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Gastkommentar

Anwendungsvielfalt von 5G als Treiber für Open RAN

23. September 2021, 06:00 Uhr   |  Von Reiner Stuhlfauth

Anwendungsvielfalt von 5G als Treiber für Open RAN
© Rohde & Schwarz

Schematische Darstellung der 5G-Infrastruktur. Die hier dargestellten Small Cells entsprechen in etwa den O-RUs bei einer Disaggregation nach dem Open-RAN-Ansatz.

Die technische Evolution Open RAN ermöglicht mit Service-basierter Architektur und Virtualisierung Mobilfunknetze, die mehr Daten übertragen können, kürzere Latenzzeiten bieten und dafür auch noch mit weniger Energie auskommen als ihre Vorgängergenerationen.

Mit der Einführung von 5G fand ein Paradigmenwechsel in der Mobilfunkwelt statt. Ausgangsbasis und Ziel der technischen Evolution ist es, dem Endanwender die drei 5G-Anwendungsfälle Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Massive Machine Type Communication (mMTC) und Ultra-Reliable Low-Latency Communications (uRLLC) mit entsprechender Qualität bereitzustellen. Die 5G-Technik muss dafür möglichst flexibel agieren. Hinzu kommt der allgemeine Trend hin zu universellen Hardwarekomponenten (Commercial Off The Shelf, COTS) in Kombination mit softwarebasierten Algorithmen. Diese Software im Zusammenspiel mit universeller Hardware übernimmt dabei Funktionen, welche bisher in einer dedizierten Hardware integriert waren.

Open RAN ist eine technische Evolution und verfolgt im Mobilfunkbereich die Ziele Offenheit, Flexibilität und Agilität. Umgesetzt wird das mit Mechanismen wie einer Service-basierten Architektur und der Virtualisierung von Funktionen. Die O-RAN-Allianz wurde 2018 gegründet, um die Standardisierung dieser Mechanismen voranzutreiben. Dies beinhaltet beispielsweise neue zusätzliche standardisierte Schnittstellen, die Standardisierung von Funktionen und Aufgaben, aber auch Ausblicke auf relevante Anwendungsfälle.

Für Greenfield-5G- sowie für bestehende Mobilfunknetze

Es gibt bereits erste Beispiele von umgesetzten oder geplanten „Greenfield“-Netzwerken. Dabei handelt es sich um komplette 5G-Mobilfunknetze, die ohne Koexistenz zu schon vorhandenen Mobilfunknetzen älterer Generationen (Legacy-Netzen) bestehen. Aber auch die Erweiterung bestehender Mobilfunknetze bietet Potenzial für Open-RAN-Ideen, gerade zur Umsetzung neuer Anwendungsfälle wie Industrie 4.0, intelligente Verkehrsinfrastruktur, private Netze oder dedizierte Netze mit hohen Kapazitätsanforderungen. Viele Netzbetreiber weltweit testen den Einsatz von Open-RAN-Komponenten in ihren Mobilfunknetzen.

Universelle Komponenten erhalten per Software ihre Funktion

Open RAN steht für die Idee einer dynamisch und flexibel steuerbaren Infrastruktur auf Basis offener Plattformen und Schnittstellen sowie eines breiten Wirtschaftsökosystems an Netzwerkkomponenten. Dabei werden Software und Hardware getrennt voneinander betrachtet. Das Ziel ist dabei, eine universell verwendbare Hardware durch entsprechende Softwareaktualisierung mit der geforderten Funktion auszustatten. Die Komponenten sollen modular und flexibel einsetzbar sein. Schlüsselaspekte wie Virtualisierung, Disaggregierung, also die weitere Aufteilung von Netzwerkkomponenten, sowie die Entkopplung von Hardware und Software zielen auf eine erhöhte Energieeffizienz und kurze Latenzzeiten ab.

Rohde & Schwarz
© Rohde & Schwarz

Reiner Stuhlfauth, Rohde & Schwarz: »Open RAN ist eine technische Evolution im Mobilfunkbereich mit den Zielen Offenheit, Flexibilität und Agilität.«

Standardisierung nimmt erste Formen an

Führende Mobilfunkanbieter treiben die Idee von Open RAN voran und werden dabei unterstützt von einer wachsenden Anzahl von Anbietern der einzelnen Netzwerkkomponenten. Regierungen und Industrieinitiativen fördern ebenfalls die Idee von Open RAN und entsprechender Kooperationen. Die Standardisierung nimmt, getrieben durch die Indus­trieallianz O-RAN, erste Formen an. Rohde & Schwarz beteiligt sich als einer der führenden Anbieter von Mobilfunk-Testsystemen aktiv in der O-RAN-Allianz.

Beispiel Disaggregation von Netzwerkkomponenten

Eine wichtige Entscheidung der O-RAN-Allianz ist die Disaggregierung von Netzwerkkomponenten. So wird die in 3GPP vorgenommene Unterteilung (High Layer Split) der Basisstation in eine Centralized Unit CU mit den höheren Protokollschichten und einer Distributed Unit (DU) mit den unteren Protokollschichten und dem Funkteil um einen Lower Layer Split erweitert.

Dieser Lower Layer Split bedeutet die Disaggregierung der Distribution Unit in eine O-RAN Distribution Unit (O-DU) für die höheren Protokollschichten der Schicht 2 (Sicherungsschicht) und die höheren Bereiche der Schicht 1 (High PHY) und eine O-RAN Radio Unit (O-RU) für den unteren Teil der Schicht 1 (Bitübertragungsschicht) und den Funkteil (Bild). Dazu bedarf es der neuen Schnittstelle „Fronthaul Interface“, welche die Trennung innerhalb der Bitübertragungsschicht zwischen High PHY und Low PHY definiert und als „Split Option 7-2“ bezeichnet wird.

Ziel ist eine Zentralisierung von Funktionen, um die Komplexität der Komponenten zu reduzieren und effizienter zu agieren, sowie eine Dezentralisierung, um die Latenz zu optimieren und Komponenten universell einsetzen zu können. Die zentralisierte O-DU orchestriert die angeschlossenen O-RUs, überträgt und empfängt Nutzerdaten über das Fronthaul Interface und ist für die Scheduling-Kommandos an die O-RU verantwortlich.

Fronthaul Interfaces erfordern zusätzliche Testkriterien

Um die richtige Implementierung dieses Fronthaul Interfaces zu garantieren, sind neue Testkriterien nötig. Wichtig ist für uns als Anbieter von Messtechnik, dass sich das Thema Open-RAN-Messtechnik in existierende Testsysteme integrieren lässt. Mit Open RAN erweitern sich die bestehenden Mobilfunkmessmethoden. Das heißt, die bestehenden Tests müssen nicht durch neue abgelöst werden. Vielmehr werden die Komponententests, Funktests oder das Testen der Luftschnittstelle um neue Messungen und Tests ergänzt. Hinzu kommen Messungen an Kombinationen aus Signalisierung über das Fronthaul Interface gemischt mit der Überprüfung der Luftschnittstelle.

Zusätzliche Anwendungen für Ende-zu-Ende-Tests

Darüber hinaus muss die Interoperabilität nicht nur zwischen einzelnen Netzwerkkomponenten sichergestellt sein, sondern auch die Koexistenz mit vorhandenen Legacy-Netzen. Die verlässliche Systemintegration eines gesamten Netzwerks, das aus modularen, universell einsetzbaren Komponenten besteht, sowie die ausreichende Service-Qualität können durch Ende-zu-Ende-Tests verifiziert werden. Zusätzlich zum klassischen Testen von Hardware- und Softwarekomponenten bietet Open RAN somit auch die Möglichkeit neuer Anwendungen im Testumfeld, in der Systemintegration oder im Bereich der Managed Services.

Größeres Einsatzspektrum der Messtechnik

Zusammengefasst lässt sich Open RAN als eine technische Evolution betrachten, die sicherlich in einem variablen Einsatzspektrum mit unterschiedlichen Implementierungsdetails zum Einsatz kommt. Aus Sicht der Messtechnik stellt Open-RAN-Hersteller wie Rohde & Schwarz vor neue, spannende Herausforderungen, da das Einsatzspektrum der Testsysteme durch Open RAN noch einmal erweitert wird. Rohde & Schwarz unterstützt die technische Evolution mit seiner Expertise in der Messtechnik und aktiver Beteiligung in der O-RAN Alliance.

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