Drahtlose Netze / Mobilfunk

5G markiert den Aufbruch zu neuen Ufern

| Autor / Redakteur: Ian Hood und Oliver Horn [Red.: Jürgen Schreier] / Andreas Donner

Aktuellen Prognosen zufolge wird das Internet of Things (IoT) einer der großen Nutznießer von 5G sein.
Aktuellen Prognosen zufolge wird das Internet of Things (IoT) einer der großen Nutznießer von 5G sein. (Bild: Pixabay / CC0)

In den Mobilfunknetzen steht mit 5G in den nächsten Jahren eine grundlegende Umwälzung an. Die Entwicklungen dazu sind in vollem Gange. Open-Source-Technologien spielen dabei sowohl in den Kern- und den Zugangsnetzen als auch bei IoT-Anwendungsszenarien eine entscheidende Rolle.

Jede neue Mobilfunkgeneration der letzten 20 Jahre stellte für sich genommen einen technologischen Meilenstein dar und hat zusätzliche Anwendungsszenarien erschlossen. War es anfangs das mobile Telefonieren an nahezu jedem Ort, so haben sich ab der dritten Mobilgeneration der Datenverkehr und das mobile Internet immer stärker in den Vordergrund geschoben. Aktuellen Prognosen zufolge wird das Internet of Things (IoT) einer der großen Nutznießer von 5G sein.

Ein kurzer Blick auf die Marktentwicklung verdeutlicht das Potenzial. 2016 gab es erstmals weltweit mehr mobile Telefonanschlüsse als Menschen auf der Erde (1), (2). Die Zahl der vernetzten Fahrzeuge, Maschinen, Sensoren und Aktuatoren soll Prognosen zufolge 2021 auf mehr als 46 Milliarden anwachsen. Das wäre im Vergleich zu 2016 eine Steigerung um 200 Prozent (3). Für diese enorme Zahl an IoT-Geräten wird ein neues Mobilfunknetz benötigt – und 5G soll der Standard dafür werden.

Drei bedeutende Anwendungsszenarien für 5G

Parallel zu den ersten 5G-Laborversuchen und -Testinstallationen von Netzbetreibern und Technologielieferanten erarbeiten Gremien der ITU-R (International Telecommunication Union – Radiocommunication Sector) unter dem Titel IMT-2020 (International Mobile Telecommunications) Anforderungen und Bewertungskriterien für die zukünftige 5G-Mobilfunktechnik. Die ITU-R hat drei Anwendungsszenarien definiert:

  • Enhanced Mobile Broadband (EMBB) zur Steigerung der Netzwerkkapazität und Performance: Mit Hilfe von zwei zentralen Eigenschaften von EMBB soll die potenzielle Nutzung von 5G gefördert werden. Das Ziel ist erstens, die gebäudeinterne Funkabdeckung zu verbessern, etwa in Bürogebäuden, Industrieanlagen und in Einkaufszentren, die heute nur aufwändig und kostspielig mit WLANs und Repeatern erschlossen sind. Zweitens soll eine größere Zahl von Endgeräten mit einem hohen Datenvolumen versorgt werden. So ist beispielsweise hochauflösendes Videostreaming bei vielen Nutzern in einer Zelle auf hohe Bandbreiten pro Nutzer in einer Zelle angewiesen.
  • Massive Machine Type Communication (mMTC) für das Internet of Things: Im Unterschied zu vorherigen Mobilfunkgenerationen, bei denen eine neue Generation die alte ersetzte, sollen bei 5G vorhandene Merkmale der Machine-to-Machine-Kommunikation weiterentwickelt und um neue erweitert werden. Das gilt etwa für das kürzlich eingeführte „Narrow Band IoT“. Darüber hinaus soll 5G es erlauben, eine dichtere und flexiblere Abdeckung zu erzielen und damit die Kosten für IoT-Anwendungen zu senken.
  • Ultra-Reliable and Low-Latency Communication (URLLC) für das IoT: URLLC wird einige wichtige Anwendungsszenarien für IoT in Bereichen wie Smart Manufacturing, der Überwachung von Vitaldaten, der Steuerung von Paketdrohnen oder autonomen Fahrzeugen erschließen. Diese sind auf höchste Verbindungsqualität, Verfügbarkeit und Störfestigkeit (Quality of Service) angewiesen.

Derzeit haben zahlreiche Mobilfunkbetreiber weltweit 5G-Testnetze aufgebaut und sammeln erste Erfahrungen. So hat die Deutsche Telekom Anfang September 2017 auf der IFA in Berlin einen 5G-Test aufgebaut, dessen Technologie vom Netzwerkspezialisten Huawei entwickelt wurde (4). Im Sommer 2017 präsentierte ZTE, ein international führender Anbieter von Lösungen für die Telekommunikationsindustrie sowie für Unternehmens- und Privatkunden im Bereich des mobilen Internets, auf dem Mobile World Congress (MWC) in Shanghai die Einführung eines 5G-Live-Feldtests in Guangdong, China (5). Dieser wird gemeinsam mit China Mobile durchgeführt. Darüber hinaus plant Korea Telecom (KT), die Olympischen Spiele 2018 als Auftakt für 5G zu nutzen (6).

Komplexe Architekturen in Mobilfunknetzen

Die Architekturen von Mobilfunknetzen sind komplex und umfassen eine Vielzahl von Elementen. Dies liegt zum Teil daran, dass die Betreiber meist mehrere Mobilfunkgenerationen parallel betreiben und vielfältige Aspekte des Kernnetzes und des Funkzugangsnetzes (Radio Access Network, RAN) gleichermaßen berücksichtigen müssen. Einer der Schwerpunkte aktueller Tests und 5G-Entwicklungsvorhaben ist Multi-Access Edge Computing (MEC): eine hochverteilte, virtualisierte Architektur, die den Einsatz einer Vielzahl kleiner im Innen- und Außenbereich eingesetzter RANs am „Rand eines Mobilfunknetzes“ verlangt. Die RANs sammeln, aggregieren und verarbeiten Daten und leiten sie weiter.

Red Hat beispielsweise ist Mitglied in der MEC Working Group des European Telecommunications Standards Institute (ETSI). Diese Working Group befasst sich unter anderem mit der Definition von MEC-Anwendungsszenarien und Architekturdetails, die aktuelle Network-Functions-Virtualization-Initiativen (NFV) ergänzen.

Ein zentrales Element in einer MEC-Architektur ist der in ein RAN-Element integrierte Application-Server; er stellt eine Laufzeitumgebung für Applikationen bereit. Ein erstes Architektur-Release befasste sich mit einem Szenario, bei dem der MEC-Server an einer LTE-, einer 3G-Radio-Network-Controller- oder einer Multi-Technologie (3G/LTE)-Station eingesetzt wird; auch WLAN-Implementierungen sind geplant. Das Ziel ist eine gemeinsame Architektur für LTE-U (LTE im unlizenziertem Spektrum), Cloud RANs (C-RAN), Virtual Content Delivery Networks (vCDN), Mobile Video Delivery, 5G- und NFV-Anwendungsszenarien, die einen Weg von LTE zu 5G aufzeigt.

Die MEC-Server-Plattform besteht aus einer Hosting-Infrastruktur – vergleichbar mit einer NFV-Infrastruktur – und einer Applikations-Plattform. Die MEC-Applikations-Platform weist funktional Parallelen mit einem IoT-Gateway oder einer klassischen IT-Applikations-Plattform wie Java EE auf. Vorhanden ist auch ein Virtualization Manager – in Form einer Infrastructure-as-a-Service-Abstraktion (IaaS). Dazu kommen weitere Services wie eine Traffic Offload Function (TOF), Radio Network Information Services (RNIS), Communication Services und ein Service Registry. Dieser Layer abstrahiert die Details der Radio-Network-Elemente.

Bedingt durch standardbasierte, offene Application Programming Interfaces (APIs) sind die MEC-Applikationen portabel. Analog zum NFV-/IaaS-Ansatz definiert MEC dabei eine Art virtualisierte Microservices-Platform-as-a-Service-Umgebung (PaaS) – mit Service Assurance, Scheduling, Lifecycle Management, Security und CI/CD-Tools von Red Hat OpenShift, um MEC-Anwendungen auf oberster Ebene zu ermöglichen. Diese Komponenten und Funktionselemente basieren auf Open-Source-Technologien. Sie spielen eine wesentliche Rolle in einer herstellerübergreifenden, kollaborativen Umgebung, da die Branche bestrebt ist, Standards für NFV und andere Cloud-Native-Technologien der nächsten Generation zu schaffen.

Offene Technologien fördern eine bessere Interoperabilität

Offene Technologien fördern eine bessere Interoperabilität und schnellere Innovation, so dass verschiedene Akteure der Branche die neuesten Entwicklungen leichter und schneller nutzen können und Open-Source-Communities neue Denk- und Lösungsansätze fördern. Sie tragen auch dazu bei, die Herstellerbindung zu verringern und größere Flexibilität zu erlangen.

Ian Hood ist Chief Architect, Global Service Provider bei Red Hat.
Ian Hood ist Chief Architect, Global Service Provider bei Red Hat. (Bild: Red Hat)

Oliver Horn ist Senior Solutions Architect Alliances bei Red Hat.
Oliver Horn ist Senior Solutions Architect Alliances bei Red Hat. (Bild: Red Hat)

Die ETSI-MEC-Architektur sieht drei Management-Layer vor: eine für die Hosting-Infrastruktur, eine für die Applikations-Plattform und eine für Anwendungen und Services. Mit offenen, standardbasierten und hochskalierbaren Open-Source-Lösungen wie OpenStack für die Infrastrukturumgebung und Red Hat JBoss Middleware für die Applikations-Plattform lassen sich die Herausforderungen bewältigen. Red Hat OpenStack Platform bietet eine zuverlässige Cloud-Plattform auf Basis von Red Hat Enterprise Linux. In Kombination mit dem gehärteten OpenStack-Code von Red Hat bietet die Plattform die nötige Flexibilität, um skalierbar zu sein, ohne die Anforderungen an Verfügbarkeit, Leistung oder IT-Sicherheit zu beeinträchtigen. Aktuell konzentriert sich die ETSI Working Group auf die Entwicklung von offenen APIs für Schnittstellen zu Applikationen (7).

Durch die Kombination von ETSI NFV und Elemental Management Systems (EMS) mit APIs wie Traffic Offload Function (TOF), RNIS und einer Zusammenarbeit mit NFV-Applikationsentwicklungs-Tools wie dem Data Plane Development Kit (DPDK), dem Open Compute Project (OCP), Fast Data – Input/Output (FD.IO) und dem IO-Visor-Projekt ist ein guter Ausgangspunkt für den Aufbau eines auf Open-Source-Technologien basierten Telekommunikations-, 5G- und IoT- Ökosystems vorhanden. Der beste Weg, Innovationen voranzutreiben, besteht in der Zusammenarbeit zwischen branchenführenden Unternehmen und den Open-Source-Communities, die gemeinsam die nächste Generation von Mobilfunknetzen und vielfältige 5G-Anwendungsszenarien in nahezu allen Branchen entwickeln.

Über die Autoren

Ian Hood ist Chief Architect, Global Service Provider bei Red Hat; Oliver Horn ist Senior Solutions Architect Alliances bei Red Hat.

Quellen:

Wichtige offene Standards rund um NFV

Über Jahrzehnte hinweg haben Telekommunikationsunternehmen die benötigten Netzwerkfunktionen auf teuren proprietären Systemen implementiert. Die Virtualisierung dieser Funktionen auf Basis von Open-Source- und Cloud-Technologien wie OpenStack ist deutlich kostengünstiger und flexibler als herstellerspezifische Closed-Source-Lösungen. In diesem Umfeld ist eine Reihe von offenen, Open-Source-basierten Standards entstanden, die Innovationen und die Zusammenarbeit von Carriern fördern:

● Das OpenStack-Projekt Tacker basiert auf dem Generic VNF Manager (VNFM) und dem NFV Orchestrator (NFVO); Ziel ist die Implementierung und der Betrieb von Network Services und und Virtual Network Functions (VNFs) auf OpenStack. Weitere Informationen: www.openstack.org

● Open Source Mano ist ein vom European Telecommunications Standards Institute (ETSI) gehostetes Projekt zur Entwicklung eines mit ETSI NFV abgestimmten Open Source NFV Management and Orchestration (MANO) Software Stack. Weitere Informationen: osm.etsi.org

● Das Open-Orchestration-Projekt Open-O bringt Telekommunikationsunternehmen sowie Kabelnetz- und Cloud-Betreiber zusammen, um ein Open-Source-Framework zu entwickeln, mit dem sich virtualisierte Netzwerkfunktionen (NFV) und Software-defined Netzwerke (SDN) orchestrieren lassen. Weitere Informationen: www.open-o.org

● Im Open-Network-Automation-Platform (ONAP)-Projekt führt die Linux Foundation Programmcode aus den Enhanced Control-Orchestration-Management-and-Policy (ECOMP)- und dem Open-O-Projekt zusammen. Ende 2017 will ONAP eine Architektur veröffentlichen, die 5G-, IoT- sowie Cloud-und Applikations-Services unterstützt. Weitere Informationen: www.onap.org

Der Beitrag stammt von unserer Schwesterpublikation Industry of Things.

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