Ethernet-based C-RAN fronthaul

Abstract

For the last decade mobile data traffic has been increasing at impressive rates. The proliferation of mobile devices together with high-bandwidth services like video and music streaming, social media and other cloud services have increased the load on top of the mobile network infrastructure. In order to support this massive increase in both users and bandwidth the next generation of mobile telecommunications network - 5G - explores new approaches, like the utilization of new frequency bands and the densification of base stations. This kind of requirements along with the inefficiency of the co-location of base band processing near the radio units encourages a rethink of traditional radio access networks. In this scenario emerges the C-RAN paradigm that intend to centralize all the base band processing (BBU) and replace current base stations for simpler, more efficient and compact solutions that only incorporate the radio front-end and respective radio processing (RRH). In addition to these benefits, centralized processing facilitates virtualization and resource sharing, interference management and cooperative processing technologies. This split of functions brings however, some challenges in respect to the data rates, bandwidth and latency in the link that connects BBUs and RRHs - the fronthaul. Today’s existing standards like CPRI weren’t originally designed for such applications and present some intrinsic bandwidth and flexibility limitations. It’s considered that another approach, based on packet switching, could mitigate some of these problems in addition to bring some advantages such as statistical multiplexing, flexible routing and compatibility with current widespread packet switching networks. They do however, present a number of challenges regarding latency and synchronization. This dissertation work focuses on the study and development of a fronthaul solution based in 10 Gigabit Ethernet over optical fiber. Development is done on top of two development kits based in Field Programmable Gate Array (FPGA) and implemented in an already operational C-RAN test-bed - currently with CPRI based fronthaul - at the Instituto de Telecomunicações - Aveiro.

Durante a última década o tráfego de dados móveis tem aumentado a um ritmo impressionante. A proliferação de dispositivos móveis juntamente com serviços consumidores de grande largura de banda como streaming de vídeo e música, redes sociais e serviços na cloud têm colocado grande pressão na infraestrutura da rede móvel. Para suportar este aumento massivo de utilizadores e largura de banda a próxima geração de telecomunicações móveis – o 5G – explora novos conceitos, entre eles a utilização de bandas de frequências mais elevadas e a massificação das estações base. A este tipo de requisitos junta-se o facto da ineficiência da co-localização do processamento junto da unidade de rádio que incentiva a uma restruturação da arquitectura tradicional das redes móveis. Neste cenário surge o paradigma C-RAN, que pretende centralizar todo o processamento em banda base (BBU) e substituir as base stations atuais por soluções mais simples, eficientes e compactas que englobam apenas o processamento da parte de rádio e respetivo front-end de rádio frequência (RRH). Para além destes beneficios, a centralização do processamento facilita a virtualização e partilha de recursos, a gestão da interferência e tecnologias de processamento cooperativo. Esta divisão de funções traz no entanto alguns desafios no que diz respeito a largura de banda, taxas de dados e latências na interligação entre BBUs e RRHs – o fronthaul. Standards atualmente utilizados no link de fronthaul como o CPRI não foram originalmente desenhados para aplicações desta dimensão e apresentam algumas limitações, sendo intrinsecamente pouco flexíveis e eficientes. Acredita-se que outro tipo de abordagem, baseada em comutação de pacotes, poderia mitigar alguns destes problemas para além de trazer vantagens como a multiplexagem estatística, routing flexível e compatibilidade com redes de comutação de pacotes actuais. Apresentam no entanto vários desafios a nível de latência e sincronização associados. Este trabalho de dissertação foca-se então no estudo e desenvolvimento de uma solução para o fronthaul baseada em 10 Gigabit Ethernet sobre fibra ótica. O desenvolvimento será feito em dois kits de desenvolvimento baseados em Field Programmable Gate Array (FPGA) e implementado num demonstrador C-RAN já operacional - com fronthaul atualmente baseado em CPRI - no Instituto de Telecomunicações de Aveiro.