Definition Was ist Backhaul?

Der Backhaul verbindet in einem hierarchischen Netz vorgelagerte Netzelemente mit dem Kernnetzwerk. Im Bereich Mobilfunk bezeichnet der Backhaul die Anbindung der Basisstationen an das Core-Netz. Die Verbindungen können leitungsbasiert oder drahtlos realisiert sein.

Backhaul ist ein allgemeiner Begriff aus der Netzwerktechnik und nicht auf Mobilfunknetze beschränkt. Unter einem Backhaul versteht man die Anbindung einer am äußeren Rand des Netzwerks befindlichen Netzwerkkomponente an das innere Netzwerk.

Das gesamte Netzwerk ist hierarchisch aufgebaut und kann in Bereiche wie Zugangsnetzwerk und Core-Netzwerk aufgeteilt werden. Mit dem Begriff Backhaul ist keine spezifische Technik definiert. Für die Realisierung eines Backhauls können daher die unterschiedlichsten Übertragungstechnologien zum Einsatz kommen. Es sind sowohl leitungsbasierte als auch drahtlose Verbindungen möglich.

Der Backhaul in einem Mobilfunknetz bezeichnet die Anbindung der in der Fläche verteilten Basisstationen an übergeordnete Netzkomponenten. Dies können abhängig vom Mobilfunkstandard und der eingesetzten Technik Base Station Controller oder andere Komponenten sein. Auch im Mobilfunknetz kommen leitungsbasierte und drahtlose Übertragungstechniken für die Anbindung der Basisstationen zum Einsatz. Üblich sind beispielsweise Backhauls per E1/E3-Verbindungen, Richtfunkstrecken oder Glasfaserleitungen.

Mit den neuen leistungsstarken und breitbandigen Mobilfunkstandards wie UMTS oder LTE sind die Anforderungen an den Backhaul stetig gestiegen. Backhauls müssen heute hohe Übertragungsraten bei möglichst geringen Verzögerungszeiten und Verlustraten bereitstellen. Für die Mobilfunkprovider stellen die vielen Backhaul-Verbindungen einen wesentlichen Kostenfaktor zum Aufbau und Betrieb der Mobilfunknetze dar.

Aufbau und wichtige Komponenten eines Mobilfunknetzes

Um die Backhaul-Verbindung besser einordnen zu können, muss zunächst die Architektur eines Mobilfunknetzes genauer betrachtet werden.

Für die Übertragung von Daten oder Gesprächsinformationen per Handy oder Smartphone stellen Mobilfunknetze eine Vielzahl verschiedener Komponenten und Netzabschnitte bereit. Der Austausch zwischen dem mobilen Endgerät und dem Mobilfunknetz erfolgt drahtlos über eine bestimmte Mobilfunkfrequenz. Die Frequenz ist abhängig von dem genutzten Mobilfunkstandard und dem jeweiligen Provider.

In Deutschland sind aktuell die drei Mobilfunkstandards GSM, UMTS (3G) und LTE (4G) verfügbar. Für LTE kommen beispielsweise Frequenzbereiche von 800, 1.800 und 2.600 Megahertz zum Einsatz. Den äußersten Rand des Mobilfunknetzes bilden die Sendemasten, die Funksignale auf den jeweiligen Frequenzen von den Endgeräten empfangen oder zu diesen senden. Der Sendemast ist mit dem RRH (Remote Radio Head) ausgestattet. Der RRH (Remote Radio Head) ist für den Außeneinsatz geeignet und wetterfest. Er umfasst Sende- und Empfangseinrichtungen, Endverstärker und Spannungsversorgung. Über eine Glasfaserverbindung kommuniziert er mit seiner Basisstation beziehungsweise BBU (Baseband Unit).

Der RRH (Remote Radio Head) wird auch als RRU (Remote Radio Unit) bezeichnet. Der Sendemast mit RRU (Remote Radio Unit) und der BBU (Baseband Unit) können sich unmittelbar nebeneinander befinden oder mehrere Kilometer voneinander entfernt sein. Basisstationen werden bei 4G-Netzen eNode B, bei UMTS Node B und bei GSM BTS genannt. Zum Schutz vor äußeren Einflüsse und für einen sicheren, störungsfreien Betrieb befinden sich die Baseband Units in einem geschützten Technikraum oder -gehäuse.

Die Basisstation ist für die Steuerung der Sende- und Empfangseinheit verantwortlich und setzt das aus dem Kernnetz angelieferte Datensignal in hochfrequente Funksignale (HF-Signale) um, die über den Sendemast ausgestrahlt werden. In Richtung des Kernnetzes sind die Basisstationen an so genannte BSC (Base Station Controller) oder RNC (Radio Network Controller) angeschlossen. Deren Aufgabe ist die Verwaltung und Steuerung aller angeschlossenen Basisstationen und Sendemasten.

Sie sind beispielsweise in der Lage, Endgeräte die sich von einem Sendemast zum anderen bewegen, weiterzureichen, ohne dass es zu Verbindungsabbrüchen kommt. Für die Verbindung der Basisstation mit der nächsten Kontrollstation sind drahtlose oder kabelgebundene Techniken einsetzbar.

Die bisher beschriebenen Komponenten eines Mobilfunknetzes lassen sich zum RAN (Radio Access Network) zusammenfassen. Das RAN (Radio Access Network) sorgt für die Verbindung der drahtlosen Endgeräte wie Smartphones oder Handys mit dem Kernnetz des Mobilfunknetzes. Es besteht aus den Sendemasten, Basisstationen und den Radio Network Controllern (RNC). Grundsätzlich lässt sich das Mobilfunknetz in die beiden Grundelemente RAN (Radio Access Network, Funkzugangsnetz) und Core-Netzwerk (Core Network, CN) unterteilen. Darüber hinaus sind die beiden Netze je nach Technik und Funkstandard in weitere Funktionseinheiten unterteilbar. Der Backhaul bezeichnet die Übertragungsstrecke von den Basisstationen zum Kernnetzwerk.

Für den Backhaul eingesetzte Übertragungstechniken

Der Begriff Backhaul beschreibt keine spezielle Technik, sondern stellt eine funktionale Klassifizierung dar. Daher sind mit dem Backhaul auch keine speziellen Übertragungstechniken verbunden. Es können für die Realisierung einer Backhaul-Anbindung die unterschiedlichsten drahtlosen oder kabelgebundenen Techniken zum Einsatz kommen.

Zu Beginn des Mobilfunkzeitalters waren Backhaul-Verbindungen oft über E1/E3-Verbindungen realisiert. In entlegenen Gegenden ohne Kabelinfrastruktur kamen hingegen Richtfunkstrecken zur Anbindung der Basisstationen zum Einsatz. Durch die neuen leistungsfähigen 3G- und 4G-Mobilfunkstandards sind die Anforderungen an den Backhaul stark gestiegen. Es werden nun Anbindungen mit hohen Bandbreiten benötigt, die sich beispielsweise per Glasfaser realisieren lassen. Mögliche Übertragungstechniken, Übertragungsmedien und Topologien, die für den Backhaul in Frage kommen sind:

• Richtfunk- oder Satellitenverbindungen

• Leitungsverbindungen mit PDH/SDH-, ATM- oder Ethernet-Technik

• Kupferkabel

• Glasfaserkabel

• Mikrowellentechnik

• passive optische Netze (PON) wie 10-Gigabit-Ethernet PONs oder Gigabit-PONs

• TWDM-PONs

• SHDSL.bis und andere xDSL-Techniken

• Punkt-zu-Punkt-Verbindungen

• Ringstrukturen

• Mesh-Strukturen

Herausforderung für die Bereitstellung der Übertragungstechnik für den Backhaul stellen die vielen verschiedenen lokalen Gegebenheiten der Basisstationen dar. Die Basisstationen können auf dem Land an entlegenen Orten ohne informationstechnische Infrastruktur aber auch in Metropolen mit einer riesigen Auswahl verschiedener zur Verfügung stehender Übertragungstechniken installiert sein.

Für die Mobilfunkprovider ist es sinnvoll, dass sie auf eine Vielzahl unterschiedlicher Verbindungstechniken zurückgreifen können, um Basisstationen flexibel an ihr Kernnetz heranzuführen. Durch den ständig steigenden Bandbreitebedarf im Backhaul und den Trend zu immer kleineren Funkzellen zur Erhöhung der Mobilfunkkapazitäten sind für den Backhaul Übertragungstechniken einzusetzen, die möglichst günstig sind aber dennoch hohe Übertragungsraten, niedrige Latenzzeiten und hohe Dienstgüten bereitstellen.

Herausforderungen für den Backhaul von Mobilfunkverkehr in den ländlichen Regionen

In ländlichen Regionen befinden sich die Basisstationen oft an Orten, an denen kaum Infrastruktur für schnelle Datenverbindungen vorhanden ist. Zudem müssen große Entfernungen in schwierigem Gelände zur nächsten übergeordneten Netzkomponente überbrückt werden. Für diese Zwecke existieren Backhaul-Lösungen über drahtlose Verbindungen. Es können Funkverbindungen über Richtfunkstrecken realisiert werden, die 100 Megabit pro Sekunde und mehr bis zum nächsten kabelversorgten Übergabepunkt bereitstellen. Von dort aus lassen sich die Signale über Kupferkabel oder Glasfaser weiter transportieren.

Anforderungen an den Backhaul in LTE-Netzen

Waren in 2G- oder 3G-Netzwerken noch Backhaul-Verbindungen mit relativ niedrigen Bandbreiten ausreichend, steigen die Anforderungen mit dem Ausbau von LTE-Netzen kontinuierlich. LTE-Provider setzen schon heute Techniken ein, die es erlauben, Frequenzbänder aus unterschiedlichen Frequenzbereichen zu bündeln. Dadurch sind Bandbreiten von 500 Megabit pro Sekunde für einzelne Mobilfunkteilnehmer möglich. Theoretisch lassen sich sogar Datenraten von über einem Gigabit pro Sekunde mit LTE realisieren. Selbst in ländlichen Regionen stellen Provider LTE Bandbreiten für Mobilfunkgeräte von 100 bis 150 Megabit pro Sekunde zur Verfügung.

Um die Kapazität des Backhauls zu erhöhen, können mehrere Basisstationen in ringförmigen Strukturen untereinander und mit dem Kernnetz verbunden werden. In Kombination mit statistischem Multiplexen und intelligenten Routingalgorithmen lassen sich an einzelnen Basisstationen die gerade benötigten Bandbreiten zur Verfügung stellen. Gleichzeitig bieten die vermaschten Strukturen bei Leitungsausfällen alternative Wege, um den grundsätzlichen LTE-Service aufrecht zu erhalten. Ring- und Meshstrukturen stellen daher eine gute Lösung für den Backhaul in LTE-Netzen dar.

Viele Netzbetreiber setzen mittlerweile im Backhaul auf Glasfaserverbindungen, die große Übertragungskapazitäten bieten. In Städten und Metropolregionen stehen diese Glasfaserkabel oft günstig zur Verfügung, an abgelegenen Standorten sind Alternativen bereitzustellen wie die Vernetzung per Richtfunkstrecken. In der Regel stellen die Provider für ihren Backhaul Kosten- und Bandbreitberechnungen an. Je nach Bedarf, Kosten und Verfügbarkeit werden die Basisstationen über Funktechnik, Kupferkabel oder Glasfaserkabel an das Core-Netzwerk angeschlossen. Grundsätzlich erfordern Glasfaserkabel höhere Investitionen und größeren Realisierungsaufwand als funkbasierte Techniken. Dafür stellen die Glasfaserkabel höhere Übertragungskapazität zur Verfügung. Letztendlich besteht der Backhaul in einem LTE-Netz aus einem Mix verschiedener Techniken.

5G-Netze und die Anforderungen an den Backhaul

Wie im vorigen Kapitel beschrieben, bestehen schon heute in LTE-Mobilfunknetzen hohe Anforderungen an den Backhaul. Diese Anforderungen werden mit dem nächsten Mobilfunkstandard 5G weiter steigen.

Mit Mobilfunk der fünften Generation werden Datenraten von bis zu zehn Gigabit pro Sekunde je Funkzelle möglich. Gleichzeitig sinken die Latenzzeiten bei der Datenübertragung. Dementsprechend müssen die Backhaul-Verbindungen noch größere Bandbreiten und bessere Übertragungseigenschaften vorweisen. Die Intelligenz im Netzwerk wird sich immer weiter nach außen verlagern und modernere Switching Protokolle in Mesh-Strukturen kommen für den Backhaul zum Einsatz.

Eine Lösung für die Anbindung der Basisstationen kann Dark Fiber darstellen. Dark Fiber steht dem Mobilfunkprovider exklusiv zur Verfügung und stellt die für 5G benötigten Ressourcen bereit. Aufgrund der Vielzahl an zu erwartenden Funkzellen ist eine solche Dark-Fiber-Infrastruktur allerdings erst noch zu etablieren.

Der Trend zu immer kleineren Zellen (Small Cells) stellt ein Hindernis dar. Viele kleine Funkzellen sollen eine hohe Netzabdeckung und Teilnehmerkapazität sichern. Sie erfordern jedoch eine Vielzahl an Glasfaserverbindungen und ein dichtes Glasfasernetz. Viele tausend Basisstationen in Deutschland müssten per Glasfaser erschlossen werden. In ländlichen Regionen teils über große Entfernungen.

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