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Mobilfunk

Open RAN – neue Spielregeln für den Mobilfunk

Open RAN will künftig mit interoperablen Schnittstellen eine Modularisierung des RANs ermöglichen
© Radachynskyi Serhii | Shutterstock

Die Schnittstelle zwischen Mobilfunk-Endgeräten und dem Funkzugangsnetz ist offen standardisiert. Dagegen sind die Schnittstellen der Komponenten des Funkzugangsnetzes weitgehend proprietär. Open RAN will künftig mit interoperablen Schnittstellen eine Modularisierung des RANs ermöglichen.

Wer ein Mobilfunknetz auf- oder ausbauen wollte, war in den vergangenen Jahren – nach einer Phase der Konsolidierung des Marktes für Mobilinfrastruktur – weitestgehend auf eine Handvoll Anbieter beschränkt. Laut Dell‘Oro Group teilten 2021 vier Ausrüster 71 % des Marktes unter sich auf [1]. Aus verschiedenen Gründen und Perspektiven wird angestrebt, mehr Offenheit in den Bereich des Funkzugangsnetzes (RAN, Radio Access Network) zu bringen. Wichtige Stichworte sind dabei die Erhöhung der Flexibilität und technischen Souveränität bei der Evolution der Funkzugangsnetze.

Bisherige und zukünftige Mobilfunknetze wie 5G und 6G sind durch das 3rd Generation Partnership Project (3GPP), einem internationalen Zusammenschluss öffentlicher Gremien, Hersteller und Netzbetreiber, standardisiert und frei zugänglich dokumentiert. Dabei sind jedoch insbesondere die internen Schnittstellen im Funkzugangsnetz ausgenommen, was weitestgehend proprietäre Realisierungen der RAN-internen Schnittstellen zur Folge hat. Damit ist es bislang nur unter erheblichem Aufwand möglich, die Komponenten verschiedener Hersteller an dieser Stelle zu einem Gesamtnetz zusammenzufügen. Entsprechend langfristig ist die Bindung von Mobilfunknetzbetreibern an einzelne Hersteller, die sich aufgrund der vor allem im laufenden Betrieb hochkomplexen Migration auch mit jedem Umstieg auf eine neue Generation kaum kosteneffizient auflösen lässt. Für potenzielle neue Ausrüster ergeben sich derweil erhebliche Markteintrittsbarrieren, da die Entwicklung der notwendigen vollständig integrierten Ende-zu-Ende-Systeme mit signifikanten Aufwänden verbunden ist.

Ziel: Multi-Vendor RAN

Laut einer Studie der GSMA [2] entfallen ca. 50 % der Gesamtkosten (Total Cost of Ownership, TCO) des Mobilfunknetzes auf das RAN, wobei sich dieser Anteil bei 5G um bis zu 65 % steigern könnte. Das Einbringen neuer, offener Schnittstellen an dieser Stelle ist entsprechend eins der Kernziele des von Mobilfunknetzbetreibern verfolgten Open-RAN-Konzepts. So soll eine freie Wahl der Ausrüster für sämtliche Komponenten des Mobilfunknetzes – ein sogenanntes Multi-Vendor RAN – ermöglicht und somit der kostspielige und riskante Vendor Lock-in vermieden werden. Durch den Einsatz von Virtualisierung wird zudem, dem Konzept der Network Function Virtualization (NFV) folgend, eine Auftrennung in Hard- und Software angestrebt. Damit will Open RAN den Einsatz von seriengefertigten Produkten (Commercial Off-The-Shelf, COTS) wie Standard-Servern ermöglichen, auf denen zuweilen Cloud-basierte Software die jeweiligen Funktionen des RAN abbilden (Bild 1).

Klassische, fest integrierte Mobilfunkkonzepte im Vergleich zu offenen Multi-Vendor-Open-RAN-Netzen
Bild 1. Klassische, fest integrierte Mobilfunkkonzepte im Vergleich zu offenen Multi-Vendor-Open-RAN-Netzen.
© TU Dortmund

Durch diese Entkopplung und das Aufbrechen bislang fest integrierter Komponenten in modulare Bestandteile erhoffen sich Mobilfunknetzbetreiber eine reduzierte Abhängigkeit von einzelnen Netzwerkausrüstern und Techniken (Disaggregation und Anbieterdiversifikation). Zudem wird eine höhere Transparenz des Mobilfunksystems – Aufbruch klassischer »Black Boxes« – und die Möglichkeit, Mobilfunknetze schneller und flexibler an die jeweiligen Erfordernisse verschiedenster Einsatzzwecke bzw. bereits vorhandener Infrastrukturen anpassen zu können, angestrebt.

Zeitgleich sollen so die Markteintrittsschwellen gesenkt werden, da nun einzelne Funktionen von verschiedenen Anbietern bereitgestellt werden können. Dies erlaubt wiederum eine Auswahl anhand der jeweils optimalen Leistungsmerkmale, was seinerseits die Lieferkette auf breitere Füße stellt und so die Sicherheit erhöht. Neben internationalen Großkonzernen wie Microsoft könnten so auch Start-ups sowie die Forschungslandschaft von dieser Entwicklung profitieren. Das entstehende Wirtschaftsökosystem verspricht damit eine Stimulierung des Wettbewerbs, indem es etablierte Anbieter unter Zugzwang setzt, was neben der von den Mobilfunknetzbetreibern angestrebten Kostenersparnis auch beschleunigte Innovationszyklen und damit schnellere Marktreife neuer Techniken bieten soll.

Disaggregation stellt neue Herausforderungen

Demgegenüber stehen signifikante Herausforderungen, die sich insbesondere in der Gewährleistung einer nahtlosen Interoperabilität aller beteiligten Systemkomponenten und Hersteller spiegelt. Dabei resultiert die Disaggregation des klassischen Mobilfunkmodells in der Notwendigkeit zentral organisierter Interoperabilitätstests. Ebenso ist die Frage zu beantworten, wer in einer Kette vieler unterschiedlicher Hersteller die Verantwortung für Ende-zu-Ende-Leistungsmerkmale bezüglich Dienstgütegarantien (Quality of Service, QoS) und Nutzererfahrung (Quality of Experience, OoE) trägt. Auch ist zu klären, wie eine effiziente Identifikation von Systemfehlern im Störungsfall gewährleistet werden kann.

Zur Lösung dieser Herausforderung wird eine gemeinsame Grundlage benötigt, die den einzelnen Ausrüstern die Chance eröffnet, sich auf spezifische Innovationen bzw. Alleinstellungsmerkmale zu fokussieren. Dabei steht die Interoperabilität der einzelnen RAN-Komponenten sowie deren Plug&Play-Fähigkeit durch Zero-Touch Provisioning bzw. Automatisierung mittels künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen im Vordergrund.

O-RAN Alliance

Entsprechend wurde im Februar 2018 die O-RAN Alliance auf dem Mobile World Congress in Barcelona ins Leben gerufen. Das erste Treffen der zehn technischen Arbeitsgruppen (Bild 2) fand noch im September desselben Jahres statt.

 

Struktur und Arbeitsgruppen der O-RAN Alliance
Bild 2. Struktur und Arbeitsgruppen der O-RAN Alliance
© TU Dortmund

Seitdem ist das Konsortium auf 29 Mobilfunkbetreiber, 265 Unternehmen, Forschungsinstitute sowie Universitäten von allen Kontinenten angewachsen. Im Mittelpunkt der Initiative steht zunächst die Standardisierung offener interoperabler Schnittstellen für 5G in Ergänzung zum 3GPP, die Definition von Tests sowie die Organisation von Plugfests, um eine umfassende Interoperabilität zu ermöglichen. Damit wird die OpenRAN-Initiative des Telecom Infra Project (TIP) ergänzt, die sich unabhängig von der Mobilfunkgeneration primär auf die Förderung des Open-RAN-Konzepts sowie darauf basierender Netze fokussiert und seinerseits auf die Standards der O-RAN Alliance verweist. Um die notwendigen Rahmenbedingungen durch die Entwicklung quelloffener Software (inkl. API) sowie Referenzdesigns auf Basis des O-RAN-Standards zu schaffen, wurde zudem die O-RAN Software Community mit Unterstützung der Linux Foundation gegründet.

In diesem Kontext bilden die Spezifikationen des 3GPP den Rahmen, der jedoch im Bereich des RAN die notwendigen offenen Schnittstellen ausklammert, wodurch eine herstellerübergreifende Interoperabilität mindestens erschwert wird. Bestehende Mobilfunkarchitekturen lassen sich dabei grob in das Kernnetz und das über Glasfaser (Backhaul) angebundene Funkzugangsnetz (RAN) mit seinen Basisstationen aufteilen.

Letztere umfassen typischerweise Antennen und abgesetzte Funkeinheiten (RRU, Remote Radio Unit) zur größtenteils analogen Verarbeitung des Sende- und Empfangssignals sowie Basisbandeinheiten (BBU, Baseband Units) für die digitale Datenverarbeitung. Die Verbindung zwischen RRU und BBU wird allgemein als Fronthaul bezeichnet und erfolgt via Glasfaser über das Common Public Radio Interface (CPRI). Diese Schnittstelle ist herstellerspezifisch und erzwingt entsprechend eine einheitliche Selektion der Komponenten. An die Stelle des herstellerspezifischen CPRI tritt bei O-RAN nun der offene Open Fronthaul bzw. eCPRI, das auf Ethernet aufsetzt und eine getrennte Auswahl von Hochfrequenz- und Signaltechnik ermöglicht (Bild 1).


  1. Open RAN – neue Spielregeln für den Mobilfunk
  2. O-RAN: neue Schnittstellen, Komponenten, Betriebssysteme