4G/5G-Backhaul-Netze im Rampenlicht

Was war jetzt xHaul noch gleich?

xHaul steht für Fronthaul-, Midhaul- und Backhaul-Transportnetze, die Zellenstandorte miteinander, mit mobilen Core-Netzen und letztendlich auch mit den Rechenzentren verbinden, in denen die Benutzerdaten und -inhalte gehostet werden. 5G unterstützt dank Network Slicing drei Hauptkategorien von 5G-Anwendungsfällen, von denen jede ganz eigene Anforderungen an die Netzleistung stellt, während die mobilen Services die Fronthaul-, Midhaul- und, ja, auch die Backhaul-Netze durchlaufen. 

• enhanced Mobile Broadband (eMBB)-Anwendungen, für die deutliche Steigerungen der drahtgebundenen Kapazität erforderlich sind
• massive Machine-Type Communications (mMTC)-Anwendungen, die eine analytikgestützte Automatisierung benötigen, um Millionen oder gar Milliarden von Maschinen (massives IoT) optimal verbinden zu können
• ultra-reliable Low-Latency Communications (urLLC)-Anwendungen, für die Multi-Access Edge Computing (MEC) und ein deterministischer paketoptischer Transport erforderlich sind, um Leistung mit extrem niedriger und deterministischer Latenz zu erreichen 

Netzbetreiber aus dem Mobilfunk- wie auch aus dem Wholesale-Sektor müssen in der Lage sein, die Leistung der einzelnen Network-Slices über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg zu garantieren. Im drahtgebundenen Bereich werden daher spezifische Funktionen für das Traffic-Management im Fronthaul-, Midhaul- und Backhaul-Netz benötigt, die für eine umfassende Unterstützung von 5G-Services weit über eine einfache Kapazitätserhöhung hinausgehen. Im Backhaul-Bereich, wo die Latenzanforderungen im Vergleich zum Fronthaul- und Midhaul-Netz weniger streng sind, ist die Kapazität für ein Upgrade der Leistung entscheidend. Hier wird man einen Anstieg von heute typischerweise 1GbE im Fall von 4G auf 10GbE oder mehr im Fall von 5G sehen.

Im Backhaul-Bereich, wo die Latenzanforderungen im Vergleich zum Fronthaul- und Midhaul-Netz weniger streng sind, ist die Kapazität für ein Upgrade der Leistung entscheidend. Hier wird man einen Anstieg von heute typischerweise 1GbE im Fall von 4G auf 10GbE oder mehr im Fall von 5G sehen.

Was war jetzt xHaul noch gleich?

Im Fall von 4G verbinden Fronthaul-Netze die Remote Radio Heads (RRHs) mit entfernten, zentralisierten/cloudbasierten Baseband Units (BBUs), während das Backhaul-Netz die BBUs in entgegengesetzter Richtung mit dem 4G Evolved Packet Core (EPC) verbindet. Im Fall von 5G werden die New Radios (NRs) mit den BBUs verbunden, die wiederum in Centralized Units (CUs) und Distributed Units (DUs) disaggregiert und virtualisiert werden. Das Backhaul-Netz, bei dem sich Mobilfunknetzbetreiber gerade auf die Bereitstellung neuer 5G-eMBB-Services fokussieren, ähnelt dem 4G-Backhaul-Netz. Allerdings werden hier aufgrund der höheren Leistung und größeren Bandbreite, die von den 5G-NRs bereitgestellt wird, wesentlich mehr Daten übertragen.

Abbildung 1: Weiterentwicklung von 4G- hin zu 5G-xHaul-Netzen

Der Backhaul wird über 1GbE-, 10GbE- und 100GbE-Schnittstellen sowie über neuere 25GbE-, 50GbE- und in Extremfällen sogar 400GbE-Schnittstellen realisiert. Die Entfernungen liegen in der Regel im Bereich von unter hundert bis mehreren hundert Kilometern. Im Fall von größeren Distanzen kommt sowohl kohärente als auch nicht-kohärente DWDM-Optik, normalerweise mit steckbaren Formfaktoren, zum Einsatz. 

Die Latenzanforderungen für den Backhaul, in der Regel im Bereich von 10 ms bis 300 ms, sind wesentlich weniger streng als bei Fronthaul- oder gar Midhaul-Netzen. Das Backhaul-Netz ist in der Regel Ethernet-basiert (Transport von IP-Nutzdaten), kann aber auch als Dark Fiber, mikrowellenbasiert und drahtlos oder als neueres Integrated Access Backhaul (IAB)-Netz ausgeführt sein, wenn der Glasfaserzugang nicht möglich oder wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Jede dieser Backhaul-Technologien hat ihre jeweils ganz eigenen Vorteile und idealen Anwendungssituationen, sodass für 5G eine Mischung der Technologien zum Einsatz kommen wird.

5G Non-Stand-Alone (NSA)- und 5G Stand-Alone (SA)-Modus

Im Dezember 2017 kam es zur Zulassung der 5G-NR-Spezifikationen durch die 3GPP-Gruppe. Dies stellte einen wichtigen Meilenstein im Rennen um 5G dar. In der Folge konnte die Branche sofort nach Verfügbarkeit standardbasierte 5G-NRs implementieren, was es den Mobilfunknetzbetreibern ermöglichte, ihre drahtlose Performance und die Einhaltung der relevanten Normen zu testen, eine Radio Frequency (RF)-Modellierung und -Planung durchzuführen und die 5G-NRs letztendlich physisch an Türmen, Masten, auf Gebäuden und an anderen Orten zu installieren.

5G-NRs werden hauptsächlich mit bereits bestehenden 4G-EPC-Netzen verbunden, über die Endbenutzer (Menschen wie auch Maschinen) über die drahtlose Domäne mit neuer 5G-Leistung versorgt werden. Über die drahtgebundene Netzwerkdomäne liegt dabei jedoch nach wie vor 4G-Leistung vor. Diese Konfiguration wird als 5G Non-Standard-Alone (NSA) bezeichnet und ist das, was die meisten 5G-Endbenutzer heute erleben. Das Ergebnis, das man als „Vor-5G“ oder „teilweises 5G“ bezeichnen kann, ist eine raffinierte Möglichkeit, die Implementierung von 5G-NRs zu beschleunigen, während 5G-Core- und xHaul-Netze nach und nach ausgebaut werden. In diesem Kontext erleichtern das kürzlich zugelassene 3GPP Release-16 und das Release-17 die Kommerzialisierung und das umfassende Rollout der standardbasierten Technologie.

Der 5G-NSA-Modus richtet sich zunächst an eMBB-Anwendungsfälle, und zwar hauptsächlich an solche, die videozentrisch sind und nach Aussage des aktuellen Ericsson Mobility Reports bis zum Jahr 2025 fast 76 % des gesamten Traffics ausmachen werden. 5G-NSA beinhaltet allerdings weder Network-Slicing-Funktionen noch ein 5G Quality of Service (QoS)-Framework und es bietet auch keine extrem kurzen Latenzzeiten. Anders ausgedrückt: Heutiges eMBB ist wie 4G, allerdings wie 4G auf Steroiden. Das ist es, was die meisten Verbraucher erleben werden, bis auch das Update des drahtgebundenen Core-Netzes vollzogen sein wird.

5G-SA, auch unter dem Namen „volles 5G“ bekannt, liegt vor, wenn 5G-NRs mit einem 5G-Core-Netz verbunden werden, welches das bisher für 5G-NSA genutzte 4G-EPC-Netz ersetzt und die für die volle Nutzung von 5G erforderliche End-to-End-Leistung bereitstellt. Möglich wird dies durch Network Slicing über die drahtlosen und drahtgebundenen Domänen hinweg sowie durch das 5G-QoS-Framework, das die 5G-Anwendungsfälle urLLC und mMTC ermöglicht. Zahlreiche große Mobilfunknetzbetreiber haben bereits kommerziell verfügbare 5G-SA-Services angekündigt. Die Bereitstellung von auf breiter Front verfügbarer, voller 5G-Leistung für die Massen ist jedoch eine Aufgabe, die wahrscheinlich mehrere Jahre in Anspruch nehmen wird und aufgrund unterschiedlicher Ausgangssituationen und geschäftlicher Ziele von jedem Mobilfunknetzbetreiber auf andere Art und Weise realisiert werden wird.

Abbildung 2: 5G Non-Stand-Alone (NSA)- und 5G Stand-Alone (SA)-Modus im Vergleich

5G-NSA wird sich vor allem durch eine erhöhte Kapazität auf die Backhaul-Netze auswirken, da ein 5G-Endbenutzer bis zum Zehnfachen der Bandbreite eines vergleichbaren 4G-LTE-Endbenutzers generieren kann. Anders ausgedrückt: Es ist vorstellbar, dass ein 5G-Smartphone so viel drahtlose Kapazität wie zehn oder mehr 4G-LTE-Smartphones verbraucht. Natürlich hängt die tatsächlich Auswirkung der einzelnen 5G-Endbenutzer letztendlich von einer Vielzahl unterschiedlicher Faktoren ab, wie beispielsweise von der Smartphone-Leistung, dem genutzten drahtlosen Spektrum oder der vom Mobilfunknetzbetreiber bereitgestellten Leistung, aber dennoch ist klar, wohin die Reise geht.

Natürlich hängt die tatsächlich Auswirkung der einzelnen 5G-Endbenutzer letztendlich von einer Vielzahl unterschiedlicher Faktoren ab, wie beispielsweise von der Smartphone-Leistung, dem genutzten drahtlosen Spektrum oder der vom Mobilfunknetzbetreiber bereitgestellten Leistung, aber dennoch ist klar, wohin die Reise geht.

Die Bedeutung von Wholesale-Netzbetreibern

Auch wenn sich im Zusammenhang mit 5G das Hauptaugenmerk auf die Mobilfunknetzbetreiber richtet, was auch durchaus Sinn ergibt, da wir von ihnen mobile Services kaufen, dürfen wir jedoch die Auswirkungen von 5G auf Wholesale-Netzbetreiber nicht ignorieren, die für die Konnektivität mit den Zellenstandorten, seien es nun Kleinzellen oder Makrozellen, sorgen. Dies ist wichtig für Mobilfunknetzbetreiber, die keinen drahtgebundenen Zugang zu ihren Zellenstandorten haben.

Wholesale-Backhaul-Services sind vor allem in Nordamerika weit verbreitet, was bedeutet, dass auch die Wholesale-Betreiber ihre Netze ausbauen müssen, um den Mobilfunknetzbetreibern unter ihren Kunden die erforderliche 5G-Leistung (z. B. im Hinblick auf Latenzzeiten, Kapazität, Timing und Synchronisation) zur Verfügung zu stellen, was sie auch bereits tun. Da 5G offene, standardbasierte Fronthaul- und Midhaul-Netze mit sich bringt, können die Wholesale-Betreiber ihre Konnektivitätsservices vom heutigen Backhaul auch auf diese neuen Netze ausweiten.

Die neuen 5G-Router von Ciena

Offene, standardbasierte xHaul-Transportnetze werden es Mobilfunknetz- und Wholesale-Betreibern gleichermaßen ermöglichen, 4G/5G-C-RAN- und -D-RAN-Traffic in einer gemeinsamen drahtgebundenen Infrastruktur zu konsolidieren, was zu konvergierten xHaul-Netzen führt, deren Unterhalt und Betrieb einfacher und kosteneffizienter ist. Genau daran hatten wir gedacht, als wir unsere neuen Network-Slicing-Router 5164, 5166 und 5168 entwickelt haben. Sie basieren alle auf Adaptive IP^TM, einer anderen und besseren Möglichkeit zum automatisierten, offenen und schlanken Aufbau standardbasierter IP-Netze vom Access- bis zum Metro-Bereich. 

Der Markt bewegt sich in Richtung eines konvergierten 4G- und 5G-xHaul-Networkings und Ciena unterstützt diese Entwicklung.