Netzarchitekturen im Wandel Mit Cloud-RAN in die 5G-Zukunft?

Cloud-RAN gilt als zukunftsweisende Architektur für den 5G-Ausbau. Sie verspricht Effizienz, Skalierbarkeit und reduzierte Betriebskosten. Doch der wirtschaftliche Nutzen hängt stark vom Einsatzszenario ab. Der Beitrag beleuchtet Vor- und Nachteile zentralisierter Netzansätze und zeigt, wann sich der Umstieg wirklich lohnt.

Cloud RAN gilt als Schlüsseltechnologie für das 5G-Zeitalter. Verspricht der Ansatz doch Verbesserungen bei Leistung, Kosten und Flexibilität – sowohl für Telekommunikationsanbieter bzw. Netzbetreiber als auch für Kunden. Allerdings sind Cloud-RAN-Architekturen nicht immer die beste Option für den Netzausbau – auch je nach dem, welche Kriterien bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit zu berücksichtigen sind.

Radio Access Networks (RANs) bilden neben den Kernnetzen das Rückgrat eines Mobilfunknetzes. Mit der Einführung von 5G hat sich ihre Rolle deutlich erweitert, um den Anforderungen an hohe Datenraten, niedrige Latenz und Skalierbarkeit gerecht zu werden. Dabei haben sich auch die Architekturen kontinuierlich weiterentwickelt. Heute lassen sich drei wesentliche Architekturtypen unterscheiden:

Distributed RAN (D-RAN)

Die heute noch überwiegend eingesetzte Architektur im Mobilfunkbereich ist das sogenannte Distributed RAN (D-RAN), auch als Decentralized RAN bezeichnet. Dieses Modell basiert auf einer dezentralen Organisation der Netzwerkknoten: Jede Basisstation verfügt über eine eigene Base Band Unit (BBU) und übernimmt alle notwendigen Funktionen – wie Verarbeitung, Steuerung und Weiterleitung der Daten – direkt vor Ort. Es gibt somit keine zentrale Recheneinheit, was die Abhängigkeit von zentralisierten Systemen reduziert und eine gewisse Robustheit im Netzbetrieb gewährleistet.

Die BBUs eines Clusters sind üblicherweise über Router miteinander verbunden und kommunizieren dabei über standardisierte Schnittstellen wie das X2-Interface (bzw. Xn-Interface in reinen 5G-Netzen). Diese Verbindungen ermöglichen eine Koordination zwischen den Zellen, etwa für Handover-Prozesse oder zur Interferenzminimierung, allerdings mit höheren Latenzzeiten im Vergleich zu zentralisierten Ansätzen (vgl. Abbildung 1).

Centralized RAN (C-RAN)

Seit etwa 2014 gibt es auch das Konzept des Centralized RAN, das vereinzelt – vor allem von Samsung – implementiert wurde. Für dieses Modell ist auch die Bezeichnung „Hotelling“ gebräuchlich. Im Wesentlichen werden dabei die Base Band Units (BBU) vom Standort der Basisstation an einen zentralen Ort verlagert und dort in einem Data Center bereitgestellt (vgl. Abbildung 2).

Der Vorteil dieser Anordnung liegt zum einen darin, dass die Signallaufzeiten für den Austausch von Koordinierungsinformationen zwischen den BBUs durch den Wegfall der Zwischenstation (Access Router) vernachlässigbar werden und so eine schnellere und bessere Steuerung der Interferenzminimierung erreicht werden kann. Bei den engen Toleranzen für die Zeitsynchronisation sind die Signallaufzeiten ein wesentlicher Faktor.

Nach Herstellerangaben (Ericsson) kann der Datendurchsatz durch Koordinierung um bis zu 80% gegenüber 30-40% bei D-RAN gesteigert werden. Zum anderen wird Platz an den Zellstandorten eingespart und der Wartungsaufwand reduziert (z.B. müssen weniger Standorte befahren werden). Durch das Pooling von BBUs kann die Auslastung der zentralisierten BBUs optimiert werden, so dass weniger Hardware benötigt wird.

Mit Cloud RAN-Architekturen das volle 5G-Potenzial ausschöpfen

Cloud- bzw. virtual-RAN (v-RAN) stellt eine konsequente Weiterentwicklung des Centralized RAN-Modells dar (vgl. Abbildung 3). Der zentrale Unterschied liegt in der Virtualisierung: Bei v-RAN werden Software und Hardware der BBUs strikt voneinander getrennt. Dadurch können mehrere virtuelle BBUs parallel auf einer gemeinsamen physischen Hardware betrieben werden – vergleichbar mit der Virtualisierung von Servern in modernen Rechenzentren. Diese Trennung eröffnet zusätzliche Skalierungseffekte, verbessert die Auslastung vorhandener Ressourcen und ermöglicht erhebliche Einsparungen bei Platzbedarf, Energieverbrauch und Wartungskosten.

Eines der grundlegenden Merkmale von 5G-Netzarchitekturen ist genau diese explizite Entkopplung von Software und Hardware. Dadurch entstehen neue Freiheitsgrade in der Netzplanung und -optimierung, insbesondere im Hinblick auf Flexibilität, Skalierbarkeit und Automatisierung.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Architektur liegt in der Möglichkeit, Netzfunktionen geografisch zu verteilen: Die klassische BBU wird funktional aufgespalten in eine Central Unit (CU) und eine oder mehrere Distributed Units (DU) (vgl. Abbildung 4). Während die DU in unmittelbarer Nähe zur Funkzelle bleibt und Aufgaben mit strengen Latenzanforderungen übernimmt, wird die CU zentralisiert in Rechenzentren betrieben und steuert übergeordnete Funktionen. Diese flexible Aufteilung erlaubt es, die jeweiligen Ressourcen bedarfsgerecht und standortoptimiert einzusetzen – ein entscheidender Faktor für eine effiziente und leistungsfähige 5G-Netzinfrastruktur.

Nachteile von Cloud RAN-Architekturen

Allerdings bringt die Versorgung von Standorten mit zentralisierten BBUs auch wesentliche Nachteile mit sich: So sind die Kapazitätsanforderungen an die Verbindung zwischen RRU und BBU sehr hoch. Verbleibt die gesamte Steuerungsintelligenz in der BBU, so wird z.B. für 10 Kanäle mit je 20 MHz Bandbreite etwa eine Transportkapazität von 10 Gbit/s benötigt, während die Nutzlast nur ca. 1 Gbit/s beträgt. Die Anzahl der Kanäle kann bei Massive MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) Konfigurationen sogar ein Vielfaches davon betragen. Sind derartig hohe Kapazitäten bei direkter Verbindung am Zellstandort noch zu tragbaren Kosten realisierbar, so ist eine Verbindung über größere Distanzen und damit über Zwischenelemente wie passive Koppler deutlich kostenintensiver.

Der sogenannte „Fronthaul“ stellt somit einen zusätzlichen Kostenfaktor im Vergleich mit der klassischen Struktur dar. Durch die Möglichkeit, die Funktionen zwischen DU und CU aufzuteilen, ergeben sich verschiedene Varianten, die den Kapazitätsbedarf verringern, dabei aber auch die Vorteile des schnellen Austauschs von verarbeiteten Daten, die wichtig für das Scheduling sind, reduzieren. Außerdem befindet wieder mehr Rechenlast am Zellstandort, was dort die Anforderungen an Stromverbrauch, Platz und Kühlung erhöht.

Abbildung 5 zeigt drei Varianten der Arbeitsteilung zwischen DU und CU entlang des Protokollstapels. Vereinfacht ausgedrückt: Je mehr an zentraler Stelle gerechnet wird, desto besser funktioniert die Abstimmung zwischen den Zellen und desto mehr Energie und Platz kann am Zellstandort eingespart werden, aber desto höher ist auch die Last auf der Fronthaul-Verbindung.

Business Case Betrachtung zur Eignung von Cloud RAN-Architekturen

Angesichts der Vor- und Nachteile sollte vor jeder Netzausbauentscheidung genau abgewägt werden, wie ein bestimmtes Gebiet versorgt werden soll, d.h. ob sich eine Zentralisierung rechnet, indem für jedes Gebiet ein Business Case gerechnet wird.

Dabei sollten Folgende Fragen beantwortet werden:

• Wie groß ist die benötigte Leitungskapazität für Front- und Midhaul?

• Welche Funktionsaufteilung zwischen Remote Radio Unit (RRU) und CU/DU wird gewählt? Dies hat Einfluss auf die benötigte Kapazität von Fronthaul und Midhaul.

• Wie hoch sind die Mietkosten für die Glasfaserleitungen und den Platz an den CU/DU Standorten?

• Besteht die Möglichkeit, mehrere Verbindungen zwischen RUs und CU/DU bspw. über Switches zusammenzulegen?

Eine solche eigene oder unabhängige Bewertung der Situation in der Ausbauregion ist sinnvoll, bevor eine Entscheidung für oder gegen Cloud-RAN getroffen wird. Sollte ein Hersteller noch nicht feststehen, ist bereits bei der Auswahl darauf zu achten, dass neben dem Preis auch die Kompetenz kritisch hinterfragt wird und die Rahmenverträge evtl. den Bedürfnissen des Kunden angepasst werden.

Neue Anforderungen durch Open-RAN

Die Kompetenz bei der Auswahl und Steuerung von Hersteller wird in Zukunft an Bedeutung gewinnen, wenn das verwandte Open-RAN aus seinem derzeitigen Nischendasein heraustritt. Das Open-RAN Konzept sieht von vornherein die Separierung von Hardware und Software vor, auch bei einer D-RAN Architektur. Daher werden diejenigen Anbieter im Vorteil sein, die bereits Cloud-RAN Erfahrungen gesammelt haben. Open-RAN bedeutet, dass die Schnittstellen zwischen den einzelnen Elementen wie BBU und RRU offen standardisiert sind, so dass Hard- und Software verschiedener Hersteller miteinander funktionieren. So können verschiedene Softwarehersteller unabhängig von der verwendeten Hardware miteinander am Markt konkurrieren.

Cloud RAN gewinnbringend im 5G-Ausbau einsetzen

Der Erfolg einer Technologie zeigt sich darin, dass sie in großem Umfang eingesetzt wird und Unternehmen damit profitabel wirtschaften können. Damit beides im Falle von 5G wahr wird, muss ein echter Mehrwert für die Kunden und gleichzeitig ein Kostenvorteil für die Anbieter gegenüber der Vorgängertechnologie gegeben sein. Mit Cloud-RAN steht eine Technologie-Variante zur Verfügung, die – sinnvoll eingesetzt – eine spürbare Erhöhung der Netzqualität bei gleichzeitiger Senkung der Investitions- und Betriebskosten im Zugangsnetz ermöglicht, sofern die Prozesse für die Inbetriebnahme und den Rollout so optimiert werden, dass keine unnötigen Kosten entstehen.

Für die Herausforderungen der Herstellerauswahl und -steuerung, der Standortplanung sowie der Prozessoptimierung für Inbetriebnahme und Rollout kann zusätzliche Expertise hilfreich sein, um die neue Technologie Cloud-RAN gewinnbringend im 5G-Ausbau einzusetzen.

Über die Autoren

Heiko Perkuhn hat Elektrotechnik an der RWTH Aachen studiert und ist als Senior Manager bei m3 management consulting für das Fachteam Telko Netze verantwortlich. Durch seine Tätigkeit in zahlreichen Projekten verfügt er über tiefgreifende Expertise in den Bereichen Netzwerkarchitekturen von 5G, LTE, NB-IoT und IMS sowie deren sicherheitsrelevanten Aspekte. Seine fachlichen Schwerpunkte umfassen Cloud-RAN, O-RAN und 5G Campusnetze.

Mathias Hohenberger ist seit 2010 bei m3 management consulting als Manager und Projektleiter tätig. Dort berät er schwerpunktmäßig Kunden aus der Telekommunikationsbranche bei der Einführung von 5G/New Radio, Cloud RAN, SRAN, Indoor System, HW, SW oder Packet Ax im Telco Networks / Mobile Access Technology

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