Backhaul

Na terminologia de transporte, o backhaul descreve um veículo que retorna ao seu ponto de origem, transportando uma nova carga útil adquirida no local de saída. A utilidade desse conceito é igualmente evidente para redes de backhaul móveis, base das telecomunicações modernas.

A rede 5G está desafiando a definição de backhaul de maneiras sem precedentes. À medida que a tecnologia continua a mudar com novos protocolos, rates de linha e tipos de mídia, a VIAVI oferece soluções abrangentes de teste de backhaul para ativação eficiente de serviços e gestão de desempenho. A automação do processo de teste, as rotinas de teste de sincronização e os recursos de inspeção de fibra integrados protegem o desempenho de backhaul em todo o ciclo de vida do serviço. 

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O que é backhaul sem fio?

Backhaul é um termo geral que descreve a infraestrutura de transporte usada para conectar a rede de acesso por rádio (RAN) e o core de uma rede móvel. Essa ligação vital entre a localização da torre de celular e o hub do provedor é um componente central da infraestrutura de rede sem fio. 

O desenvolvimento da tecnologia MIMO, virtualização de RAN e modelos arquitetônicos divididos deram origem ao fronthaul e ao midhaul, o que amplia a definição tradicional de backhaul. A arquitetura combinada de backhaul, fronthaul e midhaul também é conhecida como x-haul, com o componente de backhaul diferenciado por seu link de conexão ao core.

Por que as redes de backhaul são importantes?

A importância de uma rede de backhaul às vezes é subestimada, pois a inovação da 5G RAN e os novos dispositivos portáteis do mercado são revelados para otimizar as oportunidades de 5G. O desempenho, a capacidade e a confiabilidade do backhaul são essenciais para atender às demandas de transporte originadas pela conectividade 5G, pela Internet das Coisas (IoT) e pelo aumento contínuo dos assinantes. Perda de pacotes, alta latência e jitter da operadora são apenas alguns dos sintomas problemáticos que podem ocorrer quando a prontidão do backhaul não foi abordada. 

Para evitar problemas de experiência do usuário relacionados ao backhaul de rede e Wi-Fi, as operadoras buscam continuamente soluções inovadoras para aumentar a largura de banda e garantir a integridade do serviço. As práticas de teste e monitoramento de backhaul móvel assumiram maior importância com níveis de serviço verificados na ativação e continuamente avaliados e otimizados, enquanto os recursos de troubleshooting minimizam a interrupção do serviço em uma variedade de modos de transporte de backhaul emergentes. 

O impacto do 5G nas redes de backhaul

Cada nova geração de tecnologia móvel aumentou a pressão sobre as redes de backhaul, embora o impacto atual do 5G seja diferente de qualquer iteração anterior. A diversidade de use cases, MIMO e fatiamento de rede influenciaram o backhaul para 5G de maneiras tangíveis. A densificação da rede e a capacidade de cobertura reduzida da onda milimétrica aumentam os desafios do backhaul 5G. 

Em velocidades máximas de throughput e download de até 10 Gbps, cargas de dados exponencialmente mais altas devem ser "backhauled" (transportadas) de muito mais locais. Cada um dos principais use cases de 5G, incluindo banda larga móvel aprimorada (eMBB), comunicação massiva tipo máquina (mMTC) e comunicações ultraconfiáveis de baixa latência (urLLC), são possíveis por meio de fatiamento de rede e virtualização de função de rede (NFV) nos segmentos fronthaul e midhaul. 

A configuração de fronthaul e midhaul 5G pode ser adaptada para latência de use case, largura de banda e requisitos de sincronização. Isso diminuiu a carga de latência para links de backhaul 5G e mudou o foco para capacidade, eficiência de espectro e orquestração de serviços para suportar dinamicamente os requisitos de use case 5G.

Tecnologias de backhaul

Desde que o cabo coaxial conectou pela primeira vez as redes móveis ao core há uma geração, a tecnologia de backhaul reflete a evolução da mídia de transporte e o crescimento persistente do tráfego que definem a era das telecomunicações. A adoção contínua de nova infraestrutura e protocolos de transmissão manteve as redes de backhaul à frente da demanda. 

TDM/ponto a ponto

A tecnologia de multiplexação por divisão de tempo (TDM) originou-se na década de 1980 e estabeleceu um modo de transporte de backhaul inicial por cabo coaxial. Também conhecidos como backhaul ponto a ponto ou comutado por circuito, os métodos de TDM dividem o atendimento ao cliente em intervalos de tempo distintos. Essas alocações de tempo são comutadas pela rede para gerenciar de forma confiável a largura de banda e as demandas de desempenho de cada serviço. É necessário um tempo preciso para que o método de backhaul TDM funcione corretamente.

Como os serviços básicos como texto e voz foram ofuscados pela entrega de dados sem fio via LTE e 5G, a escalabilidade das tecnologias de transporte orientadas para conexão e comutadas por circuito diminuiu. A implantação de backhaul mudou para uma abordagem baseada em pacotes que se alinha com a arquitetura de rede móvel abrangente. Dito isso, ainda há muitas regiões no mundo que ainda usam TDM para backhaul.

Ethernet

A Ethernet baseada em pacotes suporta backhaul para 5G de forma eficaz. As rates de bits e distâncias de link aumentaram com a introdução da Ethernet baseada em fibra, e as limitações de largura de banda foram aliviadas. Como a Ethernet não tem a sincronização precisa de frequência de backhaul TDM, o protocolo de tempo de precisão (PTP) foi desenvolvido pelo IEEE para tratar da sincronização de Ethernet, incluindo links de backhaul de longa distância. Essa fidelidade é essencial para use cases de 5G, como carros sem motorista que dependem de tempo preciso e de um nível de latência ultrabaixo.

Conforme as transições de backhaul de fibra para Ethernet e novas instalações proliferam, soluções de teste compactas que suportam tecnologias de backhaul herdadas e emergentes fornecem versatilidade e eficiência de teste. O testador de rede portátil MTS-5800 incorpora capacidades avançadas de caracterização, ativação, temporização e sincronização de rede e troubleshooting para Ethernet, bem como conexões de backhaul TDM. Os recursos de teste de temporização/sincronização integrados verificam a conformidade com os padrões de PTP do IEEE.

Micro-ondas

Entre as opções de backhaul móvel sem fio, o backhaul de micro-ondas surgiu como uma tecnologia de base com seus custos de implantação inerentemente baixos e imunidade relativa a interferências ou interrupções físicas. O espectro de micro-ondas alugado pode ser usado para fazer backhaul de vários serviços no ar com investimento mínimo. Modulação de amplitude de quadratura (QAM), blindagem de link de rádio e outras inovações foram empregadas para otimizar a capacidade de backhaul de micro-ondas. Com alta escalabilidade e eficiência compatíveis com os requisitos de rede 5G, o backhaul de micro-ondas é um componente habilitador do backhaul sem fio de 10 Gb. Em áreas em que a fibra não está disponível, o backhaul de micro-ondas ainda é amplamente usado.

Rede PON

Uma rede óptica passiva (rede PON) refere-se a uma configuração de rede de fibra ponto a multiponto utilizando fibra, splitters e combinadores não alimentados. Comumente implantados para aplicações de fibra até a residência (FTTH) e fibra para edifícios (FTTB), os benefícios da tecnologia da rede PON agora estão sendo realizados para aplicações de rede fronthaul e backhaul.

As redes PON que utilizam um modelo de fibra compartilhada composto por componentes passivos podem atingir a velocidade de 10 Gbps e a baixa latência necessária para o 5G. A divisão de rede PON foi reconhecida como uma solução lógica para distribuição de banda base 5G para cabeçotes de rádio remotos. Os elementos da rede PON continuarão a ser incorporados em redes de backhaul móvel à medida que a tecnologia melhorar.

A fonte de mídia referenciada está faltando e precisa ser informada novamente.

Backhaul de acesso integrado (IAB)

Infelizmente, as implantações de alta frequência associadas ao 5G são caras e oferecem cobertura limitada. A implantação de fibra é um fator importante no que diz respeito a custo e tempo. Uma alternativa ao alto custo e ao período de tempo para instalar a fibra é o backhaul de acesso integrado (IAB), no qual parte do espectro sem fio é usada para a conexão de backhaul de estações base em vez de fibra. Embora o espectro 5G também seja um recurso valioso, as operadoras podem estar dispostas a usar uma parte dele por um curto período de tempo em troca de obstruir um orifício de cobertura, ou estender a cobertura ao longo de uma estrada, ou mesmo para eventos que são temporários por design, como um concerto, evento esportivo etc.

Quais são os problemas comuns da rede de backhaul?

As redes de backhaul são vulneráveis aos mesmos fatores de risco de desempenho que outras redes cabeadas e não cabeadas. Os enlaces de fibra estão sujeitos a danos físicos não intencionais, eventos climáticos e violações de segurança (tapping). Os segmentos de backhaul Ethernet, embora superiores em capacidade e custo, devem conter informações de temporização e sincronização de rede. A má sincronização de rede leva as torres vizinhas a interferir umas com as outras, a chamadas perdidas e à diminuição do throughput de dados. As redes sem fio são suscetíveis a interferências, limitações de distância de transmissão e problemas de linha de visão (LoS). Um problema de backhaul não mitigado pode se manifestar como latência, jitter ou perda de pacotes que afeta a experiência do usuário e os níveis de satisfação.

Juntamente com os problemas de backhaul móvel preexistentes, a proliferação de small cells, as demandas de throughput e os enormes desafios de tráfego trazidos pelo surgimento do 5G continuam a elevar o nível. Embora esses problemas sejam amplamente reconhecidos, as soluções de backhaul móvel 5G variam de acordo com a operadora. Agregação de backhaul em "supercélulas", backhaul sem fio na onda milimétrica e um número ilimitado de soluções holísticas merecem consideração.

Por que você deve testar o backhaul?

As gerações anteriores de tecnologia de backhaul móvel foram projetadas para suportar a infraestrutura de macrocélulas de maneira previsível. Conforme o TDM fez a transição para Ethernet/IP e as small cells suplantam o modelo tradicional de macrocélulas, a arquitetura da estação base e as estratégias de gestão de tráfego também mudaram. Tais mudanças incrementais alteraram as estratégias de teste de backhaul móvel de uma abordagem de verificação única para uma filosofia baseada no monitoramento contínuo do desempenho. 

Use cases de 5G com requisitos rigorosos de throughput e latência removeram qualquer margem de erro que possa ter existido no passado. A Ethernet baseada em pacotes simplificou o fluxo de dados de backhaul, embora as rates de erro de bits (BER) e a perda de pacotes devam permanecer excepcionalmente baixas para suportar aplicativos com uso intensivo de dados, como inteligência artificial (IA) e realidade aumentada (RA). Testes de backhaul e monitoramento de métricas de desempenho ao longo do tempo podem evitar problemas potenciais rapidamente e acelerar o troubleshooting.   

Temporização e sincronização de rede
Quando as redes de backhaul móvel mudaram para redes baseadas em pacotes, fornecer sincronização de relógio confiável nessas redes tornou-se um requisito crítico. Técnicas de sincronização baseadas em pacotes como PTP/IEEE 1588v2 são necessárias para fornecer sinais de sincronização em redes IP para vários dispositivos no edge da rede. A falta de sincronização na estação base leva à interferência de RF, que, por sua vez, causa chamada de baixa qualidade, aumento da queda de chamadas durante transferências, tempos excessivos de configuração de chamadas, largura de banda mais baixa e uso ineficiente do espectro. Como as operadoras sem fio competem em todos esses importantes problemas de qualidade do cliente e pagam milhões ou bilhões de dólares para adquirir licenças de espectro, é fácil ver como a sincronização de rede é vital para elas.

Felizmente, novas metodologias fornecem testes de sincronização simples nos mesmos instrumentos de campo usados para testes de backhaul e fronthaul. As aplicações de teste de GPS verificam a posição correta das antenas conferindo o número de satélites visíveis e as respectivas intensidades de sinal. O teste PTP/IEEE 1588v2 garante a conexão confiável de redes móveis com grandmasters e qualifica a rede de backhaul para a entrega adequada da sincronização verificando o atraso, a variação do atraso, o erro de tempo, o wander, o desvio de frequência de PTP, Ethernet síncrona e sinais de relógio 1pps/10MHz/BITS/SETS.

Etapas para testar uma rede de backhaul

À medida que a tecnologia de backhaul torna-se cada vez mais complexa e a demanda acelera, uma abordagem abrangente do ciclo de vida dos testes de backhaul está cada vez mais lógica e econômica. Os requisitos de desempenho de backhaul passam rapidamente da teoria para soluções e projetos móveis que devem ser implantados de forma rápida, segura e econômica. 

Metas de serviço

Metas de serviço definitivas são o primeiro passo no caminho para a satisfação do cliente. Cada novo local tem uma mistura exclusiva de acordos de nível de serviço (SLAs), metas de cobertura e projeções de utilização de backhaul que, em última análise, impulsionam a arquitetura, a capacidade e os requisitos de teste de backhaul. 

Juntamente com esses objetivos bem definidos, a inspeção e qualificação de fibra concluída antes do turn-up satisfaz outro marco de implantação. Soluções portáteis inovadoras como o FiberChek Sidewinder da VIAVI suportam teste de backhaul móvel e certificação de fibra com inspeção da fibra multimodo totalmente autônoma e recursos de certificação de face final em um dispositivo portátil fácil de usar. 

Ativação de serviço

A ativação do serviço é uma fase importante dos testes de backhaul quando a rede móvel concluída fornece sua primeira visão dos níveis reais de serviço e das linhas de base de desempenho. Ferramentas de teste automatizadas simplificam a caracterização do enlace de fibra de backhaul e o turn-up do serviço Ethernet com base nas especificações RFC 2544 e Y.1564. Diagnóstico rápido de problemas de throughput, perda de quadro e problemas de latência pode acelerar o troubleshooting e evitar que um problema de backhaul atrase a certificação do local. O MTS-5800 da VIAVI é a ferramenta ideal para testar segmentos de backhaul, pois oferece a capacidade de testar várias camadas de rede e tipos de protocolo, bem como temporização e sincronização.

Garantia e gestão de desempenho do backhaul

O futuro do 5G xHaul

À medida que as operadoras transformam gradualmente suas implantações de 5G do modo não autônomo para o modo autônomo, os use cases altamente esperados além do eMBB serão habilitados. A conexão de 5G NR com redes core 5G, MIMO massivo, fatiamento de rede e transmissão de onda milimétrica liberam todo o potencial da tecnologia 5G.

Conforme os serviços 5G impulsionam a demanda por 5G, o impacto nas futuras redes xHaul será substancial. Um único usuário 5G no modo autônomo consome até 10 vezes a largura de banda de um usuário LTE típico. Para enfrentar esse desafio proativamente, uma abordagem criativa precisará complementar a simples multiplicação de links de backhaul Ethernet e sem fio existentes. Padrões de RAN aberta fazem parte da solução, impulsionando a eficiência por meio de interoperabilidade, convergência e concorrência de mercado.

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Ao dividir a tecnologia tradicional de backhaul em segmentos configuráveis de fronthaul, midhaul e backhaul, o xHaul produz uma solução capaz de solucionar o problema. Novas inovações como redes quânticas podem fazer com que a tecnologia 5G xHaul pareça um pouco com os caminhões sobrecarregados que levavam cascalho para a pedreira há um século. Testes e monitoramento eficazes para amplitude, flexibilidade e ciclo de vida das redes de backhaul móvel continuarão a garantir níveis de serviço e satisfação para as gerações futuras.