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Die Transformation proprietärer Basisstationen in flexible Systeme vRANs als Schlüssel­kom­po­nen­ten auf dem Weg zu 5G

Autor / Redakteur: Timo Jokiaho / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

vRANs (Virtual Radio Access Networks) zählen zu den zentralen Projekten in der Mobilfunkbranche. Sie unterstützen die Konzeption und Umsetzung herstellerunabhängiger Lösungen und werden sowohl in 4G-LTE-Netzen als auch in 5G-Mobilfunknetzen eine zunehmend wichtige Rolle spielen.

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Timo Jokiaho, Principal Technologist bei Red Hat, erläutert die Wichtigkeit von Virtual Radio Access Networks für 5G.
Timo Jokiaho, Principal Technologist bei Red Hat, erläutert die Wichtigkeit von Virtual Radio Access Networks für 5G.
(Bild: Red Hat)

Radio Access Networks (RANs) sind ein kritischer Bestandteil von Mobilfunkinfrastrukturen mit einer direkten Auswirkung auf die Customer Experience. Sie umfassen Antennen, Basisstationen und Controller und sind ein kostenintensives Element in einem Mobilfunknetz. Auch erfordern sie spezielle Hard- und Software, die überdies eine hohe Komplexität hinsichtlich Upgrades und Skalierungen aufweisen können.

Virtual Radio Access Networks (vRANs) sind die nächste Stufe der Netzwerk-Virtualisierung. Sie bieten eine Alternative zu proprietären Radio Access Networks und ermöglichen Mobilfunknetzbetreibern eine Reduzierung von Capex und Opex bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit und Performance. Außerdem stellen sie einen neuen Use Case für Edge-Rechenzentren in Mobilfunkinfrastrukturen dar.

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Ein vRAN baut auf der Network Functions Virtualization (NFV) auf, in der virtualisierte Umgebungen auf einer Standard-Hardware laufen und nicht auf einem speziellen Equipment mit proprietärer Software. Ein vRAN kann damit herstellerspezifische Basisstationen in flexible und kosteneffiziente Systeme transformieren.

Betreiber von Mobilfunknetzen können Funktionen der Base Band Unit (BBU) damit entweder durch den Einsatz von virtuellen Maschinen (VMs) oder auch durch die Nutzung von Containern auf Standardservern in einem Edge-Rechenzentrum steuern. In dieser Software-basierten Architektur werden einige Funktionen von Basisstationen also auf Server im Edge-Rechenzentrum verlagert. Eine solche Disaggregation der Basisstation wird Function Split oder Functional Split genannt.

Kommerzielle vRAN-Implementierungen

Ein zentraler Vorteil der Virtualisierung sind die einfacheren Software-Upgrades. In einer Hardware-basierten Umgebung müssen Betreiber von Mobilfunknetzen jede Basisstation individuell mit neuer Software ausstatten, während sich bei vRANs viele Funktionen in VMs oder Containern befinden, die auf Servern im Edge-Rechenzentrum laufen. Dadurch können Software-Updates zentral und automatisiert durchgeführt werden. Der Administrationsaufwand und die Fehleranfälligkeit werden so deutlich reduziert, da manuelle Tätigkeiten kaum beziehungsweise nicht erforderlich sind.

Allerdings ist vRAN ein herausfordernder Use Case, da die technischen Anforderungen an die drahtlose Signalgebung komplex sind, etwa in puncto Echtzeitverarbeitung und Latenz – und dies hat direkte Auswirkungen auf das Anwendererlebnis. In den letzten 12 bis 18 Monaten haben Service-Provider zahlreiche Proof of Concepts (PoCs) sowie Labor- und Feldversuche durchgeführt und erste vRANs gehen in 4G-LTE-Netzen derzeit in Betrieb.

Es ist davon auszugehen, dass künftig verstärkt kommerzielle Implementierungen von vRANs erfolgen, ebenso wie Functional Splits von 4G-LTE-Basisstationen, bei denen die Betreiber Funktionen der BBU in Edge-Rechenzentren migrieren und virtualisierte BBUs (vBBUs) nutzen.

Mit der zentralen Rechenleistung eines Edge-Rechenzentrums und Funktionspooling werden erhebliche Effizienzsteigerungen möglich. Die Betreiber von Mobilfunknetzen profitieren von Capex- und Opex-Einsparungen, reduzierten Support- und Wartungskosten, einer größeren operativen Effizienz sowie einem verbesserten Performance-Management. Die erhöhte Rechenleistung der zentral zusammengefassten BBUs ermöglicht auch die Nutzung fortschrittlicher Interferenzkontrolltechniken wie Enhanced Inter-Cell Interference Coordination (eICIC).

Von 4G zu 5G

Virtual Radio Access Networks sind ein wichtiger Disaggregations-Use-Case in der Telekommunikationsbranche, da sie Betreibern die Nutzung von Technologien unterschiedlicher Hersteller ihrer Wahl ermöglichen. Voraussetzungen dafür sind die Standardisierung und die Definition von Schnittstellen zwischen Komponenten.

Der Standardisierungsprozess ist in vollem Gange. Gegenwärtig existieren verschiedene Ansätze, um die Funktionalität der Basisstationen zwischen dem Antennenstandort und Edge-Rechenzentren aufzuteilen. Dies gilt sowohl für das Split-Modell der 4G-LTE-Basisstation (eNodeB) als auch für das 5G New Radio (gNodeB, 5G-Basistationen) zwischen Distributed Units (DUs) und Centralized Units (CUs).

Während in 4G-LTE-Netzen lediglich eine Aufteilung in RANs und Edge-Rechenzentren vorgesehen ist, wird es bei 5G eine dreigliedrige Hierarchie mit Basisstationen, DUs und CUs geben, weil in 5G-Netzen deutlich mehr Basisstationen vorhanden sein müssen. Die DUs sind als Distributed-Cloud-Lösung mit einem geringen Platzbedarf konzipiert und sollen Aufgaben wie Realtime-Verarbeitung mit Unterstützung des Precision Time Protocol (PTP) und Hardwarebeschleunigung mit Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) und Smart Network Interface Cards (Smart NICs) übernehmen.

Was kommt als Nächstes?

Die Einführung von 5G bedeutet sowohl für Mobilfunkbetreiber als auch für Endverbraucher eine große Veränderung. 5G ermöglicht eine effektivere und effizientere Bereitstellung innovativer Dienste für die Verbraucher mit Datengeschwindigkeiten, die mit extrem niedrigen Latenzen hundertmal schneller sein können als in 4G-Netzen. Für die Betreiber allerdings erfordert 5G den Aufbau einer neuen, leistungsstarken Netzwerkinfrastruktur.

5G steht nicht nur für ein schnelleres Mobilfunknetz, sondern ist auch die Basis für zahlreiche neue Applikationen und Services. Die zugrundliegende Architektur, die eine Konnektivität mit sehr niedrigen Latenzzeiten unterstützt, ermöglicht erst die vollständige Ausschöpfung des Potenzials von Edge Computing, Internet of Things, personalisierten Robotern sowie Augmented-Reality (AR)- und Virtual-Reality (VR)-Services. Unternehmen können die Vorteile dieser Technologien in einer breiten Vielfalt unterschiedlicher Anwendungsszenarien nutzen, von Drohnen über die Gesichtserkennung bis zur Telemedizin. Wie bei Edge-Rechenzentren werden DUs und CUs in 5G-Netzwerken wichtige Funktionen für diese innovativen Dienste und Anwendungen unterstützen. Nicht zuletzt werden auch verstärkt private 5G-Netze eingerichtet werden.

Generell wird Network Slicing eine Vielzahl von Workloads ermöglichen; vRANs sind dann ein Workload unter vielen anderen. Etliche Service-Provider prüfen auch die Containerisierung ihrer Umgebung unter Verwendung einer Kubernetes-Plattform zur Erhöhung der Agilität. Ein Microservices-Ansatz mit Containern kann Agilität und Flexibilität freisetzen und Entwicklern helfen, Cloud-native Anwendungen zu entwickeln, die von der zugrundeliegenden Hardware abstrahiert werden, damit sie nahtlos in einer hybriden Umgebung ausgeführt und skaliert werden können. Einige Mobilfunkanbieter betreiben bereits kommerzielle 5G-Umgebungen, zunächst auf lokaler Ebene, wobei Erweiterungen und neue Projekte erwartet werden.

Timo Jokiaho.
Timo Jokiaho.
(Bild: Red Hat)

Offene und horizontale Telekommunikations-Clouds

Für den Aufbau von vRANs stehen Mobilfunkbetreibern zwei Architekturvarianten zur Verfügung: offene horizontale Plattformen oder vertikal integrierte Lösungen. Die von Red Hat gesponserte Untersuchung „Economic Advantages of Virtualizing the RAN in Mobile Operators' Infrastructures“ von ACG Research hat ergeben, dass horizontal integrierte Telekommunikations-Clouds eine 30 Prozent niedrigere Total Cost of Ownership (TCO) ermöglichen als silobasierte Implementierungen in 4G-Netzen. Die Studie hat auch gezeigt, dass zentralisierte vRAN-Deployments eine 44 Prozent niedrigere TCO aufweisen als herkömmliche dedizierte RAN-Strukturen. Da 5G auf virtualisierten, Cloud-nativen verteilten Infrastrukturen mit containerisierten Netzwerkanwendungen und modularen Microservices basiert, erkennt die Branche zunehmend den Wert eines offenen horizontalen Cloud-Ansatzes.

Über den Autor

Timo Jokiaho ist Principal Technologist EMEA Telco Technology Office bei Red Hat.

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