (Massive MIMO), à une bande passante élevée et au transport 5G à faible latence. La solution innovante, telle que définie par la norme TR 38.801 du 3GPP, l’IEEE et l’ITU-T, exige la division fonctionnelle des éléments de la BBU.

Les composants de ce nouveau modèle architectural sont définis sous les termes de RU (auparavant RRH et RRU), d’unité centrale (CU) et d’unité distribuée (DU), avec un nouveau lien entre la CU et la DU, nommé de manière appropriée midhaul. La virtualisation des réseaux d’accès sans fil (RAN) a permis de localiser ou de regrouper les fonctions de la BBU au sein des différents éléments, en fonction de la division fonctionnelle des couches OSI qui convient le mieux aux exigences du cas d’utilisation. La flexibilité de cette architecture divisée est essentielle pour optimiser simultanément les principaux cas d’utilisation sur les réseaux fronthaul 5G.

Fronthaul versus backhaul

Le fait de diviser l’architecture de réseau d’accès sans fil (RAN) a eu pour conséquence de modifier les définitions du fronthaul et du backhaul. Dans sa première version, le backhaul était simplement décrit comme étant la connexion entre le réseau sans fil et le réseau filaire, qu’elle soit réalisée via des câbles ou des fibres optiques. Le fronthaul est devenu un ajout nécessaire lorsque les enjeux en matière de bande passante et d’efficacité sont devenus plus importants avec le LTE et qu’une nouvelle liaison connectait les unités de bande de base centralisées aux têtes radio individuelles.

Lorsque vous réunissez les architectures de fronthaul et de backhaul (et de midhaul), on parle aussi de crosshaul (ou x-haul, ou xhaul).

La virtualisation des fonctions réseau (NFV) a créé de nouvelles opportunités en termes de modularité et de personnalisation qui décomposent encore davantage le paradigme existant. Les fonctions de DU et/ou de CU peuvent être intégrées au RU, la DU peut être combinée à la CU, ou bien chaque élément peut fonctionner de manière indépendante à des emplacements séparés. Dans chacun de ces cas, le backhaul fournit toujours le lien établissant la connexion aux backbones.

Fronthaul O-RAN

Traditionnellement, les fournisseurs d’équipements volumineux ont mis le CPRI en œuvre sous une forme propriétaire, ce qui a limité les opérateurs à une approche privilégiant un fournisseur unique pour leur architecture de réseau fronthaul. S’affranchir de cette idéologie d’exclusivité est le concept fondamental de l’Open RAN (O-RAN). L’alliance O-RAN s’engage en faveur d’une migration structurée vers des éléments de réseau d’accès sans fil (RAN) autonomes provenant de plusieurs fournisseurs.

Pour le fronthaul O-RAN, une architecture ouverte et virtualisée utilisant un équipement et un logiciel génériques facilitera l’interopérabilité entre les différentes combinaisons, notamment entre les unités de distribution ouvertes (O-DU) et les unités de radio ouvertes (O-RU) de différents fournisseurs. Cette standardisation nivellera le champ concurrentiel et encouragera l’innovation tout en permettant aux opérateurs de mélanger et associer les éléments de fronthaul de manière transparente et économique.

Réseaux fronthaul

Le fait d’atteindre des débits de l’ordre du Gigabit et une latence d’une milliseconde rehausse la barre pour tous les aspects de l’infrastructure 5G, y compris tout ce qui concerne l’établissement des limites en matière de capacité de transport du fronthaul. La fibre optique est un moyen de transmission capable de surmonter ces obstacles grâce à une gestion de la fibre optique évolutive et à la flexibilité nécessaires pour répondre à la demande croissante de fronthaul. La fibre noire, si elle est disponible, est l’option la plus économique pour booster instantanément la capacité du réseau fronthaul. Cette solution constitue également l’une des meilleures options, car elle offre un déploiement rapide et l’impact le plus faible sur la latence.

WDM

Le multiplexage en longueur d’onde (WDM) permet d’utiliser les liens fibre optique fronthaul de manière plus efficace. Grâce à une transmission sur de nombreuses longueurs d’onde, le trafic de plusieurs antennes peut être envoyé sur le réseau via une fibre noire unique. Le Coarse WDM (CWDM) permet aux opérateurs de transmettre jusqu’à 18 canaux simultanément. La nature passive du CWDM réduit les coûts et la complexité. Le Dense WDM (DWDM), conçu pour tirer profit des amplificateurs à fibre dopée à l’erbium, peut créer jusqu’à 96 canaux indépendants. Le DWDM peut être déployé sous forme active ou passive, en fonction de la distance requise. Des options de WDM hybrides peuvent aussi augmenter le débit en transmettant de multiples fréquences DWDM sur des canaux CWDM sélectionnés.

Réseaux optiques passifs (PON)

Les réseaux optiques passifs (PON) utilisent des coupleurs optiques pour créer une topologie point à multipoint. Utiliser une division passive de la fibre optique en support au multiplexage statistique peut permettre de compenser la densité des connexions RU propre à la technologie de MIMO massif (Massive MIMO).

Chaque division supplémentaire au sein d’un réseau fronthaul 5G peut doubler la capacité existante, mais introduit également une perte minimale de 3 dB dans des conditions de connexion idéales. De nouvelles innovations, telles que le WDM-PON, combinent des technologies d’activation en superposant de nouvelles longueurs d’onde sur des réseaux PON hérités, sans compromettre la bande passante des services d’accès fixes existants.  En outre, la norme NG-PON2 émergente utilise un multiplexage (WDM) avec de multiples longueurs d’onde de 10G, aussi bien dans le sens ascendant que dans le sens descendant, afin de fournir un débit de service symétrique de 40 Gbit/s. Le NG-PON2 utilise des longueurs d’onde différentes de celles des normes G-PON et XG/XGS-PON, ce qui permet aux trois normes de coexister sur un même réseau PON.

Fronthaul 5G

Parmi les cas d’utilisation de la 5G de haut niveau, on trouve notamment le haut débit mobile amélioré (eMBB), les communications massives entre machines (mMTC) et les communications à faible latence et à haute fiabilité (uRLLC). Chaque cas d’utilisation présente des défis qui lui sont propres en matière de performance de fronthaul 5G. Les applications uRLLC telles que les véhicules autonomes (ayant des exigences de disponibilité de 99,9999 %) doivent fonctionner de manière simultanée avec des applications 5G à haute distribution ou à données intensives telles que l’Internet des objets (IdO) ou le streaming à très haute densité.

L’architecture de fronthaul divisée considérée comme optimale pour un cas d’utilisation peut être restrictive ou même prohibitive pour d’autres. C’est pourquoi la flexibilité est un aspect primordial. En désagrégeant le réseau, en incorporant un haut niveau de virtualisation et en implémentant une synchronisation basée sur les paquets, ces trois cas d’utilisation de la 5G très différents les uns des autres peuvent être pris en charge de manière efficace sur un même réseau et au même moment.

Architecture de fronthaul 5G

L’évolution de l’architecture de fronthaul 5G a engendré huit options de déploiement fonctionnel distinctes, chacune avec ses avantages et ses inconvénients propres en matière de latence, de capacité et de complexité. Chaque option se définit par les points de division choisis entre les couches physique, de données et réseau, en relation avec la configuration et l’emplacement des RU, DU et CU. L’option 8 équivaut à la configuration du CPRI actuelle, avec une division de niveau supérieur entre la couche physique inférieure de la BBU et la RRH.

Les applications sans fil fixes fournissant des services à bande passante élevée à des utilisateurs situés dans des lieux fixes préféreront l’option 2, qui place les fonctions en temps réel dans la tête radio et crée un élément RU/DU fonctionnel. Puisqu’une coordination de niveau supérieur entre de multiples éléments radio n’est pas requise, placer davantage de fonctionnalité à l’emplacement de la RU peut réduire la bande passante et la charge de latence placées sur le fronthaul, permettant ainsi le placement de la CU à des dizaines de kilomètres de la tête radio.

À l’inverse, pour le cas d’utilisation eMBB, les options 6 et 7 n’associent que les fonctions radio de couche physique à la RU, tandis que les autres couches restent dans les CU/DU. Ces options sont plus adaptées à la coordination de multiples radios dans les applications mobiles et elles réduisent la prise en charge du taux de bits du fronthaul. Ces options s’accompagnent également d’exigences plus strictes en matière de latence, ce qui limite la séparation géographique entre la RU et la DU.

Fronthaul eCPRI

Afin de standardiser l’architecture divisée des composants de fronthaul 5G, le consortium CPRI a publié le protocole d’interface radio publique commune améliorée (eCPRI) en 2017. L’objectif affiché de l’adoption du fronthaul eCPRI est de réduire les exigences en termes de taux de données entre l’équipement radio (eRE) et le contrôle d’équipement radio (eREC), tout en limitant la complexité. Le transfert de données CPRI par synchronisation est remplacé par des protocoles basés sur les paquets plus efficaces et employant l’Ethernet ou l’adresse IP.

L’interface de fronthaul eCPRI est évolutive et optimise les performances radio en utilisant des algorithmes de coordination pour analyser et hiérarchiser le trafic en temps réel. Le protocole eCPRI identifie trois plans nécessaires à l’interaction entre l’eRE et l’eREC. Ces trois plans sont les suivants : le plan utilisateur, le plan de synchronisation, et le plan de contrôle et gestion. Les définitions de transport du plan utilisateur standardisent les trames de données, les paquets et les formats des en-têtes, tandis que le plan de synchronisation et le plan de contrôle et gestion ne sont pas expressément limités par les protocoles eCPRI.

Nœuds du réseau de transport fronthaul (FTN)

Lorsque le CPRI et l’eCPRI sont déployés simultanément dans une configuration de fronthaul convergente, un nœud de réseau de transport fronthaul (FTN) peut être utilisé pour gérer l’anneau d’accès Ethernet. Ce scénario exige une solution de test efficace pour garantir que les exigences en matière de délai et de synchronisation sont conformes aux spécifications.

Le MTS-5800-100G de VIAVI peut être utilisé pour valider la performance FTN en laboratoire, pour réaliser des tests eCPRI et pour mesurer le débit, le délai et la gigue avec précision. Ces testeurs de réseau portables et flexibles peuvent aussi servir à réaliser efficacement des tests de stabilité du signal GPS et des tests d’erreur de délais PTP, ou encore pour l’activation Ethernet via les méthodologies de test RFC 2544 et Y.1564.

Tests de fronthaul

Les réseaux fronthaul 5G dépendent fortement de la connectivité optique pour fournir une performance optimale. Les architectures fronthaul de nouvelle génération exigent également des analyses de spectre en temps réel complexes, ainsi que des tests de gestion des délais et de synchronisation. Le module d’extension de délai (TEM) peut compléter la gamme de testeurs de réseau portables MTS-5800 en permettant la réalisation de tests de délai et de synchronisation de fronthaul 5G de l’ordre de la nanoseconde dans un format robuste et portable, conçu pour un usage sur le terrain. Le TEM est également apte à prendre des mesures précises des erreurs de délais PTP et de PDV.

Étant donné les nombreuses options de déploiement de fronthaul, un analyseur de station de base « tout-en-un » capable de tester la fibre optique, l’activation de service 5G, le débit de ligne Ethernet et l’OTN est un outil inestimable en laboratoire comme sur le terrain. L’instrument de test portable CellAdvisor 5G offre une solution complète de vérification du fronthaul 5G, d’installation et de mise en service d’antennes-relais, de validation du MIMO massif (Massive MIMO) et de beam (faisceau directif) d’antenne, et il propose des fonctions intégrées d’inspection et de validation des connecteurs optiques.

Le fait que les technologies PON et WDM soient dépendantes de la division de la fibre et du multiplexage ajoute là aussi à la complexité des exigences en matière de test de fibre optique fronthaul, rendant le stylo optique (VFL) traditionnel et les pratiques de mesure de puissance insuffisants dans certains cas.

La suite d’outils dédiés à la fibre optique de VIAVI comprend des outils portables d’inspection des connecteurs optiques et de nettoyage, mais aussi des solutions FiberComplete puissantes capables de détecter les événements indésirables dans des liaisons en fibre optique complexes, tout en effectuant des tests bidirectionnels d’affaiblissement (IL), de perte par réflexion optique (ORL) et de réflectométrie.

À mesure que les réseaux fronthaul continuent à exploiter la technologie PON afin de répondre aux demandes croissantes de capacité, les pratiques de tests de fronthaul bénéficieront de solutions PON dédiées pour construire, activer et entretenir les installations de fronthaul 5G. Cela inclut des photomètres PON sélectifs en longueurs d’onde pour s’ajuster de manière flexible aux normes de la technologie PON déployée, des tests PON centralisés pour valider et cartographier les réseaux PON, ainsi que des solutions de test d’OTDR spécifiques au PON.