Quelles sont les technologies Backhaul?

Les technologies backhaul forment la couche de transport qui relie le réseau d'accès radio distribué (RAN) au réseau central. Dans une architecture de réseau 3G typique, les stations de base (Node Bs) gèrent les communications radio avec des appareils mobiles, mais elles ne sont pas directement connectées au reste du réseau cellulaire. La connexion backhaul transporte toutes les données du plan utilisateur (appels de voix, trafic Internet, messagerie) et la signalisation du plan de commande entre le Node Bs et le Contrôleur du réseau radio (RNC) ou directement au cœur via une architecture plate (comme dans les versions 3GPP ultérieures).

Pour les réseaux 3G, le rétro-haul doit gérer à la fois la voix commutée (téléphonie traditionnelle) et les données commutées par paquets (accès Internet, multimédia), ce qui a entraîné l'adoption de technologies qui pourraient transporter efficacement les deux types de trafic, souvent en utilisant le mode de transfert asynchrone (ATM) au départ, puis en passant par Ethernet et le transport IP.

Il est important de distinguer backhaul des autres segments : fronthaul relie l'unité de bande de base (BBU) à la tête radio distante (RRH) dans les architectures RAN centralisées, et midhaul existe dans les architectures scindées en 5G. En 3G, le backhaul est le lien d'agrégation du site Node B au cœur, s'étendant généralement sur des dizaines de kilomètres.

Évolution de Backhaul de 2G à 3G

De TDM à l'arrière-courrier commuté en paquets

Dans les réseaux 2G (GSM), backhaul comptait presque exclusivement sur le multiplexage par division du temps (TDM) en utilisant des lignes louées E1 (2.048 Mbps) ou T1 (1.544 Mbps). Chaque circuit vocal était doté d'un canal fixe de 64 kbps, efficace pour la voix commutée par circuit mais extrêmement gaspillé pour le trafic de données en rupture.

La transition vers le retour de paquets a commencé par l'adoption de la MTA sur E1/T1, qui permettait à plusieurs circuits virtuels de partager la même ligne physique avec la différenciation QoS. Plus tard, Ethernet sur cuivre ou fibre est devenu le transport préféré, fournissant une bande passante plus élevée et un coût par bit plus faible. Cette évolution est documentée dans des organismes de normalisation tels que les 3GPP, qui ont spécifié les interfaces IuPS (commutées par paquets) et IuCS (commutées par circuits) qui pourraient être transportées sur IP ou ATM.

Principaux jalons de la 3G Backhaul

  • 2002-2005: Les déploiements 3G ont utilisé des rétrocaveuses de GAB sur les lignes E1 louées.
  • 2006–2010: Lorsque HSPA (High-Speed Packet Access) a lancé, un rétro-haul Ethernet sur fibre ou micro-ondes a émergé, supportant jusqu'à 100 Mbps par site cellulaire.
  • 2011 en amont: De nombreux opérateurs ont fait des rétro-haul IP/MPLS et ont migré le trafic de guichet automatique existant sur les réseaux tout-paquet, se préparant pour le LTE.

Cette évolution a été entraînée non seulement par la vitesse mais aussi par le coût opérationnel. Les circuits TDM loués étaient coûteux, tandis que les liaisons Ethernet et fibre optique offraient un coût beaucoup plus élevé par mégabit.

Types de technologies Backhaul dans les réseaux 3G

Liens micro-ondes

Microwave backhaul utilise des fréquences radio point à point (habituellement de 6 à 38 GHz) pour transmettre des données entre les antennes montées par tour et les centres d'agrégation. Il reste l'une des solutions de backhaul les plus répandues pour 3G en raison de son déploiement rapide et de son coût moindre dans des zones sans infrastructure de fibres. Les liaisons micro-ondes modernes atteignent des capacités de plusieurs centaines de Mbps, suffisantes pour les multiples transporteurs 3G et le trafic vocal.

Câbles en fibre optique

Fibre offre la plus grande capacité, la latence la plus basse et la plus grande fiabilité pour les backhaul 3G. La fibre monomode peut transporter plusieurs secteurs 3G en utilisant des protocoles Ethernet ou SONET/SDH, supportant jusqu'à 10 Gbps par longueur d'onde. Fibre est idéal pour les zones urbaines denses où la demande de données est élevée et où les opérateurs peuvent tirer parti des anneaux de fibre de métro existants.

Lignes de cuivre (E1/T1, LIS, Cuivre cautionné)

Le cuivre reste commun dans les déploiements 3G existants, particulièrement dans les régions où la fibre ou le micro-ondes n'est pas faisable. Plusieurs lignes E1 liées (p. ex. 8xE1 pour 16 Mbps) pourraient supporter un site 3G avec un trafic modéré. Des variantes de ligne d'abonné numérique (DSL), comme SHDSL (Symmetric High-bitrate DSL), ont également été utilisées pour livrer jusqu'à 5-10 Mbps sur le cuivre à paires torsadées existant.

Couloir de secours par satellite

Dans les terrains éloignés ou difficiles (zones montagneuses, îles, plateformes offshore), les liaisons par satellite fournissent des liaisons de secours pour 3G. Les satellites géostationnaires introduisent une latence élevée (environ 600 ms de parcours aller-retour), ce qui dégrade la qualité de la voix et empêche l'utilisation efficace d'applications sensibles aux retards.

Solutions hybrides et nouvelles

De nombreux opérateurs déploient un mélange de technologies de rétro-haul. Par exemple, un site peut utiliser de la fibre dans un hub voisin, puis un micro-ondes dans des tours plus éloignées. De plus, -auto-backhaul , utilisant la même technologie radio (p. ex. point à multipoint), a été expérimentée mais jamais largement déployée en 3G.

Principales mesures de performance pour les backhaul 3G

La conception et l'exploitation d'un réseau de liaisons de secours 3G nécessitent la réalisation de cibles de performance spécifiques pour garantir une expérience utilisateur de qualité.

  • Capacité (Troughput):[ Chaque transporteur 3G (WCDMA 5 MHz) supporte généralement jusqu'à 14,4 Mbps liaison descendante (HSDPA) et 5,76 Mbps liaison ascendante (HSUPA) dans des conditions idéales. Un site de trois secteurs avec des transporteurs multiples peut avoir besoin de 50 à 150 Mbps capacité de rétrocavaison pour éviter la congestion pendant les heures de pointe.
  • Latence: La latence unidirectionnelle entre le nœud B et le RNC devrait être inférieure à 10-20 ms pour une qualité de voix acceptable (diligement bouche-oreille inférieur à 150 ms).
  • Jitter: La variation du délai de paquets doit être contrôlée, surtout pour les voix sur IP (VoIP) qui sont sensibles au temps dans les versions 3G ultérieures. Les tampons Jitter augmentent la latence, de sorte qu'un contrôle serré est nécessaire.
  • Perte de paquets: Les paquets IP qui transportent la voix ou la signalisation ne doivent pas dépasser 0,1% de perte pour éviter les gouttes d'appel et les retransmissions de données.
  • Synchronisation: Les stations de base 3G nécessitent une synchronisation précise de la fréquence et du temps (généralement ±50 ppb pour WCDMA) pour éviter les interférences entre les cellules et assurer le succès de la transmission.

Ces mesures sont interdépendantes; par exemple, une faible latence nécessite souvent des fibres ou des micro-ondes courts, tandis que la haute capacité exige un spectre suffisant ou une largeur de bande de fibres.

Importance de Backhaul dans la performance 3G

L'utilisation efficace de backhaul détermine directement l'expérience utilisateur sur un réseau 3G. Bien que l'interface radio (lien aérien) reçoive généralement le plus d'attention, un backhaul mal fourni peut ruiner les performances à lui seul. Le backhaul doit correspondre ou dépasser la capacité radio; autrement, le site cellulaire devient -backhaul-limité, - ce qui signifie que les canaux radio peuvent être sous-utilisés.

Qualité et fiabilité de la voix

Si le rétrocavaud introduit un retard ou une perte de paquets, les utilisateurs mobiles connaissent un signal audio, des appels supprimés ou un écho excessif. En 3G, la voix est prioritaire sur les données via les mécanismes QoS (p. ex., marquage DiffServ, ATM CBR/UBR). Le réseau rétrocavaud doit préserver ces priorités de bout en bout.

Production et latence des données

Pour les services de données comme la navigation sur le Web, le courrier électronique et le streaming, la capacité de backhauls doit être plus grande que celle des utilisateurs. Une cellule HSPA+ unique peut théoriquement fournir 42 Mbps (dual-carrier). Si le backhaul offre seulement 10 Mbps, les utilisateurs vont connaître des téléchargements lents, en particulier pendant l'utilisation maximale.

Transfert et mobilité

Les réseaux 3G comptent sur le transfert souple (et le transfert plus doux) pour maintenir la continuité des appels lorsque les utilisateurs se déplacent entre les cellules. Le rétro-haul doit transporter la signalisation et les flux de données entre plusieurs nœuds B et le RNC avec un délai minimal.

Planification des capacités et évolutivité

Avec l'arrivée des smartphones (iPhone lancé en 2007), la consommation de données 3G a été un goulot d'étranglement fréquent. Les opérateurs ont dû passer de la liaison E1 à Ethernet ou à micro-ondes pour maintenir le rythme. La capacité d'écheller la capacité de backhaul de manière rentable a été un défi opérationnel majeur tout au long de l'ère 3G.

Pour de plus amples informations sur l'impact de la qualité des services de retour sur les performances du réseau, le UIT‐T a publié des recommandations sur les exigences de transport de retour pour IMT‐2000.

Défis et tendances futures

Défis de retour pendant l'ère 3G

  • Coût des lignes louées:[ De nombreux opérateurs ont payé des frais élevés récurrents aux fournisseurs de télécommunications titulaires pour les circuits TDM. Cela a stimulé l'investissement dans les micro-ondes et les fibres autodéployés pour réduire les dépenses opérationnelles.
  • Disponibilité du spectre pour les micro-ondes:[ L'octroi de licences aux fréquences des micro-ondes nécessite une coordination réglementaire, et l'interférence d'autres opérateurs ou des facteurs environnementaux pourrait dégrader la qualité des liaisons.
  • Les barrières géographiques:[ Déployer de la fibre vers des tours éloignées ou sur un terrain accidenté était prohibitif.
  • Synchronisation réseau:[ Le maintien d'une synchronisation précise sur les réseaux de paquets (au lieu de TDM) a exigé de nouvelles technologies comme IEEE 1588v2, ce qui a ajouté de la complexité.
  • QoS Management:[ Le mélange de la voix commutée, de la vidéo en temps réel et des données de meilleur effort sur un seul lien de retour a nécessité des mécanismes de file d'attente et de police sophistiqués.

Tendances et évolution vers les 4G et 5G

Bien que les réseaux 3G soient en train de s'éteindre dans de nombreuses régions, les leçons tirées des défis de backhaul ont façonné la conception des réseaux mobiles modernes.

  • All-Fibre Backbone:[ Le déploiement de la fibre s'est accéléré de façon spectaculaire. D'ici 2020, de nombreux opérateurs ont visé plus de 90% de pénétration de fibres dans les back-hauls urbains, réservant un micro-ondes pour la connectivité rurale et d'urgence.
  • Petite cellule Backhaul: L'explosion de petites cellules (femtocellules, picocells) a créé de nouvelles demandes de liaisons de backhaul à faible coût et à faible capacité qui pourraient être déployées sur les meubles de rue.
  • Cloud RAN et virtualisation: Les architectures RAN centralisées (C‐RAN) ont séparé les unités de bande de base des têtes radio distantes, changeant les exigences de rétro-haul. Bien que C‐RAN ait été initialement proposé pour LTE, ses racines remontent à des efforts d'optimisation 3G.
  • Auto-Backhaul: 5G introduit l'accès intégré et l'arrière-cour (IAB), permettant aux stations de base d'utiliser le même spectre pour l'accès et l'arrière-cour. Ce concept est une évolution naturelle des technologies de relais sans fil utilisées en 3G pour étendre la couverture sans fibre coûteuse.
  • Stallation réseau:[ En 5G, backhaul est censé supporter plusieurs tranches de réseau avec différentes garanties de performance. Les mécanismes QoS raffinés en backhaul 3G (p. ex., la planification par file) ont jeté les bases de cette capacité.

Considérations relatives à la sécurité et à la fiabilité

Dans les rétrocavaux 3G, le chiffrement n'était pas obligatoire pour le trafic des utilisateurs (il était généralement chiffré par voie aérienne seulement), mais la signalisation des données nécessitait une protection de l'intégrité. Les opérateurs ont mis en place des tunnels sécurisés (IPSec) pour les IP-backhaul et la sécurité physique des tours.

La fiabilité est obtenue par redondance : des voies de fibres diverses, le double homénage des nœuds B à deux RNC et la protection automatique des liaisons (p. ex. 1+1 micro-ondes en veille chaude). Les temps d'arrêt d'un lien de rétrocavité peuvent entraîner la déconnection d'un site cellulaire entier, affectant des centaines d'utilisateurs.

Scénarios de déploiement et études de cas

Déploiement urbain dense

Dans une ville densément peuplée, un réseau 3G peut avoir 50 à 100 nœuds B par kilomètre carré. Chaque site nécessite une capacité élevée pour servir des milliers d'utilisateurs simultanés. Ici, la fibre backhaul était la seule solution viable; les opérateurs ont construit des anneaux de fibres dédiés ou loué des fibres sombres. Par exemple, à Manhattan, de nombreux sites cellulaires se connectent par fibre aux nœuds d'agrégation avec 10 Gbps liens ascendants.

Déploiements suburbains et ruraux

Une tour de banlieue typique en 2009 aurait pu utiliser une seule ligne de liaison 16-E1 ou une liaison micro-ondes de 100 Mbps. À mesure que l'utilisation des données 3G augmentait, les opérateurs se sont mis à la hausse pour devenir des micro-ondes de plus en plus puissants (p. ex. 256 QAM, modulation adaptative) afin d'éviter les tranchées coûteuses en fibres.

Greenfield 3G dans les marchés émergents

Dans des régions comme l'Afrique subsaharienne, la 3G a souvent été construite en utilisant une architecture de base distribuée avec rétro-haul à micro-ondes dès le départ. La flexibilité du micro-ondes a permis une expansion rapide de la couverture sans attendre de fibres. Des opérateurs comme MTN et Safaricom ont modifié les normes ETSI pour optimiser l'efficacité du rétro-haul sur une bande passante limitée (p. ex., 2–3 MHz canaux).

Coûts et considérations opérationnelles

Le coût total de la propriété (TCO) pour les liaisons de secours comprend les dépenses en capital (équipement, installation) et les dépenses opérationnelles (location de site, alimentation électrique, circuits de secours).

  • Fiture abandonnée vs. Owned Backhaul: Les lignes louées offraient des coûts mensuels rapides mais élevés. La fibre auto-construite avait un CAPEX élevé mais des coûts permanents plus faibles. La plupart des opérateurs utilisaient un modèle hybride, possédant de la fibre pour les principaux centres et louant du cuivre de dernier kilomètre au besoin.
  • Consommation d'énergie:[ Les radios à micro-ondes et les émetteurs-récepteurs à fibres consomment de l'énergie; dans les sites éloignés avec une puissance de réseau limitée, un équipement de rétrocavité efficace réduit les besoins en batterie et en générateur.
  • Maintien:[ Les liaisons micro-ondes nécessitent un alignement périodique et un boîtier résistant aux intempéries.

Conclusion: L'importance continue de Backhaul

Les technologies backhaul étaient les moteurs inexplorés du trafic réseau 3G. Sans une infrastructure de backhaul robuste, évolutive et rentable, l'explosion des données mobiles et la montée du smartphone auraient été impossibles. Les défis auxquels nous sommes confrontés – l'échelle des capacités, la gestion des latences, la synchronisation et le contrôle des coûts – ont joué un rôle déterminant dans la mise au point des stratégies backhaul utilisées aujourd'hui dans les réseaux 4G et 5G.

Le déploiement des fibres accélère, la technologie des micro-ondes progresse (par exemple, spectre sous-6 GHz, modulation plus élevée) et de nouvelles architectures comme l'accès intégré et les backhaul réduisent le besoin de liaisons dédiées. Pour les anciens réseaux 3G qui servent encore des millions d'utilisateurs à l'échelle mondiale, le maintien de la qualité des backhaul est essentiel pour fournir une voix fiable et une large bande mobile de base.