Fronthaul

O que é fronthaul?

O fronthaul é definido como a conexão baseada em fibra na infraestrutura RAN entre a unidade de banda base (BBU) e as unidades de rádio remoto (RRH). O fronthaul teve início com as redes LTE, quando os operadores aproximaram seus rádios das antenas pela primeira vez. Este novo enlace foi estabelecido para complementar a conexão de backhaul entre a BBU e o core da rede central.

Conforme os novos casos de uso para 5G são implementados, configurações fronthaul flexíveis tornaram-se um ingrediente essencial para balancear as demandas de latência, produtividade e confiabilidade de aplicações 5G avançadas. 

A RAN da próxima geração resulta em um aumento da implantação de fibra fronthaul e maior confiança na multiplexação, virtualização e divisão da arquitetura fronthaul. Isso fez que a fronthaul de eCPRI fosse considerada como uma das tecnologias 5G mais importantes, com base em pesquisas com operadoras. A VIAVI oferece uma solução abrangente para testar o desempenho do fronthaul, incluindo verificação, sincronização e recursos de teste e temporização do enlace de fibra, além de opções virtuais e baseadas em garantia.

Evolução do fronthaul

A evolução do fronthaul em redes móveis refletiu a crescente dependência de fibra óptica para redes de banda larga, uma vez que os requisitos de largura de banda e de latência em ambos os domínios continuaram a impulsionar implantações de fibra cada vez mais profundas e elevadas. Antes da liberação do 4G, a fibra era usada principalmente em redes de transporte. Padrões de desempenho mais elevados, desenvolvimento de tecnologias de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) e práticas de coordenação de rádio avançadas adequaram-se exatamente com a chegada das soluções de rádio remoto e com a introdução do fronthaul no mundo da fibra óptica.

O protocolo de interface de rádio público comum (CPRI) foi estabelecido pela primeira vez em 2003 por um consórcio de OEMs para definir e padronizar as especificações de transporte, conectividade e controle entre BBU e RRH. A CPRI baseou-se na arquitetura de camada física (PHY) colocalizada, camada de enlace de dados e camada de rede na BBU com fronthaul, fornecendo o enlace entre a RRH e a camada PHY da BBU. A reserva de atraso rigorosa da CPRI limitou a separação física entre as posições da BBU e da RRH.

A CPRI usa um protocolo de transferência de dados sincronizáveis com taxas de bits dependentes da quantidade de antenas, criando assim rates de transferência que não ajustam a variação na carga do usuário. Isso é análogo a um ônibus deixando a estação sem passageiros em uma viagem e retornando em seguida para encontrar uma grande quantidade de viajantes esperando pela próxima viagem.

A carga de marcação da CPRI é elevada e a multiplexação estatística é limitada. Essas ineficiências inerentes à CPRI foram viáveis para o fronthaul de 4G/LTE, mas são altamente impraticáveis, bem como caras, para passar para o MIMO massivo, alta largura de banda e transporte 5G de baixa latência. A solução inovadora, conforme definido pelas normas 3GPP TR 38.801, IEEE e ITU-T, requerem a divisão funcional dos elementos da BBU.

Os componentes deste novo modelo arquitetônico são definidos como a RU (anteriormente conhecida como RRH e RRU), unidade central (CU) e unidade distribuída (DU), sendo o novo enlace entre CU e DU chamado, de forma apropriada, de midhaul. A virtualização RAN permitiu que as funções de BBU estejam localizadas ou colocadas dentro dos vários elementos, dependendo da divisão funcional entre camadas OSI que melhor atende aos requisitos do caso de uso. A flexibilidade da arquitetura dividida é essencial para otimizar os principais casos de uso em redes fronthaul 5G simultaneamente.

Fronthaul x backhaul

A arquitetura Split RAN remodelou as definições tradicionais de fronthaul e backhaul. Na sua primeira versão, o backhaul era simplesmente descrito como a conexão entre a rede sem fio e a rede cabeada por meio de cabo ou fibra óptica. O fronthaul tornou-se uma adição necessária quando a importância da largura de banda e eficiência subiu com a LTE e um novo enlace conectou unidades de banda base centralizadas às unidades de rádio individuais.

Quando você une a arquitetura fronthaul com a de backhaul (e também com a midhaul), isto é conhecido como crosshaul (ou x-haul ou xhaul).

A virtualização da função de rede (NFV) criou novas oportunidades para modularidade e personalização que quebra ainda mais o paradigma existente. As funções DU e/ou CU podem ser integradas com a RU, a DU pode ser combinada com a CU ou cada elemento pode funcionar independentemente em locais separados. Em cada situação, o backhaul ainda fornece o enlace de conexão ao core.

O-RAN fronthaul

Tradicionalmente, os grandes fornecedores de equipamentos implementaram a CPRI de forma particular, o que limita as operadoras a uma abordagem de fornecedor único para a arquitetura de rede fronthaul. Quebrar essa ideologia de exclusividade é o conceito fundamental por trás da RAN aberta (O-RAN). A O-RAN Alliance está comprometida com uma migração estruturada voltada a elementos RAN autônomos de múltiplos fornecedores.

Para o fronthaul de O-RAN, uma arquitetura aberta e virtualizada que utiliza hardware e software genéricos facilitará a interoperabilidade entre as combinações incluindo unidades distribuídas abertas (O-DU) e unidades de rádio abertas (O-RU) de diferentes fornecedores. Essa padronização nivelará a competitividade e estimulará inovações, permitindo que os operadores usem diferentes elementos do fronthaul com eficiência e economia.

Redes fronthaul

Alcançar velocidades de gigabit e latência de 1 milissegundo eleva o desafio em todos os aspectos da infraestrutura para 5G, incluindo os limites estabelecidos da capacidade de transporte do fronthaul. A fibra é a mídia de transmissão que pode superar esses obstáculos, oferecendo a flexibilidade e o gerenciamento de fibra escalável necessários para atender às crescentes demandas do fronthaul. Fibra apagada (dark fiber), se disponível, é a opção mais econômica para um impulso imediato na capacidade de rede fronthaul. Esta solução também oferece uma das melhores opções, com implantação rápida e o menor impacto na latência.

WDM

A multiplexação com divisão de onda (WDM) pode permitir o uso mais eficiente de enlaces de fibra fronthaul. Ao transmitir em vários comprimentos de onda, o tráfego de várias antenas pode ser enviado por meio da rede em uma única fibra apagada. A multiplexação bruta (coarse) (CWDM) permite que as operadoras transmitam até 18 canais simultaneamente. A natureza passiva da CWDM reduz o custo e a complexidade. A multiplexação densa (dense) (DWDM), projetada para aproveitar amplificadores de fibras dopadas com érbio, pode criar até 96 canais independentes. A DWDM pode ser implantada de forma ativa ou passiva, dependendo da distância necessária. As opções de WDM híbrida também podem aumentar a produtividade, transmitindo várias frequências DWDM em canais CWDM selecionados.

Redes ópticas passivas (PON)

As redes ópticas passivas (PON) utilizam splitters ópticos para criar uma topologia de ponto a multipontos. A divisão passiva de fibra em apoio à multiplexação estatística é um potencial contrapeso para a densidade de conexões de RU inerentes à tecnologia MIMO massivo.

Cada divisão adicional introduzida em uma rede fronthaul para 5G pode dobrar a capacidade existente, entretanto também introduz uma perda mínima de 3 dB mesmo em condições ideais de conexão. Novas inovações, como WDM-PON, combinam tecnologias habilitadoras sobrepondo novos comprimentos de onda em redes PON antigas sem comprometer a largura de banda dos serviços de acesso fixo existentes.  Além disso, a NG-PON2 está emergindo e utiliza WDM com múltiplos comprimentos de onda de 10G, nas direções upstream e downstream, para oferecer um serviço simétrico de 40 Gbps. A NG-PON2 usa comprimentos de onda diferentes para G-PON e XG/XGS-PON a fim de permitir a coexistência dos serviços de todas as três na mesma rede PON.

5G fronthaul

Casos de uso de alto nível para 5G incluem banda larga móvel aprimorada (eMBB), comunicação tipo máquina massiva (mMTC) e comunicações ultraconfiáveis de baixa latência (uRLLC). Cada caso de uso apresenta desafios distintos para o desempenho do fronthaul para 5G. Aplicações uRLLC como veículos autônomos com requisitos de disponibilidade de 99,9999% devem ser mantidos coincidentes com aplicações 5G altamente distribuídas ou com muitos dados, como a IoT ou streaming de ultra-alta densidade.

A arquitetura fronthaul dividida considerada ideal para um caso de uso pode ser restritiva ou até mesmo proibitiva para outros, tornando a flexibilidade uma preocupação primordial. Ao desagregar a rede, incorporar um alto nível de virtualização e implementar sincronização baseada em pacotes, esses três casos de uso para 5G muito diferentes podem ser efetivamente suportados na mesma rede, ao mesmo tempo.

Arquitetura fronthaul 5G

A evolução da arquitetura fronthaul para 5G criou oito opções distintas de implantação funcional, cada uma com benefícios e desvantagens inerentes em relação à latência, capacidade e complexidade. Cada opção é definida pelos pontos de divisão escolhidos entre camadas físicas, de dados e de rede com relação à configuração e localização de RU, DU e CU. A opção 8 é equivalente à configuração da CPRI atual com a divisão de alto nível ocorrendo entre a camada física baixa da BBU e a RRH.

Aplicações sem fio fixas que fornecem serviços de alta largura de banda a usuários em locais fixos são propícias à opção 2, que coloca funções em tempo real dentro da unidade de rádio e cria um elemento funcional RU/DU. Como a coordenação de alto nível de vários elementos de rádio não é necessária, colocar mais funcionalidade no local da RU pode reduzir a largura de banda e a carga de latência colocada no fronthaul, permitindo assim que a CU seja posicionada a dezenas de quilômetros da unidade de rádio.

Inversamente, no caso de uso da eMBB, as opções 6 e 7 emparelham apenas as funções de rádio da camada física com a RU, permanecendo as camadas adicionais na CU/DU. Isso é mais propício para a coordenação de vários rádios em aplicações móveis e reduz o suporte da taxa de bits do fronthaul. Essas opções também apresentam requisitos de latência mais rigorosos que limitam a separação geográfica entre a RU e a DU.

Fronthaul eCPRI

Para padronizar a arquitetura dividida dos componentes de fronthaul para 5G, o consórcio CPRI lançou a interface de rádio público comum aprimorada (eCPRI) em 2017. O objetivo declarado para a adoção do fronthaul eCPRI é diminuir as demandas da taxa de dados entre o equipamento de rádio (eRE) e o controle de equipamentos de rádio (eREC), limitando a complexidade ao mesmo tempo. A transferência de dados CPRI sincronizados é substituída por protocolos mais eficientes, baseados em pacotes, que empregam Ethernet ou IP.

A interface fronthaul EcPRI protegida contra obsolescência otimiza o desempenho do rádio usando algoritmos de coordenação para analisar e priorizar o tráfego em tempo real. O protocolo eCPRI identifica três planos necessários para a interação entre eRE e eREC. Tais planos incluem o plano do usuário, o plano de sincronização e o plano de controle e gerenciamento. As definições de transporte no plano do usuário padronizam o frame de dados, pacote e formato de cabeçalho enquanto os planos de sincronização e controle e gerenciamento não são explicitamente limitados pelos protocolos eCPRI.

Nodes de rede de transporte fronthaul (FTN)

Quando a CPRI e a eCPRI são implantadas simultaneamente em uma configuração de fronthaul convergente, um node de rede de transporte fronthaul (FTN) pode ser usado para gerenciar o anel de acesso Ethernet. Este cenário requer uma solução de teste eficaz para garantir que os requisitos de atraso e sincronização estejam dentro das especificações.

O MTS-5800-100G da VIAVI pode ser usado para validar o desempenho da FTN em laboratório, executar testes eCPRI e medir com precisão a produtividade, o retardo e o jitter. Esses testadores de rede portáteis e flexíveis também podem realizar efetivamente testes de estabilidade do sinal de GPS, testes de erro de temporização PTP e ativação Ethernet por meio das metodologias de teste RFC 2544 e Y.1564.

Teste de fronthaul

As redes fronthaul para 5G dependem muito da conectividade de fibra para desempenho ideal. A arquitetura fronthaul da próxima geração também requer análise complexa de espectro em tempo real, temporização e capacidade de teste de sincronização. O módulo de extensão de temporização (TEM) da VIAVI pode complementar os testadores portáteis de rede da série MTS-5800 fornecendo temporização de fronthaul 5G precisa na faixa de nanossegundos e capacidade de teste de sincronização em um pacote portátil e robusto para o campo. O TEM também pode indicar com precisão erros de temporização PTP e medidas PDV.

A amplitude de opções de implantação do fronthaul faz com que um analisador de estação de base completo com teste de fibra, ativação de serviço 5G, rate de linha Ethernet e capacidades de teste OTN seja inestimável tanto no laboratório como em campo. O instrumento de teste portátil CellAdvisor 5G oferece uma solução completa para verificação do fronthaul para 5G, instalação e comissionamento de redes móveis, MIMO massivo e validação de feixe de antena, além de funções de validação e de inspeção de fibra integradas.

A dependência de divisão da fibra e de multiplexação por meio de tecnologias PON e WDM também aumenta a complexidade dos requisitos de teste de fibra fronthaul, tornando o localizador visual de falhas (VFL) e as práticas de monitoramento de energia insuficientes em alguns casos.

O conjunto de ferramentas de fibra óptica da VIAVI vai desde ferramentas portáteis para inspeção de fibra e limpeza até as poderosas soluções FiberComplete para detectar eventos adversos em trechos de fibra complexos e realizar teste de perda de inserção bidirecional (IL), perda de retorno óptico (ORL) e teste de OTDR.

Conforme as redes fronthaul continuam a alavancar a tecnologia PON para atender às crescentes demandas de capacidade, as práticas de testes do fronthaul vão tirar proveito de soluções PON dedicadas para construir, ativar e manter instalações de fronthaul para 5G. Isso inclui medidores de potência PON seletivos em termos de comprimento de onda para se ajustar de forma flexível aos padrões da tecnologia PON implantada, teste de PON centralizados para validar e mapear redes PON e soluções de teste OTDR específicas para PON.