Fibra óptica en redes 5G

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Extracto del documento técnico “Fibra Óptica en redes 5G” que puede descargar, en versión íntegra, en español, marcando aquí

En el fronthaul, el midhaul y en todas partes: la fibra óptica se generalizará en la infraestructura 5G.

A diferencia de la tecnología LTE, la tecnología 5G abarcará cada uno de los componentes de los nodos de la red y se basará en diversos casos prácticos, desde una banda ancha móvil mejorada hasta una latencia baja extremadamente confiable en la misma red. Una red 5G requerirá la optimización de los recursos de manera que cada caso de práctica se ajuste al acuerdo de nivel de servicio (SLA) correspondiente para la aplicación en cuestión.

El desafío radica en que los recursos de las redes 5G, como los elementos de conexión en red, el hardware, la fibra óptica y la radiofrecuencia, aunque se comparten en un nivel más amplio, ofrecen una red independiente en un nivel granular para cada aplicación específica. Por ejemplo, un usuario en un coche con conexión viendo un vídeo demandará una capacidad mayor y unos niveles superiores de recursos de red y radiofrecuencia, al tiempo que ese mismo coche con conexión necesitará una latencia ultrabaja y una conectividad confiable. Para que esta red de redes funcione con éxito, todos los recursos deben ser flexibles y ágiles para ofrecer diferentes SLA de manera eficaz.

Todos conocemos el valor de los recursos de radiofrecuencia que conectan a todos los usuarios a la estación base o el punto de acceso, pero lo que establece la conexión de este punto de acceso a la nube y el núcleo de la red es tan importante o más para unos servicios 5G óptimos. En la mayoría de los casos, la conexión entre las radios y la nube 5G estará compuesta de fibra óptica.

De hecho, la tecnología 5G es uno de los motivos clave por los que los proveedores de servicios están invirtiendo miles de millones en nuevas implementaciones de fibra óptica y en actualizar la infraestructura de fibra óptica.

Ejemplo de red de acceso convergente de fibra óptica
Fuente: CommScope
Ejemplo de red de acceso convergente de fibra óptica. Fuente: CommScope

El papel de la fibra óptica en la tecnología 5G

Aunque implementar una infraestructura de fibra óptica es costoso, las ventajas en la mayoría de los casos compensan los desafíos que plantea la implementación. La fibra óptica ofrece anchos de banda superiores con menos atenuación, resiste las interferencias electromagnéticas, ofrece una latencia más baja y, con tecnologías de multiplexación mejoradas, puede acomodar un aumento de capacidad en la misma infraestructura de fibra óptica.

Evolución del fronthaul 5G

No hace mucho, la fibra óptica se empleaba solamente en redes de larga distancia, pero el continuo y constante crecimiento de la banda ancha (que no parece tener fin) ha exigido que la fibra óptica se convierta en el principal medio de transmisión, no solo en el núcleo, sino también en las redes metropolitanas y de acceso. De forma similar, los suscriptores de las redes móviles, ávidos de un mayor ancho de banda y unos servicios de capacidad superior, han impulsado la fibra óptica más aún en las redes de acceso por radio (RAN).

A medida que las radios se hicieron más robustas y el tiempo medio de reparación (MTTR) fue mejorando, los proveedores comenzaron a ofrecer soluciones de radio remotas. Las radios se han desplazado más cerca de la antena para evitar las pérdidas significativas que causan los conectores y los cables coaxiales largos. Esta estrategia no solo contribuyó a una mejor huella de radiofrecuencia, sino que también redujo el costo asociado a la refrigeración en el alojamiento del equipo de radio ubicado en la base de la torre o cerca de ella. No obstante, para admitir las unidades de radio remotas (RRU), se introdujeron interfaces nuevas.

Estas conectaban el equipo digital, denominado también unidad de banda base (BBU) a las RRU por medio de un enlace físico de fibra óptica. El nuevo enlace introducido entre la BBU y la RRU se denomina fronthaul, en oposición al backhaul, que conecta las BBU con la red móvil central. La tecnología más común que se emplea para comunicar información de radiofrecuencia a través del fronthaul de fibra óptica es el protocolo de la interfaz de radio pública común (CPRI).

El ancho de banda y las antenas que se requieren en un entorno 5G dispararían los requisitos por encima de los 100 Gbps (ver tabla 1):

Nº de antenas10 MHz20 MHz100 MHz
10,49 Gbps0,98 Gbps4,9 Gbps
20,98 Gbps1,96 Gbps9,8 Gbps
41,96 Gbps3,92 Gbps19,6 Gbps
6431,36 Gbps62,72 Gbps313,6 Gbps

Ancho de banda de la interfaz CPRI como función de los puertos de ancho de banda y antena

eCPRI

Antes de analizar las topologías de backhaul, midhaul y fronthaul de fibra óptica, repasemos la evolución de la interfaz de fronthaul 5G. La tecnología eCPRI se basa en una división funcional del componente de capa física (PHY). La especificación eCPRI recomienda que se emplee la opción dividida I para el enlace ascendente y que se desplieguen las opciones II o I para el enlace descendente, que se asigna a la división 7.x con respecto al estándar 3GPP, como se indica en la figura 4. La interfaz eCPRI se conecta al control de equipo de radio eCPRI (eREC) y al equipo de radio eCPRI (eRE) a través de la red de transporte fronthaul.

El objetivo de la interfaz eCPRI en comparación con la interfaz CPRI es reducir la demanda de velocidad de datos entre el eREC y de eRE por medio de una descomposición funcional, al tiempo que se limita la complejidad del eRE. Además, la interfaz eCPRI se ha diseñado para permitir una transmisión de datos por radio eficaz y flexible a través de una red de transporte fronthaul basada en paquetes como las redes IP o Ethernet.

Tecnologías de fronthaul de fibra óptica

La fibra óptica se convertirá en el medio principal de las redes fronthaul. Si aplicamos el análisis evolutivo anterior sobre el fronthaul y la tecnología 5G, podemos caracterizar los requisitos de una red fronthaul de fibra óptica. Se puede planificar e implementar una serie de tecnologías y topologías de red fronthaul en base a un entendimiento adecuado de los requisitos de una red específica.

Algunas de las diversas soluciones de red fronthaul que se están analizando, planificando e implementando son las siguientes:

  • Fibra oscura
  • WDM pasiva
  • Red WDM-PON
  • Red WDM/OTN
  • Red Ethernet/TSN

Pruebas de las redes fronthaul de fibra óptica

Como ya analizamos anteriormente, la escala de la tecnología 5G será mucho más significativa en comparación con su predecesora, especialmente con la introducción de la onda milimétrica (>24 GHz) y la oferta de servicios 5G en territorios interiores (de 3 GHz a 6 GHz), ya que estas bandas tienen una propagación de radiofrecuencia relativamente deficiente en comparación con las frecuencias de banda baja. Se requerirán más radios y estaciones base por kilómetro cuadrado.

Además, con la tecnología 5G, se emplean anchos de banda mucho mayores para ofrecer gigabits de capacidad, por lo que se depende en mayor medida de redes fronthaul, midhaul y backhaul de fibra óptica mucho más densas; con el consiguiente aumento de densidad y niveles de multiplexación.

Todo esto aumentará la complejidad y la escala de pruebas de fibra óptica, al pasa de enlaces monofibra a enlaces entre interfaces de doce fibras, con el incremento de conectores MPO.

Fibra óptica con diversas longitudes de onda en una sola fibra, que se divide en numerosas λ dirigidas a distintas radios
Fibra óptica con diversas longitudes de onda en una sola fibra, que se divide en numerosas λ dirigidas a distintas radios

Las pruebas para realizar en la fibra óptica incluyen:

  • Comprobación de canales
  • Pruebas con OTDR, para las redes PON durante la creación, instalación y construcción
  • Medición de la potencia óptica durante la activación de la red
  • Monitorización de la fibra óptica
Arquitectura de la solución ONMSI de VIAVI, para la monitorización, la detección y la localización ininterrumpida de fallos, basada en la comparativa de trazas OTDR
Arquitectura de la solución ONMSI de VIAVI, para la monitorización, la detección y la localización ininterrumpida de fallos, basada en la comparativa de trazas OTDR

Conclusión

La infraestructura óptica compatible para redes fronthaul, midhaul y backhaul debe ser flexible y ágil, y adaptarse a los cambios futuros para responder a la elevada demanda de ancho de banda y la densidad de estaciones base significativamente mayor de la tecnología 5G. La topología de la infraestructura de fibra óptica seleccionada debe maximizar el retorno de la inversión desde las implementaciones a corto plazo hasta los modelos de crecimiento de redes a largo plazo. 

Un aspecto fundamental de la implementación de la fibra óptica es el costo de la gestión y el mantenimiento de esta infraestructura. La gestión y el mantenimiento de la fibra óptica será un gasto operativo constante que se debe tener en cuenta en el momento de la implementación. Contar con las soluciones de pruebas adecuadas para el mantenimiento de las redes de fibra óptica será esencial para ofrecer una calidad de servicio excelente con unos gastos operativos reducidos.

VIAVI es el líder del sector en equipos para pruebas de fibra óptica y goza del mejor posicionamiento para ofrecer la solución de pruebas de redes de extremo a extremo más completa. Con una cartera completamente integral de sistemas e instrumentos compatibles con la nube, soluciones de automatización de pruebas basadas en software y servicios para pruebas de red, optimización del rendimiento y garantía de servicios, VIAVI ocupa una posición privilegiada para garantizar a los operadores y sus socios una puesta en marcha sin problemas de sus redes, así como un ciclo de vida sostenible de las mismas.

Smart OTDR y aplicación Smart Link Mapper (Guía de pruebas para redes 5G)
Smart OTDR y aplicación Smart Link Mapper (Guía de pruebas para redes 5G)

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