5G und Open RAN
Die Netztechnologie der fünften Generation (5G) steht heute im Mittelpunkt der gesamten globalen Mobilfunkbranche, da Teilnehmer an Orten auf der ganzen Welt abhängig von unterbrechungsfreiem Zugang zum Hochgeschwindigkeits-Internet geworden sind, der unabhängig vom Aufenthaltsort mobile Anwendungen und Dienste unterstützt.
Dramatische Veränderungen in der Technologie, der Netzarchitektur und den verfügbaren Funkfrequenzen haben den Weg für die Implementierung eines neuen 5G-Mobilfunknetzes geebnet. Während sich Netze zu softwarezentrierten Netzen entwickeln und ein cloudbasiertes Bereitstellungsmodell übernommen wird, besteht die Möglichkeit, eine offene, standardisierte, netzübergreifende Architektur zu schaffen, die auf der Grundlage von offener Software eine offene Interoperabilität über verschiedene Anbieter hinweg ermöglicht.
Dieses Open-RAN-Konzept verspricht, die Wirtschaftlichkeit, den Betrieb und die Bereitstellungsmodelle für zukünftige Mobilfunknetze zu verändern.
Warum 5G/Open RAN?
Gesteigerte Netzkapazität und -performance
Mobilfunk-Breitbandleistung auf Gigabit-Niveau mit wesentlich geringerer Latenz
Softwarezentrierte, virtualisierte Netze
Unterstützt die automatisierte Bereitstellung für betriebliche Effizienz und dynamische Flexibilität bei sich ändernden Netzbedingungen
Offene Plattform für Innovation
Neue technische Möglichkeiten ermöglichen eine größere Vielfalt an Anwendungen und Diensten für Verbraucher, Branchen und Geräte.
Evolution der Mobilfunknormen
Seit dem ersten Einsatz der Technologie in den frühen 1990er-Jahren hat es eine kontinuierliche Weiterentwicklung der globalen Normen für digitale Mobiltechnologie gegeben. Das Aufkommen des Global System for Mobile Communications (GSM) in den frühen 1990er-Jahren erweiterte die Fähigkeiten der früheren analogen Mobiltelefondienstsysteme („AMPS“) um digital codierte Sprachanrufe, Zwei-Wege-Nachrichtenübermittlung und ein global verbundenes Netz mit Unterstützung von Roaming zwischen Betreibern – dies wurde als Mobilfunktechnologie der „zweiten Generation“ oder „2G“ bezeichnet.
Die Mobilfunktechnologie der dritten Generation (3G), die GSM in globalen Netzen abgelöst hat, basierte auf Normen des Universal Mobile Telephone Service (UMTS). Dieses System führte Unterstützung für neue höhere Frequenzbänder mit zusätzlicher Kapazität ein und wandte neue Modulationstechniken an, die das Spektrum effizient nutzten. In Kombination mit verbesserter Technologie in Terminals aufgrund der Halbleiterminiaturisierung wurde dieses System zur Plattform für die ersten weit verbreiteten mobilen Datendienste, die E-Mail, grundlegende Mediendienste und (in einigen Fällen) den Internetzugang ermöglichten.
Zu der Zeit, zu dem die 3G-Technologie ausgereift und vollständig bereitgestellt war, waren webbasierte Dienste und Anwendungen aufgrund der weiten Verbreitung von Hochgeschwindigkeits-Zugangstechnologie für das Internet in Festnetzen bereits nicht mehr aus dem Leben der meisten Kunden wegzudenken. Obwohl einige Technologien wie High Speed Downstream Packet Access (HSDPA) eingeführt wurden, um die Datendienste von 3G-Netzen zu ergänzen, wurde eine Lösung benötigt, um echte mobile Hochgeschwindigkeits-Datendienste bereitzustellen.
Die Normen für Long Term Evolution (LTE) wurden zur erfolgreichen und dominierenden Netztechnologie der vierten Generation (4G), die Paketdaten auf einer grundlegenden Ebene in das Design des Mobilfunknetzes einbezog. Daher wurde mit dieser Technologie der erste echte mobile Hochgeschwindigkeits-Internetzugang realisiert. Dies wurde durch ein vollständig paketbasiertes Kerndatennetz namens Evolved Packet Core (EPC) unterstützt. Da LTE nicht mehr um das Verfahren der Leitungsvermittlung konzipiert war, ebnete dies auch den Weg für High-Fidelity-Sprachcodecs (Breitband), Voice-over-IP-Technologie (als VoLTE bezeichnet) und Rich-Media-Kommunikationsdienste, die vom IP Multimedia Subsystem (IMS) unterstützt werden.
Obwohl LTE in der Lage war, interaktive Kommunikationsdienste in Echtzeit zu unterstützen, erwarteten die Benutzer kontinuierlich neue Erlebnisse und Anwendungen wie HD-Streaming-Medien, immersives Gaming, Videokonferenzen, Zusammenarbeit über das Web und das Internet der Dinge (IoT) angepasst. Diese neuen Cloud-zentrierten Dienste stellen neue Anforderungen in Bezug auf die allgegenwärtige Netzleistung, die Kapazität und den Betrieb mit geringer Latenz von Mobilfunknetzen. Daher gehören Sie zu den vielen Treibern für eine neue Mobilfunknetztechnologie der fünften Generation (5G).
Konzepte von 5G-Netzen
Von Anfang an hatte das Projekt zur Entwicklung von 5G-Normen drei Hauptschwerpunkte und -ziele bei der Bereitstellung von verbesserten Funktionen für Mobilfunknetze.
- Enhanced Mobile Broadband (eMBB)
- Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC)
- Massive Machine-Type Communications (mMTC)
Enhanced Mobile Broadband (eMBB)
Enhanced Mobile Broadband (eMBB) ist die erste Funktion, die auf den Markt gebracht wurde. Ihr Schwerpunkt war ein höherer Durchsatz und eine höhere Netzkapazität. So wurden Multi-Gigabit-Leistung über Funk für einzelne Benutzer und eine hohe Dichte solcher Benutzer in einem Versorgungsbereich realisiert. Die Schlüsselfaktoren zum Erreichen des Ziels von eMBB sind die Erweiterung des Funkspektrums, einschließlich neuer Wellenbänder im Millimeterbereich (mmWave), und die Verdichtung der Basisstationen, wodurch die gesamte Benutzerlast auf mehr Funkstandorte verteilt wird, darunter Small Cells mit geringerer Leistung.
Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC)
Das Ziel von Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC) bei 5G ist vorgesehen für Anwendungen mit unternehmenskritischen, sicherheitsorientierten und Echtzeit-Steuerungsanforderungen, bei denen die Leistung des Netzes deterministisch und auf Leistung optimiert sein muss sowie Paket-/Datenverluste bei minimaler Latenz bei der Übertragung verhindert werden müssen. Da erwartet wird, dass viele Anwendungsarchitekturen zu einem Modell übergehen, bei dem die Rechen- und Rechenzentrumsressourcen sich nicht am selben Ort wie die Betriebsumgebung, die Verwendungsstelle oder das gesteuerte Gerät befinden, ist es notwendig, eine dauerhafte, hochleistungsfähige und hochzuverlässige Konnektivität bereitzustellen, um diesen Unterschied zu machen.
Massive Machine-Type Communications (mMTC)
Bei Anwendungen im Bereich Massive Machine-Type Communications (mMTC) in 5G wird die Optimierung von Architekturen angestrebt, in denen die Endgeräte oder Client-Geräte überwiegend keine Teilnehmer sind, sondern intelligente Geräte, die für ihre Aufgaben auf einen robusten Netzzugang angewiesen sind. Schlüsselfaktoren für dieses Ziel sind die drastische Erweiterung der unterstützten Gesamtzahl aktiver/verbundener Geräte im Netz und die Minimierung des Kommunikations-Overheads, um die Gesamteffizienz des Netzes zu steigern.
5G-Standardisierung
Das Third Generation Partnership Project (3GPP) war und ist der wichtigste Anlaufpunkt für globale Normen für Mobilfunk- und Netztechnologie, einschließlich 4G und jetzt auch 5G. Die Normierung für 5G begann mit Release 15, einer Reihe von Spezifikationen, die erstmals 2017 vorgestellt wurden.
Diese erste Veröffentlichung bildete die Grundlage für die Luftschnittstelle 5G New Radio (5G NR), die eine Reihe zusätzlicher, weltweit verwendeter Bänder umfasste. Diese ergänzten die „Sub-7“-Frequenzen (unter 7 GHz), die auch als Frequenzbereich 1 (FR1) bezeichnet werden. Mit dem Aufkommen von 5G NR wurden auch sogenannte Millimeterwellen-Frequenzen (mmWave) im Mikrowellenbereich – Frequenzbereich 2 (FR2) – eingeführt, die zuvor im terrestrischen Mobilfunk nicht verwendet wurden. Es ist im Wesentlichen die drastische Erweiterung des für die Luftschnittstelle verfügbaren Frequenzspektrums, die die Realisierung von Multi-Gigabit-Geschwindigkeiten für einzelne Geräte in 5G ermöglicht, und so kann diese Technologie in zur optischen Breitbandtechnologie aus dem Festnetzbereich aufschließen.
Die Spezifikationen in Release 15 legten außerdem einen neuen Paketkern für 5G fest, der als „5G Core“ (5GC) bezeichnet wird. Dadurch wurde die Option geschaffen, 5G New Radio-fähige Basisstationen (sogenannte „gNB“) einzusetzen, die aus Gründen der Abwärtskompatibilität im Modus „Non-Stand Alone“ (NSA) mit bestehenden Evolved Packet Core-Datennetzen oder in reinen 5G-Netzen im Modus „Stand Alone“ (SA) mit dem 5G-Kernnetz verbunden werden können.
Die 5G-Normen zeichnen sich dadurch aus, dass hierbei viele der mobilfunkspezifischen Signalisierungs- und Steuerprotokolle früherer Implementierungen durch webzentrierte Alternativen ersetzt wurden, die enger an der Technologie ausgerichtet sind, die für Cloud-native Anwendungen (HTTPS, REST usw.) verwendet wird. Diese Designstrategie erleichterte auch eine formalisierte Trennung der Entitäten für die Steuerungsebene und die Benutzer-/Datenebene im 5GC, ein Ansatz, der als „Control and User Plane Separation“ (CUPS) bezeichnet wird. In Kombination mit softwarezentrierten Implementierungen der Subsysteme im Paketkern ermöglichte der CUPS-Ansatz eine größere Skalierbarkeit, eine Balance der Hardwareressourcen und eine Verteilung/Anordnung einzelner Instanzen auf bestimmte Bereiche des Netzes, wodurch Latenz und Transportauslastung optimiert wurden.
Die Spezifikationen für 5G in Release 16 führten Unterstützung für Dynamic Spectrum Sharing (DSS) ein, was die gleichzeitige Bereitstellung der 5G Radio Access Technology (RAT) mit herkömmlichen 4G-Systemen in denselben Frequenzbändern ermöglichte. Dies ermöglichte die Bereitstellung von 5G in Umgebungen, in denen die neuen, 5G-spezifischen Frequenzbänder nicht verfügbar oder nicht bereit für die Implementierung sind. Die Ergänzung um die 5G-Funktion New Radio Unlicensed (NR-U) bot einen weiteren Vorteil für Betreiber mit eingeschränktem Frequenzspektrum. Diese Funktion ermöglichte die Nutzung nicht lizenzierter Frequenzbänder (i. d. R. gemeinsam mit WLAN genutzt) unter der Kontrolle des 5G-Netzes.
Die andere Schlüsselfunktion von Release 16 war die Unterstützung für Network Slicing. Dieses Konzept ermöglicht die Erstellung von durchgängigen Partitionen von Netzressourcen (einschließlich in gemeinsam genutzter Infrastruktur). Dies wiederum ermöglicht die Zuweisung einzelner „Slices“ zu bestimmten Benutzerklassen, bestimmten Anwendungen oder sogar einzelnen Kunden (im Fall von Private 5G).
In jüngerer Zeit wurden die Spezifikationen für Release 17 um eine einzigartige neue Fähigkeit für den Zugang über nicht terrestrische Netze (NTN) ergänzt. Obwohl bereits seit einiger Zeit spezialisierte Satelliten-Uplink- oder Backhaul-Systeme in Verbindung mit terrestrischen Mobilfunknetzen verwendet werden, ist dies das erste Mal, dass die Wiederverwendung von Funksystemen, Bändern und Verfahren aus dem terrestrischen Netz angewendet wurde, um einen direkten Zugang zu Endgeräten über satellitenbasierte gNB-Stationen als integriertes System zu ermöglichen.
Ab Release 17 wurde auch Unterstützung für ein großes Segment des Frequenzspektrums für FR2 hinzugefügt, was die Nutzung von fast 20 GHz Gesamtkapazität im Bereich von 60 GHz ermöglicht.
Weiterentwicklung der RAN-Architektur
Das Funkzugangs (RAN) ist ein Schlüsselelement der 5G-Architektur und macht einen großen Teil des technischen Schwerpunkts für die Normen aus. Im Laufe der Zeit haben sich eine Reihe unterschiedlicher Architekturen für die Anordnung und Verbindung von RAN-Komponenten herausgebildet.
Das ursprüngliche Modell für Mobilfunksysteme in makrozellularen Netzen sah eine Architektur mit einem vollständig verteilten Funkzugangsnetz (oder „D-RAN“) vor, in der Funkausrüstung, digitale/Basisbandverarbeitung und Netz-Switching sowie Transport- oder Routing-Elemente alle zusammen in einer eigenständigen Basisstation angeordnet waren. Dieser Ansatz minimierte die Abhängigkeit von anderen Netzelementen oder einer Infrastruktur für den Betrieb des Standorts, erforderte jedoch ein erhebliches Mindestmaß an Strom, Platz, Räumlichkeiten und Zusatzgeräten, um eine Basisstation („Knoten B“) zu erstellen.
Mit der Etablierung von Normen wie dem Common Public Radio Interface (CPRI) wurde es möglich, Funk- und Antennenkomponenten von den anderen Elementen zu trennen, die die Funktionen der Digital-/Basisband-Schicht des RAN übernehmen, indem eine optische oder paketbasierte „Fronthaul“-Transportverbindung verwendet wird. Dies minimiert die Anzahl an Komponenten, die an einem Basisstationsstandort installiert werden muss. Dies war besonders nützlich, wenn das Netz sich weiter ausdehnte und verdichtete und sich dadurch Situationen ergaben, in denen ein Funkstandort nicht genug Platz aufwies, oder wenn die geforderte Abdeckung die Installation von Funkeinheiten an einem Ort erforderte, an dem eine herkömmliche Bereitstellung von Basisstationen nicht möglich oder nicht wünschenswert war. In diesen Fällen konnten die Digital- oder Basisbandeinheiten (BBU) und alle zusätzlichen Elemente, die für die weitere Netzkonnektivität zum Paketkern erforderlich sind, an einen zentralen Hub-Standort verlegt werden, was heute als Centralized-Radio-Access-Network-Architektur (C-RAN) bezeichnet wird.
Der nächste Schritt in dieser Entwicklung war die Architektur des Virtualized Radio Access Network (oder „V-RAN“). Bei diesem Ansatz werden virtualisierte bzw. containerisierte Netzfunktionen als Software implementiert, wobei allgemeine Computerplattformen verwendet werden, um spezialisierte Hardwareimplementierungen von Digital- und Basisbandfunktionen zu ersetzen. Die Modifikation der Schnittstelle für die Funkeinheit (RU) auf ein paketbasiertes Format wie Enhanced CPRI (eCPRI) ermöglicht es sowohl der funkseitigen als auch der kernseitigen („Backhaul“) Schnittstelle der Virtual Baseband Unit (vBBU), gängige Ethernet-Technologie für alle Netzverbindungen zu verwenden, was dem allgemeinen Standard von Carrier-Rechenzentren entspricht. Dieser Ansatz zur Virtualisierung von Netzfunktionen (oder „NFV“) ermöglicht die Bereitstellung und Verwaltung von RAN-Funktions-Workloads zusammen mit einem Pool anderer ähnlicher Workloads im Carrier-Rechenzentrum unter Verwendung eines gemeinsamen Frameworks und gemeinsamer Computerressourcen.
Open RAN
Von der O-RAN ALLIANCE etablierte offene RAN-Standards zielen darauf ab, das vRAN-Modell zu erweitern, indem BBU- und RAN-Komponenten in eine vollständig verteilte Architektur disaggregiert werden, während gleichzeitig Standardschnittstellen zwischen den Subsystemen definiert werden, damit sie austauschbar und interoperabel sind.
Die aktuelle O-RAN-Architektur bietet die funktionale Trennung von RAN-Komponenten in eine Radio Unit (RU), eine Distributed Unit (DU), eine Centralized Unit (CU) sowie einen Radio Intelligent Controller mit Echtzeit und ohne Echtzeit (rtRIC und nrtRIC). Die Architektur umfasst auch eine Komponente namens System Management and Orchestration (SMO), die die Bereitstellung, Verwaltung und Telemetrie jeder der verteilten Komponenten für Software-Netzfunktionen koordiniert, einschließlich der Interaktionen mit der O-Cloud-Infrastruktur, die die Netzfunktionen bereitstellt. Jedes dieser Elemente erfordert eine Netzverbindung für den Betrieb sowie eine Paketvermittlungs- oder Transportfunktion, falls sich die angrenzende Komponente an einem entfernten Standort befindet.
In dieser Architektur ist die Radio Unit (RU) die Einheit, die für die Digitalisierung der Daten auf der Funkschicht für die vorgelagerte steuernde Distributed Unit (DU) verantwortlich ist. Die Funktionalität in der RU umfasst i. d. R. eine Anzahl von Transceivern, Leistungsverstärkern und Digitalisierungsfunktionen für jeden der räumlichen Ströme in einer Multiple-Input/Multiple-Output-Konfiguration(MIMO), die Antennensteuerung und Uplink-Paketverarbeitung für die Verbindung zu der DU.
Die Distributed Unit (DU) ist das Element, das Steuerungsfunktionen auf der Verbindungsschicht (MAC) für die Radio Units (RU), mit denen sie verbunden ist, sowie einen Teil der Signalverarbeitungsfunktionen auf der physikalischen Schicht (PHY) in Bezug auf Codierung, Verschlüsselung, Modulation, Entzerrung, MIMO-Layer-Mapping und Beamforming für den per Funk zu übertragenden Datenverkehr bereitstellt.
Datenverkehr von einer oder mehreren DUs wird von der Centralized Unit (CU) aggregiert, die die Benutzersitzungsverwaltung, Lastverteilung, Zeitplanung und Handover-Funktionen ausführt. Diese sind weniger signal- und verarbeitungsintensiv, würden aber im Allgemeinen ein größeres Gesamtvolumen an Paketdaten mit sich bringen.
Der Radio Intelligent Controller (RIC) ist ein spezialisiertes, diskretes Element in der O-RAN-Architektur, das Dienst- und Richtlinienverwaltung, RAN-Analyse und Funktionen auf der Grundlage von künstlicher Intelligenz (KI)/maschinellem Lernen (ML) ausführt, um eine automatisierte, intelligente Verwaltung und Optimierung von Funkressourcen und Betrieb in komplexen Netzen bereitzustellen. Diese Funktionen arbeiten bei Nicht-Echtzeit-RIC-Subsystemen in einem langen (mehr als 1 s) und bei Echtzeit-RIC-Subsystemen in einem „unmittelbaren“ (weniger als 1 s) Zeitrahmen. Außerdem wurde ein modulares Framework entwickelt, um die Erweiterung der RIC-Logik und -Funktionalität durch offene, standardisierte Schnittstellen unter Verwendung von rApps (für nrtRIC) und xApps (für rtRIC) zu erleichtern.
