フロントホール

フロントホールとは

フロントホールは、ベースバンドユニット（BBU）とリモート無線ヘッド（RRH）間の RAN インフラにおけるファイバーベースの接続として定義されます。フロントホールは、LTE ネットワークでオペレータが初めて無線機をアンテナの近くに移動したのが始まりです。この新しいリンクは、BBU と中央のネットワークコア間のバックホール接続を補完するために構築されました。

5G の新しいユースケースが登場するにつれ、柔軟なフロントホール構成は、高度な 5G アプリケーションのレイテンシ、スループット、信頼性の要求をバランスよく満たすための基本的な構成要素となっています。 

次世代の RAN により、フロントホールファイバー展開が増加し、多重化、仮想化、スプリットフロントホールアーキテクチャへの依存度が高まってきています。このため、eCPRI フロントホールが、オペレータの調査において最も重要な 5G テクノロジーの 1 つとなっています。VIAVI は、ファイバーのリンク検証、同期、タイミングテスト機能、さらに仮想および保証ベースのオプションなど、フロントホールパフォーマンステストのための包括的なソリューションを提供します。

フロントホールの進化

モバイルネットワークにおけるフロントホールの進化は、ブロードバンドネットワークへの光ファイバーへの依存度の高まりを反映しています。両方のドメインの帯域幅とレイテンシの要件により、ファイバーの展開がより深く、より高いレベルに進められているためです。4G のリリース以前は、ファイバーは主にトランスポートネットワーク用に使用されていました。より高性能な規格、多入力多出力（MIMO）テクノロジーの開発、高度な無線調整により、リモート無線ソリューションの登場とフロントホールの光ファイバー用語への導入が実現することになりました。

共通公衆無線インターフェイス（CPRI）プロトコルは、BBU と RRH 間のトランスポート、接続性、および制御の仕様を定義し標準化することを目的に、OEM のコンソーシアムによって 2003 年に最初に確立されました。CPRI は、BBU 内の物理レイヤー（PHY）、データリンクレイヤー、ネットワークレイヤーアーキテクチャに基づいており、フロントホールは RRH と BBU の PHY レイヤー間のリンクを提供します。CPRI の厳しい遅延バジェットにより、BBU と RRH の位置の物理的な分離が制限されることになりました。

CPRI では、アンテナの数に依存するビットレートを持つ同期データ転送プロトコルを使用しているため、ユーザー負荷の変動に合わせて調整されることのない転送レートが生成されます。これは、列車が乗客がいない状態で駅を出発し、復路では旅行者が次の列車を待つというオーバーフロー状態になっているのに似ています。

CPRI のタギング負荷は高く、統計的多重化は限定されます。このような CPRI 固有の非効率性は、4G/LTE のフロントホールでは機能できましたが、Massive MIMO、広帯域幅、低レイテンシの 5G トランスポート用に拡張するには、コストがかかるだけでなく非常に非現実的です。3GPP TR 38.801、IEEE、および ITU-T で定義されている革新的なソリューションは、BBU エレメントの機能分割を必要とします。

この新しいアーキテクチャモデルのコンポーネントは、RU（従来の RRH および RRU）、集約ノード（CU）、および分散ノード（DU）として定義されており、CU と DU 間の新しいリンクはミッドホールと適切に呼ばれています。RAN の仮想化により、ユースケースの要件に最も適した OSI レイヤー間の機能分割に従って、BBU 機能をさまざまな要素内に配置ないし配列することができるようになりました。スプリットアーキテクチャの柔軟性は、5G フロントホールネットワーク上で主要なユースケースを同時に最適化する上で不可欠なものです。

フロントホールとバックホールの比較

スプリット RAN アーキテクチャは、従来のフロントホールとバックホールの定義を変えることになりました。バックホールは、最初は単にケーブルまたは光ファイバーを介した無線ネットワークと有線ネットワーク間の接続を指すものでした。LTE によって帯域幅と効率性が増大し、新しいリンクにより中央集約型のベースバンドユニットが個々の無線ヘッドに接続されるようになり、フロントホールを追加することが必要になりました。

フロントホールアーキテクチャとバックホールアーキテクチャ（およびミッドホールアーキテクチャ）を組み合わせる場合、クロスホール（または、x-haul または xhaul）とも呼ばれます。

ネットワーク機能仮想化（NFV）は、モジュール性とカスタマイズの新たな機会を生み出し、既存のパラダイムをさらに打ち破るようになりました。DU ないし CU 機能は RU に統合することができます。DU は CU と組み合わせることも、各要素を別々の場所で個別に機能させることもできます。各インスタンスでは、バックホールは引き続きコアへの接続リンクを提供します。

O-RAN フロントホール

従来、大手機器ベンダーは独自の方法で CPRI を実現していました。そのため、フロントホールネットワークアーキテクチャを採用するには、オペレータは単一ベンダーのアプローチを採用せざるを得ませんでした。このサイロ化された理念を打ち破ることが、オープン RAN（O-RAN）の基本的な概念です。O-RAN アライアンスは、マルチベンダーの自律的な RAN 要素への構造化された移行に取り組んでいます。

O-RAN フロントホールでは、汎用ハードウェアとソフトウェアを使用したオープンで仮想化されたアーキテクチャにより、異なるベンダーのオープン分散ノード（O-DU）とオープン無線ユニット（O-RU）を含む組み合わせ間の相互運用性が容易になります。この標準化により、市場での競争が公平になり、技術革新が促進されます。また、オペレータは、フロントホールの要素を透過的にかつコスト効率よく組み合わせ、適合させることができます。

フロントホールネットワーク

ギガビットの速度と 1 ミリ秒のレイテンシを実現することで、5G インフラのあらゆる面（従来のフロントホール転送容量の限界を含む）のレベルが高まります。ファイバーは、増大するフロントホールの要求に対応するために必要な拡張性の高いファイバー管理と柔軟性を備えており、これらの障害を克服できる伝送メディアです。ダークファイバーは、使用可能であればフロントホールネットワーク容量を直ちに増やす最もコスト効率の高いオプションです。また、このソリューションは、迅速な展開とレイテンシへの影響を 最小限に抑えた、最適なオプションの 1 つを提供します。

WDM

波長分割多重（WDM）を使用すると、フロントホールのファイバーのリンクをより効率的に使用できます。複数の波長で伝送することで、いくつかのアンテナからのトラフィックを 1 つのダークファイバーでネットワークに送信できます。Coarse WDM（CWDM）により、オペレータは最大 18 チャネルを同時に送信できます。CWDM のパッシブな性質により、コストと複雑さが軽減されます。エルビウム添加光ファイバー増幅器 (EDFA) を利用するように設計された Dense WDM (DWDM）は、最大 96 の独立したチャネルを生成できます。DWDM は、必要とする距離に応じてアクティブまたはパッシブに展開することができます。ハイブリッド WDM オプションでは、選択した CWDM チャネル上で複数の DWDM 周波数を送信することで、スループットを向上させることもできます。

パッシブ光ネットワーク（PON）

パッシブ光ネットワーク（PON）は、光スプリッターを使用して、ポイントツーマルチポイントトポロジを形成します。統計的多重化をサポートするパッシブファイバー分割は、Massive MIMO テクノロジー特有の RU 接続の密度に対してバランスをとれる可能性があります。

5G フロントホールネットワーク内で導入される各追加スプリットは、既存の容量を 2 倍にすることができますが、理想的な接続条件下でも最小 3dB の損失をもたらします。WDM-PON のような新たなイノベーションは、既存の固定アクセスサービスの帯域幅を犠牲にすることなく、新たな波長をレガシー PON ネットワークにオーバーレイするもので、実現技術を組み合わせたものです。 さらに、NG-PON2 が登場し、アップストリームとダウンストリームの両方で複数の 10G 波長を持つ WDM を使用して、対称的な 40 Gbps サービスを提供します。NG-PON2 は G-PON と XG/XGS-PON に異なる波長を使用して、同じ PON ネットワーク上で 3 つすべてのサービスの共存を可能にするものです。

5G フロントホール

5G の高レベルのユースケースとしては、拡張モバイルブロードバンド（eMBB）、大規模マシンタイプ通信（mMTC）、および超高信頼性低遅延通信（uRLLC）があります。各ユースケースには、5G フロントホールのパフォーマンス上特有の課題があります。99.9999% の可用性要件を持つ自律車両などの uRLLC アプリケーションは、IoT や超高密度ストリーミングなどの高度に分散された、あるいはデータ集約型の 5G アプリケーションと一致している必要があります。

1 つのユースケースに最適と見なされるスプリットフロントホールアーキテクチャは、柔軟性が特に重要な他のユースケースでは制約があり過ぎるか、さらには法外なものにさえなる可能性があります。高度な仮想化を組み込みパケットベースの同期化を実装して、ネットワーク上の差別をなくすることにより、これら 3 つの非常に異なる 5G ユースケースを同じネットワーク上で同時に効果的にサポートできます。

5G フロントホールアーキテクチャ

5G フロントホールアーキテクチャの進化により、レイテンシ、容量、複雑さについてそれぞれ固有の利点と欠点を備えた 8 つの個別の機能展開オプションが作成されました。各オプションは、RU、DU、および CU の設定と場所に関して、物理レイヤー、データレイヤー、およびネットワークレイヤーの間で選択された分割点によって定義されます。オプション 8 は、BBU の下位物理レイヤーと RRH の間で発生する高レベルスプリットを備えた現在の CPRI 構成と同等です。

固定無線アプリケーションは、固定された場所のユーザーに広帯域幅のサービスを提供するため、オプション 2 が役立ちます。これにより、無線ヘッド内にリアルタイム機能が配置され、RU/DU 機能要素が作成されます。複数の無線要素の高レベルの調整は必要ないため、RU の場所に多くの機能を配置することで、フロントホールにかかる帯域幅とレイテンシの負担を軽減できるため、CU を無線ヘッドから数十 km 離れた場所に配置できます。

逆に、eMBB のユースケースでは、オプション 6 と 7 は物理レイヤーの無線機能を RU とのみペアリングし、追加のレイヤーは CU/DU に残すものです。これにより、モバイルアプリケーション側で複数の無線機の調整が行われ、フロントホールのビットレートサポートは減少することになります。これらのオプションを使えば、RU と DU の地理的な分離を制限する、より厳しいレイテンシ要件も導入することができます。

eCPRI フロントホール

5G フロントホールコンポーネントのスプリットアーキテクチャを標準化するために、CPRI コンソーシアムは 2017 年に最初の拡張共通公衆無線インターフェイス（eCPRI）プロトコルをリリースしました。eCPRI のフロントホール導入の表明された目的は、複雑さを制限しながら、無線機器（eRE）と無線機器制御（eREC）間のデータレート要求を低減することです。同期 CPRI データ転送は、イーサネットまたは IP を採用した、より効率的なパケットベースのプロトコルに置き換えられます。

将来が保証された eCPRI フロントホールインターフェイスは、調整アルゴリズムを使用してリアルタイムでトラフィックを分析し、優先順位を付けることで、無線パフォーマンスを最適化します。eCPRI プロトコルは、eRE と eREC の間の相互作用に必要な 3 つのプレーンを識別します。これらのプレーンには、ユーザープレーン、同期プレーン、および制御と管理のプレーンがあります。ユーザプレーントランスポート定義は、データフレーム、パケット、およびヘッダーの形式を標準化しますが、同期プレーンおよび制御と管理プレーンは、eCPRI プロトコルによって明示的に制限されることはありません。

フロントホールトランスポートネットワークノード（FTN）

CPRI と eCPRI が統合されたフロントホール構成で同時に展開されている場合、フロントホールトランスポートネットワークノード（FTN）を使用してイーサネットアクセスリングを管理できます。このシナリオでは、遅延と同期の要件が仕様の範囲内であることを確認するための効果的なテストソリューションが必要です。

VIAVI MTS-5800シリーズ は、ラボでの FTN パフォーマンスの検証、 eCPRI テストの実行、スループット、遅延、およびジッターの正確な測定に使用できます。これらの柔軟性の高いハンドヘルド型ネットワークテスターは、RFC 2544 および Y.1564 テスト手法を使用して、GPS 信号安定性テスト、PTP タイミングエラーテスト、およびイーサネットアクティベーションを効果的に実行することもできます。

フロントホールテスト

5G フロントホールネットワークは、最適なパフォーマンスを実現するためにファイバー接続に大きく依存しています。また、次世代のフロントホールアーキテクチャでは、複雑なリアルタイムスペクトラム解析、タイミングおよび同期テスト機能も必要となります。VIAVI のタイミング拡張モジュール（TEM）は、高耐久性のフィールド用ポータブル型パッケージでナノ秒精度の 5G フロントホールタイミングおよび同期テスト機能を提供することで、ハンドヘルド型 MTS-5800 シリーズネットワークテスターを補完します。また、TEM は正確な PTP タイミングエラーおよび PDV 測定を実行することもできます。

広範なフロントホール展開オプションにより、ファイバーテスト、5G のサービスアクティベーション、イーサネット回線速度、OTN テスト機能を備えたオールインワンベースステーションアナライザは、ラボやフィールドで非常に貴重なものとなっています。ポータブル 型の CellAdvisor 5G テスト装置は、5G フロントホールの検証、セルサイトの導入と試運転、massive MIMO およびアンテナビームの検証、さらには統合された端面検査および検証機能を実現する完全なソリューションを提供します。

PON および WDM テクノロジーによるファイバー分割および多重化への依存度が高まることにより、フロントホールファイバーテストの要件も複雑さも増し、従来のビジュアルフォルトロケータ（VFL）および電源監視手法では不十分な場合があります。

VIAVI の一連の光ファイバーツール は、ハンドヘルド型端面検査とクリーニングツールから強力な FiberComplete ソリューションにまで拡張されており、複雑なファイバーの動作中の有害事象を検出し、双方向挿入損失（IL）、光リターンロス（ORL）、OTDR テストを実行します。

フロントホールネットワークは、PON テクノロジーを活用して増大する容量需要に対応し続けており、フロントホールテスト手法は、5G フロントホールの構築、アクティブ化、および保守に特化した PON ソリューションの恩恵を受けることでしょう。これには、導入された PON 技術標準に柔軟に調整できる波長選択 PON パワーメーター、PON ネットワークを検証しマッピングするための中央集約型 PON テスト、PON 固有の OTDR テストソリューションなどがあります。