Desafios do C-RAN

O C-RAN foi pensado não só para colmatar os problemas da infraestrutura da atual RAN, mas também para melhorar a eficiência espetral e a eficiência energética. Algumas caraterísticas, como a centralização, são relativamente fáceis de realizar enquanto que outras requerem um desenvolvimento a longo prazo. Nesta secção, faz-se uma análise dos principais desafios da implementação e da realização de uma arquitetura C-RAN e apresentam-se algumas soluções alternativas.

2.2.2.1 Infraestrutura do Fronthaul

Um dos maiores desafios na realização de uma estrutura de rede de acesso C-RAN reside no fronthaul, isto é, no segmento de ligação entre a BBU pool e as unidades de rádio remotas. Como interface de transporte existem dois protocolos: o CPRI e o OBSAI. Em ambos o sinal rádio é digitalizado (D-RoF). Contudo, este segmento tem que cumprir com determinados requisitos como baixa latência, jitter reduzido e elevadas larguras de banda para acomodar sinal em banda base como foi referido na subsecção 2.2.1.1.

A implementação do fronthaul baseia-se no uso de uma rede de fibra ótica ou, como alternativa, no uso de ligações micro-ondas. Como a fibra é a solução mais proeminente para este segmento, o operador da rede tem que ter em conta a sua disponibilidade e a escolha de uma topologia de transporte adequada. Na figura 2.8 estão presentes três tipos de topologias possíveis para o fronthaul baseadas em fibra ótica.

BB Star BB WDM WDM WDM WDM Ring WDM _OTN OTN BB

Figura 2.8: Diferentes topologias para a rede de transporte ótica no C-RAN (retirado de [Lig14]).

A topologia em estrela, ou Star, utiliza a rede dark fiber (rede de fibra ótica instalada que não se encontra em uso) para ligações ponto a ponto entre as RRHs e a BBU pool. Esta configuração pode ser implementada de forma rápida e com custos reduzidos, porque não é necessário nenhum equipamento de rede de transporte ótico adicional. Por outro lado, esta solução consome uma parte significativa dos recursos de fibra e portanto a extensão da rede torna-se um desafio. Contudo, requer equipamento auxiliar para O&M e proteção contra falhas. As capacidades de O&M podem ser introduzidas no CPRI.

Em áreas onde os recursos de fibra ótica são limitados, é adequado o fronthaul base- ado num Ring. Esta solução assenta na técnica Wavelength-Division Multiplexing (WDM), o que implica um uso reduzido de recursos de fibra e multiplexadores passivos. As técnicas Coarse Wavelength-Division Multiplexing (CWDM) e Dense Wavelength-Division Multiple- xing (DWDM) permitem a partilha da fibra por diferentes RRHs. O CWDM possibilita a transmissão até 16 canais de comprimento de onda com a capacidade de 2.5, 4 ou 10 Gbit/s

por canal, com um alcance não superior a 100 Km. O DWDM oferece maior alcance (1500 Km) e baseia-se na transmissão até 80 canais na banda C (conventional band). Consequen- temente, são impostos limites de largura de banda no dimensionamento de unidades de rádio remotas em cascata, a inexistência de O&M pode levar a um aumento dos custos.

Outra abordagem é a solução baseada em Optical Transport Network (OTN) para o trans- porte de CPRI ou OBSAI. Esta infraestrutura possibilita O&M nativa, capacidade de correção de erros e suporte para multiplexagem no domínio do tempo e por comprimento de onda. Con- sequentemente, permite o transporte de sinais como o CPRI em ambientes ruidosos ou a longas distâncias e a maximização da utilização da largura de banda da rede de fibra. Contudo, esta solução apresenta alguns obstáculos como o limite no erro de frequência introduzido no mape- amento/desmapeamento do CPRI/OBSAI na OTN e o atraso imposto pelos elementos ativos da rede [Lig14] [Chi13].

Uma solução alternativa às mencionadas nos parágrafos anteriores, para cenários onde não é possível instalar fibra, passa por instalar ligações por micro-ondas. Estas oferecem uma implementação mais simples, contudo, a capacidade está limitada. A tecnologia atual nas bandas dos 2 aos 38 GHz permite capacidades até 800 Mbit/s e alcances entre os 50 e os 100 Km. Para situações onde a distância entre a BBU e a RRH é reduzida, as millimeter waves, na banda dos 71 aos 86 GHz (E-band), oferecem uma capacidade até 2.5 Gbit/s [Tel14].

Uma forma de minimizar os requisitos de sincronização e de largura de banda passa por deslocar a camada L1 da BBU para a RRH, obtendo-se uma implementação semelhante à partially centralized. A fim de cumprir os requisitos de latência impostos pelos standards 3G e 4G, protocolos como o CPRI impõe limites de atrasos, que incluem a propagação do sinal no canal de transmissão (fibra, micro-ondas), do alcance máximo da rede, como também do processamento digital do sinal que ocorre nas camadas L1 e L2. Por exemplo, no caso do LTE, a máxima latência é imposta pelo mecanismo de retransmissão Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ).

Por último, é importante mencionar as técnicas de compressão de dados de utilizador (amostras I/Q) como estratégia para reduzir a largura de banda dos sinais a transmitir na fibra. Existem vários tipos de compressão, desde a redução do ritmo de amostragem até à frequência de Nyquist ou quantização não linear. A especificação 6 do CPRI define uma line rate máxima de 10 Gbit/s, contudo, já não é suficiente num cenário onde se usa LTE com 20 MHz de largura de banda para três setores com 4 antenas onde são necessários 14.7 Gbit/s. Assim, métodos de compressão no domínio do tempo e da frequência estudam a redundância do sinal nestas duas componentes e apontam para uma compressão de 3x a 5x [Nie13]. Porém, estes métodos de compressão acrescentam complexidade aos módulos e latência devido à necessidade de processamento adicional.

2.2.2.2 Rádio Cooperativo

Como referido na subsecção 2.2.1.2, o C-RAN pode facilitar a implementação de méto- dos de cooperação como o CoMP, devido à sua estrutura centralizada. Contudo, o CoMP, baseando-se em algoritmos de joint processing e joint scheduling, necessita, para se tornar eficiente, que os dados de utilizador estejam disponíveis entre as várias Base Stations (BSs) virtuais. Consequentemente, de modo a assegurar a cooperação em tempo real, a interface entre elas deve assegurar uma elevada largura de banda e latência reduzida. A informação partilhada pela interface inclui informações de scheduling e as caraterísticas dos canais de downlink e uplink [Chi13].