Test CPRI avec le Network Master d’Anritsu

Comment tester les réseaux Fronthaul de téléphonie mobile d’aujourd’hui






 

  • Le réseau fronthaul mobile évolue vers de nouvelles technologies, au sein duquel la fibre optique se révèle le meilleur choix pour le réseau d’accès radio centralisé, la transmission radio (par ondes millimétriques) étant une alternative valable quand l’installation de la fibre n’est pas aisée.
  • La spécification CPRI (Common Public Radio Interface) sert d’interface pour les stations de base radio, entre le REC (Radio Equipement Control)  et l’équipement radio, à supposer que le réseau de fronthaul soit robuste, fiable et efficace.
  • Avec 80 % de problèmes lors de la mise en route du CPRI engendrés par des défauts de la couche 1, il est recommandé que l’inspection et la vérification soient menées à bien lors du processus de construction du réseau, afin de s’assurer de sa bonne installation et de son bon fonctionnement avant de connecter et mettre en service la BBU (Base Band Unit).
  • Un outil de test tel que le Network Master d’Anritsu, qui intègre des capacités à la fois pour la couche physique et le fonctionnement CPRI, se révèle approprié pour la construction, la mise en service et la résolution des problèmes des systèmes C-RAN  (Centralised Radio Acces Network).
  • Andy Cole d’Anritsu en expose dans cet article les raisons. 

 

Les réseaux de téléphonie mobile étant d’ores et déjà surchargés en termes de capacités requises, tandis que les attentes du public se font plus pressantes en termes de médias disponibles et du nombre d’appareils à connecter simultanément, les besoins en capacité vont encore augmenter. Tandis que les schémas de modulation peuvent servir à maximiser l’utilisation efficace de la bande passante disponible, le besoin en infrastructures réseaux est tout de même nécessaire pour supporter la capacité requise. L’utilisation massive de l’Internet des objets (IoT, Internet of Things), réseau grâce auquel les appareils domestiques se connectent tous les jours à l’Internet, ne fait qu’accentuer le problème.

Dans un réseau de téléphonie mobile, la station de base (BTS, pour Base Tranceiver Station), ou l’unité de bande de base (BBU, pour Base Band Unit), comme on l’appelle désormais, sert d’interface entre le réseau filaire mondial et le réseau d’accès sans fil. Son rôle est de convertir les données multimédia en trafic de données mobile afin qu’elles puissent être transmises à distance via l’interface, sous forme de signal RF, et inversement du mobile vers les données multimédia.

Le terme de «  backhaul » en téléphonie mobile désigne la connexion entre la BTS/BBU et le réseau filaire, supportée par des technologies à base de fibre optique, comme SDH/Sonet, Ethernet Synchro et OTN, pour lesquelles la bande passante et la synchronisation peuvent être garanties.

« Fronthaul » est aussi le terme utilisé pour désigner le processus d’envoi du trafic de données RF sous forme de signal numérisé entre la BTS/BBU et l’équipement radio via une transmission « aérienne » (à distance), vers et depuis l’appareil mobile. La technologie Fronthaul évolue pour répondre à un besoin en bande passante en constante augmentation, ainsi qu’en communications efficaces et robustes, tout en réduisant dans le même temps la consommation (l’un des facteurs de coût principal sur les installations mobiles).

Sur les réseaux fronthaul mobiles anciens, qui reposent sur une transmission via des câbles coaxiaux entre une station de base et une antenne passive, les bandes passantes peuvent s’avérer extrêmement limitées. La station de base doit être proche de l’équipement radio (en général, à la base de l’antenne), ce qui signifie que le contrôle de la puissance et de l’environnement doivent être fournis sur chaque site cellulaire, pour chacun d’entre eux.

La figure 1 montre comment les câbles coaxiaux et de puissance relient la station de base à l’amplificateur d’une tête de mât, qui est ensuite connecté à une antenne passive. Les pertes induites sur le câble coaxial limitant sa longueur, des niveaux de puissance élevés doivent être transmis entre la station de base et l’amplificateur de la tête de mât pour éviter la dégradation du signal.

Figure 1 : La station de base est reliée à l’amplificateur d’une tête de mât via un câble coaxial et de puissance, qui est ensuite connecté à une antenne passive

 

Nouveaux services

Les opérateurs de téléphonie mobile doivent répondre à l’explosion des besoins pour offrir la capacité et la couverture nécessaires pour supporter le nombre croissant d’appareils qui communiquent sur leurs réseaux. Certains services, comme eCall (une fonctionnalité qui sera bientôt imposées à tous les constructeurs automobiles, qui permet à un véhicule de détecter les accidents du trafic et d’alerter automatiquement les services d’urgence compétents), auront besoin d’une couverture et d’une disponibilité du réseau garanti.

Cette exigence n’est possible à satisfaire qu’en réduisant la taille des cellules et en utilisant des schémas de modulation complexes pour maximiser l’efficacité de la bande passante disponible. Heureusement, la technologie évolue, que ce soit dans les techniques de communication utilisées entre l’antenne et l’appareil mobile, ou dans le domaine du fronthaul, où ces améliorations doivent être prises en compte au même titre que les considérations financières et environnementales.

Ce processus d’évolution implique deux phases, basées sur l’utilisation de la fibre, vecteur de transmission beaucoup plus efficace que les coûteux et problématiques câbles coaxiaux, pour une transmission de données d’excellente qualité, n’induisant que peu de pertes :

  • Premièrement, l’utilisation de la fibre entre la station de base et la tête radio distante (RHH, pour Remote Radio Head), suivie par une liaison vers une antenne passive réalisée au moyen d’une courte longueur de câble coaxial.
  • Deuxièmement, une solution plus récente impliquant la fibre et la puissance directement reliés à l’équipement radio intégrant une antenne active, éliminant totalement l’utilisation de tout câble coaxial.

 

 

Correctement installée, la fibre optique permet une connectivité fiable et robuste induisant moins de pertes sur des distances bien plus longues que les installions à base de câbles coaxiaux, de sorte que la station de base n’a pas besoin d’être placée à proximité de l’équipement radio. Une unité de bande de base (BBU) peut être placée assez loin (à environ 40 km) de l’équipement radio, de sorte que les différentes BBU peuvent être regroupées sur un même site central. La puissance peut ainsi être utilisée bien plus efficacement car moins de sites sont concernés. Le réseau est également bien plus facile à maintenir car la gestion et les tests de fonctions peuvent être effectués depuis le site central. Ce nouveau réseau est appelé C-RAN, pour Centralised Radio Acces Network.

La transmission à distance radio offre un moyen de communication directe. Certains problèmes peuvent être induits par l’environnement extérieur, où la topographie ou les bâtiments peuvent bloquer le chemin de transmission, ou à l’intérieur des bâtiments, où les parois et autres infrastructures peuvent également gêner la transmission. Avec l’avènement des réseaux 4G et 5G (actuellement en discussion), pour lesquels de gigantesques réseaux d’antennes compatibles avec la technologie, comme MIMO (multiple-input/multiple-output) pourraient être utilisés, ces réseaux de fronthaul deviendront vastes et encore plus compliqués.

On admet généralement que la meilleure méthode pour résoudre ces problèmes consiste à utiliser la fibre optique dans l’installation, mais là où il n’est pas aisé de déployer la fibre, la transmission radio en ondes millimétriques sur de courtes distances peut s’avérer la bonne solution.

 

L’interface standard CPRI

Il faut concevoir une méthode pour envoyer le trafic de données mobile sur le réseau d’accès radio, quelle que soit sa complexité, tout en maintenant l’intégrité du signal, qui dépendant grandement du timing (synchronisation).

La spécification CPRI (Common Public Radio Interface) décrit un effort coopératif du secteur visant à définir une spécification publiquement disponible pour l’interface principale interne des stations de base entre le REC ( Radio Equipement Control) et l’équipement radio en lui-même. Le trafic des données mobile est transporté en modulation I/Q dans un « User Plan » (plan utilisateur), comme on peut le voir sur le schéma de la figure 2. Outre le plan utilisateur, l’interface CPRI intègre un plan de contrôle et de gestion (« Control & Management Plane ») mais surtout, la synchronisation (Sync).

 

Figure 2 – Schéma d’illustration des couches de l’interface du standard CPRI

 

L’interface possède deux couches principales :

  • La couche 1 (Layer 1) est la couche physique et couvre la transmission électrique comme la transmission optique à l’aide d’un multiplexage temporel (TDM).
  • La couche 2 (Layer 2) supporte le protocole dans la bande de la couche 1, où les alarmes et erreurs peuvent être analysées pour aider à résoudre les problèmes du réseau. Le protocole HDLC (High-Level Data-Link Control) fournit les protocoles de transmission des données entre les points du réseau. Le trafic de données mobile est transporté sous forme de données I/Q ; les informations spécifiques au fournisseur permettent une gestion et un contrôle plus poussés, la redondance, etc.

Le standard CPRI étant compatible avec différents types de topologies de réseau, il offre une certaine flexibilité en termes de conception de réseaux.

 

Fiabilité de réseau

Un réseau de fibre optique fournira un service fiable pendant de nombreuses années s’il est correctement installé et protégé. Chaque terminaison optique de la fibre doit être préparée, reliée par épissure ou connectée, en suivant les meilleures pratiques de l’industrie. Si des connecteurs sont utilisés, les embouts optiques doivent être nettoyés. La moindre poussière ou rayure peut causer des défaillances gravissimes sur l’instant ou plus tard dans la communication des données. Le temps passé à corriger ces petits détails lors de l’installation portera ses fruits sur le long terme, puisque les coûts des pannes réseau, en termes de résolution des problèmes, de pertes de revenus tant que le problème n’est pas résolu ainsi que de pénalités potentielles dues à la perte du service, s’accumuleront petit à petit.

Une fois le réseau achevé, il est capital de tester l’intégrité et la continuité de l’installation. Une attention particulière doit être portée, lors de l’installation de la fibre optique, afin de s’assurer que les connexions sont correctement réalisées et que l’installation ne comporte aucune courbure importante ni autre événement indésirable. Les appareils de test comme le testeur de réseau Network Master d’Anritsu (voir figure 3) intègre une application FTTA (Fibre to the Antenna) conçue à cette fin (fig.4), permettant aux pannes individuelles d’être identifiées et rapidement réglées.

Figure 3 – L’équipement de test Network Master d’Anritsu

 

Figue 4 – L’application Viisualizer identifie les pannes et aide à résoudre plus rapidement les problèmes

 

Le test de mise en route du Network Master permet à l’installation C-RAN d’être entièrement vérifiée avec d’être connectée à la BBU (unité en bande de base). La spécification CPRI définit une suite d’actions commune à réaliser par deux appareils connectés via une liaison CPRI. En fonctionnement normal, la liaison CPRI est toujours active et les deux appareils connectés doivent être soit en fonctionnement, soit en mode veille. Le Network Master, qui joue tour à tour le rôle de contrôle d’équipement radio (REC) et celui de l’équipement radio lui-même, passe l’appareil sous test de l’état de liaison passive à celui de l’état de fonctionnement, et teste la liaison en conséquence.

La figure 5 montre plusieurs configurations de réseau fronthaul mobile dans lesquelles l’équipement de test peut être utilisé.

Scénario de test 1 : Vérification de la liaison physique entre le REC et le RE avant la connexion de tout équipement

 

Scénario de test 2 : Vérification de l’équipement réseau (REC et RE) pendant l’installation ou la résolution des problèmes réseau

 

Scénario de test 3 : La connexion du testeur en ligne ou via des points de tests permet de surveiller le comportement du réseau, ce qui se révèle particulièrement utile pour la mise en service du réseau avant la mise en route officielle, ou pour résoudre les problèmes du réseau.
L’équipement de test est utilisé pour confirmer et vérifier que la RRH/RE est mise en route correctement, que les fibres sont connectées correctement, des bonnes longueurs d’onde et des débits de modules SFP/SFP+ …. Il est également utilisé conjointement à une sonde microscope pour tester les conditions et la propreté des connecteurs optiques.

Il est également important de vérifier que la liaison n’affiche par de pertes excessives entre la RRH/RE et la BBU/REC, et que la RRH/RE peut se connecter aux couches de communication plus basses, y compris aux canaux C&M.