Warum eine zentralisierte verteilte Architektur die einzige praktikable langfristige RAN-Lösung ist
Wo sind wir jetzt?
Erste 5G-Bereitstellungen werden als „Non-Standalone (NSA) 5G“ bezeichnet und basieren auf Dual Connectivity. Dabei verbindet sich das Gerät zunächst mit einer 4G „Master“-LTE-Basisstation und stellt dann unter der Leitung des Masters eine 5G-Verbindung her.
Diese frühen 5G-Implementierungen nutzen das Spektrum im Frequenzbereich 1 von 5G. In Europa dürfte dies (aber nicht ausschließlich) das Band von 3,4 bis 3,8 GHz sein. Was die Abdeckung betrifft, ermöglichen die 5G-Zellen, die auf diesen Frequenzen in Städten unterstützt werden können, die Platzierung von „sekundären“ 5G-Basisstationen neben der 4G-„Master-Basisstation“. Diese Basisstationen sind ausnahmslos an sicheren Standorten gut platziert und mit guter Backhaul-Konnektivität ausgestattet, meist in Form von Glasfaserverbindungen. Tatsächlich wird 5G verwendet, um die Kapazität des bestehenden 4G-Standorts zu erhöhen und gleichzeitig zusätzliche Effizienz in Form fortschrittlicherer Antennentechniken zu erzielen.
Wie geht es weiter?
Mit der Freigabe weiterer 5G-Spektren erhalten Betreiber Zugang zu Millimeterwellenfrequenzen. Diese liegen deutlich höher (in Europa zwischen 24,25 GHz und 27,5 GHz) als herkömmliche Mobilfunkfrequenzen. Die Eigenschaften des Millimeterwellen-Funkkanals sind sehr unterschiedlich: Die Dämpfung (Signalverlust) über die Distanz ist viel größer und die Beugungseffekte sind geringer, sodass „Signalschattenbereiche“ hinter Gebäuden nicht so gut ausgefüllt werden wie bei den niedrigeren Frequenzen. Dies alles bedeutet, dass die Reichweite der 5G-Millimeterwellenzellen praktisch auf etwa 200 m begrenzt ist und größtenteils auf Sichtverbindung beruht.
Bei diesen höheren Frequenzen steht jedoch viel zusätzliches Spektrum (und damit Kapazität) zur Verfügung. Außerdem können Zellen aufgrund der hohen Dämpfung mit zunehmender Entfernung isoliert (einzeln oder in kleinen Gruppen) eingesetzt werden, was die Gesamtnetzwerkstörungen erheblich reduziert. Daher kann das stark vergrößerte Spektrum auch bei deutlich geringeren Mindestabständen im Vergleich zum herkömmlichen Mobilfunkspektrum wiederverwendet werden. Und schließlich bedeuten kleinere Antennengrößen, dass Antennenarrays anstelle von Einzelantennen verwendet werden. Dies eröffnet eine ganz neue Welt hocheffizienter Antennentechniken – einschließlich fortschrittlicher Strahlformung. Daher ist die aktuelle Branchenmeinung insgesamt, dass sich die Investition in 5G mit kleinen Zellen (Millimeterwellen) durchaus lohnt.
Wie maximieren wir die Investitionen?
Es gibt eine Reihe von Überlegungen, die die Art und Weise bestimmen werden, wie 5G eingesetzt wird, sobald das Millimeterwellenspektrum verfügbar ist. Alle von ihnen wirken sich auf den ROI aus und weisen uns im Großen und Ganzen in Richtung einer zentralisierten und verteilten 5G-RAN-Architektur:
Master-Sekundarstufe
Die kleineren Millimeterwellenzellen müssen in einer Master-Sekundär-Anordnung mit der größeren LTE-Zelle arbeiten – oder mit 5G-Zellen mit niedrigerer Frequenz im „Stand Alone“-5G-Bereitstellungsmodus. Dadurch werden eine gute Abdeckung und zuverlässige Konnektivität durch die Masterzelle und zusätzliche Kapazität durch die kleinen Millimeterwellen-Sekundärzellen kombiniert. Mehrere Sekundärzellen können so platziert werden, dass sie mit einer Masterzelle zusammenarbeiten und Dual-Connectivity für verschiedene Geräte im gesamten Abdeckungsbereich der Masterzelle bieten. Die Konnektivität der Geräte wird zwischen Master- und Sekundärzelle (und wieder zurück) umgeschaltet, wenn die Stärke des Funksignals variiert. Statistisch gesehen ist die Gesamtkapazität ausreichend, wenn genügend Geräte die Sekundärzellen verwenden, selbst wenn einige Geräte vorübergehend die Kapazität der Masterzelle verwenden.
Rücktransport
Die vorhandenen LTE-Standorte sind im Allgemeinen gut mit Backhaul-Konnektivität ausgestattet – normalerweise in Form von Glasfaser. Wenn ein sekundärer Standort ein Self-Backhaul zum Master herstellen kann, können die Daten über die vorhandene Glasfaserverbindung zum Kernnetz aggregiert werden. Da so viel Spektrum bei den Millimeterwellenfrequenzen verfügbar ist, sollte es relativ einfach sein, einen Teil davon zu verwenden, um eine Mikrowellenverbindung (oder eine Beamforming-Verbindung) vom sekundären zum Master herzustellen und so die Self-Backhauling-Verbindung bereitzustellen. Natürlich wäre Sichtverbindung erforderlich, aber im Allgemeinen ist dies eine viel günstigere Option als die Verkabelung zu jedem einzelnen sekundären Standort.
Fronttransport
Die Verbindung von der Basisstation selbst zu den Antennen kann viele Formen annehmen. Die endgültige Verbindung besteht jedoch traditionell in Form digitaler Darstellungen der tatsächlichen analogen Welle, die an jede Antenne angelegt werden soll. Bei 5G bedeutet die massiv gestiegene Anzahl an Antennen, dass es einfach nicht möglich ist, die Menge an digitalen Informationen über irgendeine Entfernung zu übertragen (selbst über Glasfaser). Die offensichtliche Lösung besteht darin, dass die letzte Verarbeitungsstufe (unterste Schicht im Protokollstapel) wahrscheinlich in der Antenneneinheit selbst liegt.
Dies bedeutet im Wesentlichen, dass bei Millimeterwellen-Basisstationen (kleine Zellen) die Basisstationsfunktionalität zwangsläufig getrennt wird. Welche Form die Funktionstrennung annimmt und wo sich der Rest der Funktionalität befindet, ist offen. Sollte sie am Standort der kleinen Zelle (der als verteilte Einheit – DU – fungiert), am Master-Standort (der jetzt als zentrale Einheit – CU – fungiert) oder in einer Mischung – mit höheren Schichten am zentralisierten Master-Standort und niedrigeren Schichten am verteilten Standort (mit der alleruntersten Unterschicht in der Antenneneinheit) – sein?
Einfache Bereitstellung
Wenn wir uns dafür entscheiden, den Großteil der Funktionalität an einem zentralen Standort (möglicherweise am Standort der Hauptbasisstation oder an einem zentralen RAN-Standort) bereitzustellen, bedeutet dies, dass zusätzliche kleine Zellen kostengünstig als kleine Hardwareeinheiten bereitgestellt werden können. Die Kapazität müsste ausreichend sein, aber für die Bereitstellung zusätzlicher Zellen wären nur minimale Upgrades der CU erforderlich. Die Bereitstellung könnte weiter vereinfacht werden, wenn im Rahmen des Bereitstellungsprozesses für kleine Zellen robuste Techniken zur Selbstoptimierung oder Selbstorganisation verwendet werden.
Sicherheit
Sicherheit ist für jeden Betreiber ein wachsendes Anliegen, und 5G hat in diesem Bereich im Vergleich zu 4G erhebliche Verbesserungen gebracht. Die eigentliche Verschlüsselung und der Integritätsschutz der 5G-Funkschnittstelle (die beiden primären Sicherheitsmechanismen für Funkschnittstellen) werden jedoch zwischen dem Gerät und der Basisstation ausgeführt. Die eigentliche Sicherheitsfunktionalität ist Teil eines der Protokolle, die im Protokollstapel weiter oben liegen. Daher ist es sinnvoll, diesen Teil der Basisstationsfunktionalität an einem sichereren Ort unterzubringen – in diesem Fall in einer zentralen Einheit statt in der verteilten Einheit.
Es gibt zwar noch andere Sicherheitsmechanismen zum Schutz der Verbindung zwischen zentralisierter und verteilter Einheit, die Sicherheit im Hinblick auf die Zuverlässigkeit wird jedoch am besten gewährleistet, wenn die Verschlüsselungsfunktion selbst an einem sichereren Ort untergebracht wird.
MAEC
Um die Latenzzeit zur Unterstützung einer Vielzahl neuer Anwendungsfälle und Dienste zu reduzieren, ist die Platzierung der Rechenressourcen am Rand des Netzwerks unbedingt erforderlich. Dies könnte an einem geeigneten RAN-Standort oder an der Basisstation für eine besonders latenzarme Serviceunterstützung sein. Dies wirft möglicherweise alle möglichen Bedenken auf, von denen die Sicherheit und die physische Positionierung der eigentlichen Verarbeitungshardware die zwei wichtigsten sind.
Der Ausgleich besteht darin, Zugriff auf Support mit geringer Latenz zu erhalten, gleichzeitig das Risiko zu reduzieren und die einfache Bereitstellung beizubehalten. Auch hier scheint eine zentralisierte verteilte Architektur eine wahrscheinliche Lösung zu sein, bei der sich die Rechenressourcen in einer relativ sicheren und gut ausgestatteten CU befinden.
Zellenfreier Betrieb
Und schließlich, und etwas später auf der Zeitachse, bringt 5G möglicherweise eine völlig neue Denkweise in Bezug auf die Funkabdeckung mit sich – eine, die die Effizienz und Zuverlässigkeit der Verbindung erheblich verbessern könnte. Basierend auf zellfreier Abdeckung und umfassender Nutzung von Strahlen erfordert es eine spezifische Positionierung der Funkeinheiten, um optimal zu funktionieren – idealerweise eine sehr regelmäßige Positionierung in bestimmten Mustern. Kleine Einheiten wären viel einfacher zu positionieren als größere Einheiten. Dies deutet wiederum auf eine verteilte Architektur hin, bei der die DU klein und leicht gehalten wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Alles deutet auf eine zentralisierte und verteilte 5G RAN-Architektur hin
Obwohl diese Überlegungen (siehe oben) nicht neu sind, enthalten die 3GPP 5G-Spezifikationsdokumente neu standardisierte Schnittstellen, die eine sehr flexible Bereitstellung des gNodeB (der technische Name für die 5G-Basisstation) ermöglichen. Dies könnte eine vollständig integrierte Basisstation sein oder in die verschiedenen Funktionen aufgeteilt werden, wie in diesem Blog beschrieben. Auf den ersten Blick scheint es, als hätten wir nur Optionen. In Wirklichkeit wird die Art und Weise, wie 5G bereitgestellt wird – das von uns verwendete Spektrum, die von uns unterstützten Anwendungsfälle, Bedenken hinsichtlich der Sicherheit und der einfachen Bereitstellung, unter anderem – die tatsächliche Architektur bestimmen. Aus den in diesem Blog dargelegten Gründen scheint dies mittel- bis langfristig eindeutig auf eine zentralisierte verteilte Architektur für die Basisstation und das RAN hinzudeuten.