4G/5G-Fronthaul-Netze im Rampenlicht

Wie Ciena kürzlich verkündet hat, wurden die 5G-Netzwerklösungen des Unternehmens umfassend erweitert und verbessert. Dazu gehören drei neue, für das xHaul-Transportnetz optimierte Router, Verbesserungen im Bereich Network Slicing und Dynamic Planning der Blue Planet Automatisierungssoftware sowie professionelle Services zur Unterstützung der Betreiber bei ihrem jeweils ganz spezifischen Umstieg von 4G auf 5G. Sie kennen xHaul nicht und wissen auch nicht, warum es für den Erfolg von 5G äußerst wichtig ist? Lassen Sie es mich erklären.

Was ist xHaul?

xHaul steht für Fronthaul-, Midhaul- und Backhaul-Transportnetze, welche die einzelnen Zellenstandorte miteinander, mit dem Core-Netz und schließlich auch mit den Rechenzentren verbinden, in denen die Inhalte, auf die zugegriffen wird, gehostet werden. Warum erwähne ich die Rechenzentren?

Nun, Videos werden bis zum Jahr 2025 76 % des gesamten mobilen Datenverkehrs ausmachen. Und wo befinden sich die meisten Videoinhalte? Richtig, in nahegelegenen sowie entfernten Rechenzentren, was bedeutet, dass das gesamte Festnetz zwischen dem Radio Access Network (RAN) und den Rechenzentren aufgerüstet werden muss, um die garantierte End-to-End-Leistung, die durch das 5G-Network-Slicing in Aussicht gestellt wird, umzusetzen. Mobilfunknetzbetreiber (Mobile Network Operators, MNOs) werden 5G-Network-Slicing nutzen, um drei wesentliche Kategorien von Anwendungsfällen zu unterstützen, die jeweils eigene Anforderungen an die Netzwerkleistung stellen:

• eMBB (enhanced Mobile Broadband), für das eine umfassende Steigerung der Festnetzkapazität erforderlich ist
• mMTC (massive Machine-Type Communications), das eine analytikbasierte Automatisierung erfordert, um zusätzliche Maschinen in der Größenordnung von mehreren Millionen oder Milliarden (Stichwort massives IoT) optimal verbinden zu können
• urLLC (ultra-reliable Low-Latency Communications), für das Multi-Access Edge Computing (MEC) sowie ein deterministischer, paketoptischer Transport erforderlich sind, um die Ziele im Hinblick auf extrem kurze und deterministische Latenzzeiten zu erreichen

Warum sind diese Kategorien so wichtig? Weil die Daten das Netz von einem Ende zum anderen sowohl über drahtlose als auch drahtgebundene Domänen durchlaufen, müssen Netzbetreiber in der Lage sein, die Leistung eines Network-Slices über dessen gesamten Lebenszyklus hinweg zu garantieren. Für die drahtlose Domäne bedeutet das, dass in den Fronthaul-, Midhaul- und Backhaul-Netzen für die korrekte Unterstützung von 5G-Services spezifische Funktionen für das Datenverkehrsmanagement erforderlich sind. Dies geht weit über eine simple Kapazitätserhöhung hinaus.

Wo findet xHaul statt?

Im Fall von 4G verbindet das Fronthaul-Transportnetz die Remote Radio Heads (RRHs) mit den entfernten, zentral bzw. in der Cloud vorgehaltenen Basisbandeinheiten (Baseband Units, BBUs), während das Backhaul-Netz die BBUs in die entgegengesetzte Richtung wiederum mit dem 4G Evolved Packet Core (EPC) verbindet. Im Fall von 5G werden New Radios (NR) mit der BBU verbunden. Diese kann in eine Zentraleinheit (Central Unit, CU) und eine verteilte Einheit (Distributed Unit, DU) aufgespalten (und virtualisiert) werden. Das neue Midhaul-Segment verbindet schließlich über eine neue, standardisierte 3GPP-F1-Schnittstelle die CU mit der DU. Der 5G-Backhaul, bei dem sich die Betreiber zunächst auf die Bereitstellung neuer eMBB-Services konzentrieren, entspricht im Wesentlichen dem 4G-Backhaul. Allerdings wird hier aufgrund der 5G New Radios (NRs) mit höherer Leistung und größerer Bandbreite wesentlich mehr Datenverkehr übertragen.

Abbildung 1: 4G-C-RAN-Architektur und 5G-C-RAN-Architektur im Vergleich 

Aktuell vollzieht die gesamte Branche mit dem Aufbrechen von 4G-Fronthaul-Netzen einen umfassenden Wandel. Obwohl diese Fronthaul-Netze auf einer öffentlichen Common Public Radio Interface (CPRI)-Spezifikation basieren, sind sie doch geschlossen und proprietär ausgelegt. Mobilfunknetzbetreiber (MNOs) waren gezwungen, RRHs und BBUs vom selben Anbieter zu beziehen und den Fronthaul-Traffic aufgrund der sehr hohen (und ineffizienten) Kapazität von CPRI und sehr strenger Latenzanforderungen über teure und häufig nicht verfügbare Dark-Fiber-Infrastrukturen zu übertragen. Mit 5G kann und wird sich das ändern.

Warum offene xHaul-Netze?

Dank der Unterstützung von Organisationen wie der betreibergeführten O-RAN Alliance sind Schnittstellenspezifikationen für das 5G-Fronthaul- und -Midhaul-Netz offen und in strukturierter Form definiert. Dadurch können Mobilfunknetzbetreiber die benötigten RUs, DUs und CUs sowie die zugehörigen Transportnetze von beliebigen Anbietern erwerben, sofern die Geräte und Systeme den O-RAN-Spezifikationen entsprechen. Als Folge dieser offenen Spezifikationen wird sich der Wettbewerb der Anbieter untereinander verstärken, was wiederum zu einer größeren Produktauswahl, schnelleren Innovationen, herausragenden Netzwerkdesigns und einem breiter gefächerten und besonders verlässlichen Angebot führen wird.

Ciena setzt proaktiv auf Offenheit. Deshalb haben wir unsere neuen, anbieterunabhängig einsetzbaren Router 5164, 5166 und 5168 entwickelt. Ziel ist es, dass Mobilfunknetzanbieter die Abhängigkeit von einzelnen Anbietern ein für allemal hinter sich lassen können. Da 4G und 5G noch viele Jahre lang nebeneinander existieren werden, müssen xHaul-Netze für einen langen Zeitraum beide Standards unterstützen. Die beste und kostengünstigste Möglichkeit dafür besteht in der Nutzung eines offenen, interoperablen und konvergierten Transportnetzes, das Fronthaul, Midhaul und Backhaul in einer gemeinsamen Transportnetzinfrastruktur vereinigt.

Warum xHaul-Netze mit Multi-Vendor-Interoperabilität?

Ein wesentlicher Vorteil eines offenen, standardbasierten xHaul-Transports ist die Fähigkeit zum Konvergieren des Datenverkehrs in einer gemeinsamen Festnetzinfrastruktur, sodass die Lösung im Unterhalt und Betrieb kosteneffizienter wird und keine kostspieligen Overlay-Netze benötigt werden. Für das Konvergieren des Fronthaul- und Backhaul-Traffics von 4G sowie des Fronthaul-, Midhaul- und Backhaul-Traffics von 5G in einem gemeinsamen Netz müssen mehrere 4G- und 5G-Schnittstellenprofile, wie 4G CPRI, 4G Radio-over-Ethernet (RoE), 5G evolved CPRI (eCPRI), O-RAN Fronhaul und O-RAN Open F1 unterstützt werden. Ein so hohes Maß an Flexibilität erfordert eine neue Generation von Netzwerkgeräten. Wir nennen sie die Router 5164, 5166 und 5168 von Ciena.

Konzentration auf das Fronthaul-Netz

Die Router 5164, 5166 und 5168 von Ciena unterstützen sowohl standardmäßiges Ethernet wie auch Time-Sensitive Networking (TSN)-Ethernet sowie weiches (Segment Routing) und hartes (FlexEthernet / ITU-T G.mtn) Network Slicing. Darüber hinaus profitieren sie von der intelligenten Blue Planet Automatisierungssoftware und der mithilfe von offenen APIs realisierten, schlanken IP-Implementierung von Ciena unter dem Stichwort Adaptive IP. Außerdem unterstützen sie Streaming-Telemetrie und ermöglichen so netzwerkweite Vorteile, die über die eigentlichen Router selbst hinausgehen.

Konzentrieren wir uns nun auf die Fronthaul-Funktionen des Routers 5168 und seine zahlreichen Fronthaul-Schnittstellen, durch die er sich von den Routern 5164 und 5166 unterscheidet. Für das Konvergieren und Vereinfachen des Fronthaul- und Midhaul-Traffics von 4G und 5G auf einem gemeinsamen, konvergierten xHaul-Netz unterstützt der Router 5168 die folgenden Fronthaul- und Midhaul-Schnittstellen:

• Common Public Radio Interface (CPRI) 
• evolved Common Public Radio Interface (eCPRI)
• IEEE 1914.3 Radio-over-Ethernet (structure-agnostic and structure-aware) Interface (4G CPRI into Ethernet)
• ORAN-Interface
• 3GPP-F1-Interface (einschließlich O-RAN Open F1 Profile)
• CPRI-to-eCPRI Interworking Function (IWF)
• CPRI-to-ORAN, einschließlich L1-Offload-Verarbeitung

Fronthaul-Netzleistung

All oben genannten 4G/5G-Fronthaul- und -Midhaul-Schnittstellen sind paketbasiert und müssen für die Gewährleistung von Latenzzeiten und Jitter neue und strenge Anforderungen erfüllen, um die erfolgreiche Übertragung von Paketen über das Fronthaul-Netz zu gewährleisten. Im Bereich der Midhaul- und Backhaul-Netze werden ähnliche Technologien genutzt, um die strengen Leistungsanforderungen der neuen 5G-Anwendungsfälle, beispielsweise im Zusammenhang mit urLLC, zu erfüllen.

So wie Serviceprovider ständig nach erstklassigen Technologien suchen, mit denen sie extrem leistungsstarke Netze für ihre Benutzer konzipieren und realisieren können, suchen wir bei Ciena ständig nach Möglichkeiten, ein hohes Maß an Programmierbarkeit anzubieten, um den Funktionsumfang und die Leistung unserer Lösungen weiter zu steigern. Ein Beispiel hierfür ist die Fronhaul-Domäne, bei der wir mit Intel zusammenarbeiten, um erstklassigen paketbasierten CPRI-Transport über Radio-over-Ethernet (RoE) und eine CPRI-to-eCPRI Interworking Function (IWF) bereitzustellen. Die Field Programmable Gate Array (FPGA)-Technologie von Intel bietet die erforderliche Leistung, Flexibilität und Programmierbarkeit, mit deren Hilfe wir schon heute mehrere Fronthaul-Spezifikationen umsetzen können. Darüber hinaus ermöglicht die FPGA-Technologie von Intel die Durchführung von Upgrades im Feld, sollte es aus irgendwelchen Gründen zu einer Änderung der Implementierungsanforderungen kommen. Durch die Zusammenarbeit können wir das Know-how von Intel im Bereich der Programmierbarkeits- und Beschleunigungstechnologie für die Umsetzung von vRAN nutzen und effizient sowie kostengünstig konvergierte 4G/LTE- und 5G-Mobilfunknetze implementieren.

Was ist mit dem Midhaul- und Backhaul-Segment?

Bleiben Sie dran! Über diese beiden Teile des leitungsgebundenen Netzes werden ich ebenfalls sprechen. Auch sie sind für 5G unerlässlich, um die garantierten End-to-End-Network-Slices zu unterstützen, die völlig neue und aufregende eMBB-, mMTC- und urLLC-Anwendungen ermöglichen werden.

Wie sieht es in Ihrem Fronthaul-Netz aus?