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Pruebas de la red C-RAN: instalación y mantenimiento del fronthaul

El mercado mundial de telecomunicaciones se enfrenta a dos retos: un crecimiento explosivo del tráfico de datos móviles y la necesidad de reducir los costes de operación de las redes móviles. Esto ha provocado la irrupción de nuevas arquitecturas de red, como el uso de redes de acceso a radio centralizada o “radio en la nube” (C-RAN). Estas redes se pueden comprender mejor si pensamos en la evolución de la red móvil y concretamente en el papel que desempeña la estación base. Inicialmente, la estación base estaba formada por un conjunto de equipos en el interior de un edificio, con un largo cable coaxial de RF que conecta el equipo a la antena. No obstante, en la actualidad las estaciones base utilizan cada vez más equipos de radio remota. El módulo de RF, denominado cabezal de radio remota (radio remote head, RRH), se coloca cerca de la antena y la conexión entre el RRH y la estación base se realiza por fibra óptica. En ella se digitaliza, modula y transporta la señal de RF a mediante fibra óptica, con sus ventajas en cuanto a baja pérdida de señal, peso ligero, robustez, facilidad de conexión e inmunidad frente a interferencias. Para los operadores, la fibra reduce los costes de los equipos y de la energía, amplía la distancia entre la estación base y la antena, y facilita la instalación. C-RAN representa un nuevo paso adelante para la red móvil ya que se prepara para la revolución de 5G. En concreto, aporta escalabilidad, reduce los costes de los equipos y el consumo de energía, aumenta la calidad, el ancho de banda y la cobertura, además de simplificar la instalación.

Arquitectura de C-RAN

La transición a C-RAN ha creado dos áreas dentro de la red móvil: fronthaul y backhaul. La función del fronthaul es permitir que las unidades de la banda base se conecten perfectamente a la radio remota sin que ello afecte a las prestaciones de radio. Esta sección contiene el enlace que conecta las antenas al RRH y la unidad de la banda base (baseband unit, BBU). Por otra parte, la función del backhaul es conectar las unidades de banda base geográficamente dispersas (denominadas “hotel de BBU”) a la red metropolitana. En el fronthaul se están aplicando dos estándares en la actualidad: Common Public Radio Interface (CPRI) y Open Station Architecture Initiative (OBSAI). Si bien no comparten el mismo origen, al menos definen las capas físicas y de enlace. Hay protocolos para generación de tramas, codificación, control y sincronización, y se define una velocidad de línea para el tráfico ascendente y descendente correspondiente a velocidades de 600 Mbit/s a 10 Gbit/s, y más recientemente de hasta 25 Gbit/s. Se pueden utilizar varias topologías en la capa física, como estrella, cadena, árbol y anillo. Si bien se pueden utilizar varios medios, como el cobre, es preferible desde luego el enlace de tipo óptico (fibra). La red backhaul recurre al estándar Ethernet para interconectar las unidades del hotel de BBU. Existen tres tipos de redes dentro de las topologías de fronthaul para C-RAN: pasiva, activa y semipasiva. Estas redes utilizan la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda (wavelength division multiplexing, WDM), que permite ampliar la capacidad de conexión y mejorar la escalabilidad. La tecnología de red pasiva es la forma más sencilla de construir una C-RAN de fronthaul y minimiza el consumo. Sin embargo, no resulta sencillo cambiar la configuración de la conexión y disponer una configuración con varios operadores; además es menos escalable. Las redes activas necesitan menos equipos y su consumo es mayor, pero aportan una mayor escalabilidad, conectividad más sencilla y funciones como OAM (Operation Administration Maintenance).

Pruebas de la red óptica del fronthaul

Si se compara con redes de largo alcance, como los sistemas metropolitanos o troncales, la red fronthaul funciona a una corta distancia – inferior a 40 km – y utiliza fibra monomodo, dando como resultado unas pérdidas ópticas totales muy inferiores a 20 dB. Esto significa que el rango dinámico que necesitan los instrumentos de prueba no es excesivo. La conexión entre la BBU y el RRH está formada como mínimo por seis conectores y varias fibras de longitud corta; la dificultad de la prueba reside en identificar y comprobar estos enlaces, así como en cerciorarse de que las fibras y los conectores sean correctos (es decir, que no tengan rasguños o suciedad) y estén conectados correctamente. Para realizar tales comprobaciones se suelen utilizar un microscopio y un identificador de fibra. En el caso de fibras de longitud larga se necesitará un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo (Optical Time Domain Reflectometer, OTDR) para caracterizar las fibras. Si se presenta algún problema con el enlace óptico, el OTDR está en condiciones de localizar el fallo (p.ej., una fibra rota o conectores en mal estado). Estos equipos, junto con un medidor de potencia óptica, un equipo de prueba de pérdidas ópticas (optical loss test set, OLTS) y un generador de luz visual para la identificación de la fibra, se encuentran disponibles actualmente integrados en el comprobador MT1000A de Anritsu.

Comprobación de los enlaces CPRI y OBSAI

La especificación de la red fronthaul incluye recomendaciones para los enlaces CPRI y OBSAI. La calidad de los datos exige una tasa de error de bit inferior a 10- 12 para todas las velocidades de transmisión, mientras que la latencia total (round-trip time, RTT) debe ser inferior a 5 μs sin incluir el cable e inferior a 150 μs para una distancia de 30 km. Para la capa física óptica, la longitud de onda y la potencia deben cumplir las especificaciones del interface SFP. Además, durante la instalación o el mantenimiento se recomienda comprobar el módulo SFP. Si la red es activa también se pueden comprobar determinados protocolos como el sistema de conmutación de protección automática para el estándar OTN. El estándar CPRI incorpora un protocolo denominado “L1Inband” para establecer un enlace entre la BBU y el RRH. Un comprobador como el MT1000A puede emular este protocolo para verificar el funcionamiento de la BBU o el RRH y se puede conectar a la red durante la instalación o el mantenimiento. También es posible configurar el analizador para que efectúe pruebas de supervisión mediante un acoplador óptico (TAP) o bien configurando el instrumento en modo transparente (“thru”).

Pruebas de RFoCPRI /RFoOBSAI en la red fronthaul

Los datos digitalizados de RF en el enlace de la fibra es la imagen reflejada de la señal de RF en la antena. Si se pueden extraer datos de RF del enlace de fibra se puede realizar el análisis de señal e interferencias recurriendo a los datos digitales como se haría con la señal de RF en la antena. Las pruebas sobre las señales de RF en CPRI o OBSAI (RFoCPRI/OBSAI) se pueden llevar a cabo en las direcciones ascendente y descendente. El espectro de la señal se puede visualizar en el comprobador, así como detectar las interferencias o fallos en la señal. Para analizar la señal digitalizada de RF se pueden utilizar dos tipos de comprobadores, dependiendo de la aplicación. Un ingeniero de mantenimiento de RF utilizaría un analizador de espectro y un comprobador de cable de RF para medir las señales eléctricas, mientras que un ingeniero de instalación de redes utilizará un OTDR y un comprobador digital para medir el enlace óptico y la señal digital. En ambos casos, los modernos instrumentos de prueba cuentan con una opción que permite analizar el espectro de la señal de RF óptica digitalizada. Las pruebas de la señal digitalizada de RF se deben realizar cuando el enlace está en funcionamiento, lo cual exige insertar un acoplador óptico en el enlace de la fibra. El TAP se puede colocar en el hotel de BBU para minimizar el número de desplazamientos necesarios para comprobar varias instalaciones.

En las configuraciones de cadena o anillo se pueden analizar varios RRH simultáneamente. En el enlace descendente es posible comprobar el correcto funcionamiento de la BBU, los niveles de CPRI y la adaptación de la señal digital a la capacidad del RRH. No obstante, las pruebas de RFoCPRI/ OBSAI son especialmente útiles en el canal ascendente. Dado que un teléfono móvil tiene una potencia mucho más baja que un RRH, las interferencias afectan mucho más al canal ascendente, que también es más susceptible a las interferencias de intermodulación pasiva (passive intermodulation, PIM). La detección de PIM y la distancia hasta la fuente de PIM se pueden analizar fácilmente en el dominio del tiempo con los datos de IQ de CPRI. La Fig. 4a muestra un espectro real del enlace ascendente mediante el enlace de CPRI, mientras que la Fig. 4b ofrece un espectrograma que permite observar interferencias intermitentes.

El camino a seguir

En el pasado, los operadores de redes marcaban una frontera entre las redes móviles de fronthaul y backhaul. Las soluciones de instalación y mantenimiento también estaban separadas entre clientes con redes de cable e inalámbricas. Debido a que los operadores móviles se esfuerzan por cambiar sus redes para adaptarlas al desafío que representan las redes 5G, desaparecerá la frontera entre redes de cable e inalámbricas. Esto significa a su vez que las personas que trabajen en la instalación y el mantenimiento de la red tendrán que reunir numerosas capacidades en el ámbito óptico, eléctrico e inalámbrico. Los comprobadores y analizadores serán utilizados por el técnico en las instalaciones para dar soporte a todas estas tecnologías. El manejo de estos instrumentos debería ser sencillo para minimizar las dificultades inherentes a estas operaciones con varias tecnologías.

 



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