Es ist Zeit für eine neue RAN-Architektur

Anbieter von Mobilfunkinfrastruktur leben derzeit in spannenden und herausfordernden Zeiten. Auf der einen Seite ist die Nachfrage so groß wie nie zuvor. Jede erdenkliche Anwendung wird über kurz oder lang im Mobilfunknetz laufen. Den Möglichkeiten, die die Mobilfunktechnologie der nächsten Generation mit sich bringt, ist keine Grenze gesetzt. Auf der anderen Seite hat die aktuelle RAN-Architektur nicht Schritt gehalten und wird zu einem Hemmnis in Sachen operative Effizienz und Innovation. Es ist Zeit für eine neue RAN-Architektur.

xRAN.org ist ein Konsortium führender Netzwerkbetreiber und RAN-Ausrüstungs-Lieferanten (Radio Access Network) mit dem Ziel, eine modulare Architektur für das zellulare Funkzugangsnetz zu schaffen. Mit dieser Architektur sollen standardisierte Schnittstellen in beide Richtungen entwickelt werden, die eine schnelle Bereitstellung von Services, eine Realisierung der RAN-Software auf COTS-Hardware und Flexibilität bei der Platzierung der Softwarefunktionen je nach Fronthaul-Verfügbarkeit am Rand oder in der Funkzelle möglich machen.

Warum xRAN? Herkömmliche Architekturen von Funkzugangsnetzen sind kaum in der Lage, die heutigen Anforderungen von Mobilfunkbetreibern und Endnutzern zu erfüllen. Die Infrastruktur für die Funkzugangsnetze ist proprietär, teuer zu skalieren, schwierig zu programmieren und schwerfällig, wenn es darum geht, neue Geschäftsanwendung einzuführen, die über Konnektivität hinausgehen. Auf der Nachfrageseite wächst der Datenverkehr exponentiell und wird zunehmend vielfältiger. Der Datenverkehrsmix wird breit gefächert sein – von Sprache, Daten und Video bis hin zu neuen Anwendungen wie Smart Grids, Drohnen und Automobilanwendungen. Jede dieser Klassen setzt spezifische QoS-Erwartungen an das Netz. Auf der Angebotsseite hingegen flacht die verfügbare Spektrums- und Spektraleffizienz ab (d.h. der maximal erreichbare Datendurchsatz pro Hertz an Spektrum). Tatsächlich liegt die Spektraleffizienz von 4G LTE PHY ziemlich nahe (im Bereich von 20 Prozent) am Shannon-Limit. Zudem lassen sich weitere Verbesserungen voraussichtlich nur zu sehr hohen Kosten realisieren und bringen nur begrenzt Vorteile.

Warum jetzt? Um für diese Herausforderungen gewappnet zu sein, müssen künftige Funknetze in zwei Punkten grundsätzlich verändert werden. Erstens müssen Netze engmaschig und optimal aufeinander abgestimmt werden. Da es zweitens keine „Einheitsgröße“ für das Netzwerkstack gibt, müssen sich Netze dynamisch anpassen lassen, um die speziellen Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen zu erfüllen. Sie müssen dynamisch umschalten können zwischen Low-Latency-Konnektivität für Automobilanwendungen, vorhersagbarer Konnektivität mit hohem Datendurchsatz für Video und dauerhaft verlässlicher Konnektivität für Daten etc.

Die heutigen Architekturen für Funkzugangsnetze sind allerdings nicht gerüstet, um eine dichte und anwendungsgetriebene Mobilfunkinfrastruktur unterstützen zu können. Erstens sind die heutigen Netze schwierig zu programmieren. Die Software für den Netzwerkstack ist zudem eng mit proprietärer Hardware verknüpft und lässt sich nur schwer an die Anforderungen neuer Anwendungen anpassen. Da es zweitens nicht möglich sein wird, gleichmäßig verteilte Funkzellen für eine Infrastruktur mit sehr viel höherer Dichte zu realisieren, werden Basisstationen soweit möglich auf ungeordnete Weise errichtet. Eine ungeordnete und dichte Struktur von Mobilfunknetzen lässt sich jedoch nur schwer steuern, da unter anderem sehr unterschiedliche Lasten und unvorhersehbare Störungen zwischen den Zellen auftreten. Zudem ist eine dichte Infrastruktur im Aufbau und Betrieb sehr teuer. Aufgrund der proprietären und vielfältigen Natur der HW- und SW-Plattformen, die bei der Errichtung von Basisstationen zum Einsatz kommen, sind Größenvorteile, die in anderen Netzwerk-Domänen wie etwa Rechenzentren vorhanden gewesen sind, im RAN nicht möglich. Darüber hinaus ist die Anbieter-Interoperabilität sehr gering, was die Wahlmöglichkeiten für Betreiber einschränkt und somit höhere Kosten zur Folge hat.

xRAN.org wurde so ausgelegt, dass diese Herausforderungen bewältigt werden. xRAN.org bietet einen softwarebasierten Ansatz für die RAN-Architektur xRAN, um mobile Netzdienste über Konnektivität hinaus entwickeln zu können.

Mit dieser Initiative schlagen wir vor, die Steuer- und Nutzerebenen im RAN voneinander zu entkoppeln, die Nutzerebene und Software mit offenen Schnittstellen zu standardisieren, Netzintelligenz und Status logisch zu zentralisieren und die zugrundeliegende Netzstruktur von Geschäftsanwendungen loszulösen. Mit der xRAN-Architektur wird ein Referenzsystem für LTE-A mit dem eigentlichen Ziel geschaffen, für 5G die gleiche Architektur festzulegen und aufzubauen, sobald die neue Funkschnittstelle fertiggestellt ist. Im Ergebnis erhalten die Mobilfunkanbieter mit dieser Architektur nie dagewesene Programmiermöglichkeiten für die RAN-Automatisierung und Netzsteuerung und eine Vielzahl von Standardkomponenten für den Aufbau ihre mobilen Zugangsnetze über die gesamte Lieferkette hinweg. Damit können sie hoch skalierbare, flexible Funkzugangsnetze realisieren, die sie schnell an veränderte Geschäfts- und Datenverkehrsanforderungen anpassen können.

xRAN verspricht substanzielle Vorteile für Mobilfunkbetreiber und ihre Netzteilnehmer. Dazu zählen:

• Vielfach höhere Spektraleffizienz durch eine koordinierte Steuerung der Funkressourcen zur Nutzung von Störungen
• Schnelle Innovationen mit der Möglichkeit, neue Funktionen bereitzustellen, ohne einzelne Geräte konfigurieren und auf die Freigaben der Anbieter warten zu müssen
• Wertsteigerung des Carrier-Netzes über reine Konnektivität hinaus durch Anwendung intelligenter Services und Steuerungsmöglichkeiten im Netz
• Enge Ausrichtung auf die Carrier Edge Cloud Infrastruktur, um eine dynamische Orchestrierung der Rechen- und Speicherleistung im Mobilfunknetz zu ermöglichen
• Und schließlich: Optimiertes Endnutzer-Erlebnis, da Anwendungen die zentrale Steuerung nutzen, um das Netzverhalten nahtlos an die Anforderungen der Nutzer anzupassen.

Über den Autor:
Sachin Katti ist Professor an der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik der Universität Stanford. Er unterstützt die Leitung des xRAN-Konsortiums bei der Entwicklung künftiger RAN-Architekturen und Referenzimplementierungen. Sachin ist Gründer von Kumu Networks, ein ausgegründetes Unternehmen, das seine Forschungsergebnisse im Bereich Vollduplexfunk vermarktet.