Die Herausforderungen beim Erreichen der Key Performance Indicators für 5G: 5G-Backhaul

Es gibt Myriaden von erweiterten Protokollen, Funktechnologien und Infrastrukturoptimierungen, die genutzt werden, um die durch den IMT-2020-Standard festgelegten Key Performance Indicators (KPIs) zu erreichen. Dieser Artikel befasst sich mit dem 5G-Backhaul und wie die Anforderungen in Bezug auf Latenz und Durchsatz mithilfe spezifischer gNB-Typen und Backhaul-Technologien erfüllt werden können.

Worum geht es bei 5G?

Grundsätzlich geht es bei 5G um die Bereitstellung einer anscheinend nahtlosen Konnektivität für Benutzer trotz der offensichtlichen Hindernisse. Die Art dieser Hindernisse ist vom Szenario abhängig. In einer städtischen Umgebung kann es sich beispielsweise um Engpässe und Störungen innerhalb des genutzten Spektrums handeln. In einer ländlichen Umgebung kann es sich um einen allgemeinen Mangel an Zugriffsmöglichkeiten handeln, da die lokale Basisstation nicht erreicht werden kann. Ein weiterer Grund können langsame Verbindungen aufgrund des Streamens datenintensiver Anwendungen wie HD-Videos oder der Nutzung von Augmented/Virtual Reality (AR/VR)-Anwendungen, autonomer Fahrzeuge oder des taktilen Internets (TI) sein. Ein weiterer Anwendungsfall kann eine industrielle Anwendung sein, die versucht, Daten aus Tausenden von Sensorknoten abzurufen, um Maschinen reibungslos nachzuverfolgen/zu überwachen.

All diese Szenarien basieren auf spezifischen Designüberlegungen in Bezug auf die Architektur der Basisstation, den Backhaul und die Spektrumnutzung. Daher stehen im Zentrum vieler der Designparameter und Standards, die bisher veröffentlicht wurden, die wesentlichen Leistungsindikatoren (Key Performance Indicators, KPIs) für 5G. Die KPIs stellen die nominellen und oberen Grenzen für die verschiedenen 5G-Anwendungsfälle dar. Die Anwendungsfälle werden in der Regel wie folgt definiert:

• •  Verbessertes Mobilfunk-Breitband (Enhanced Mobile Broadband, eMBB)
• •  Ultra-zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (Ultra-Reliable Low Latency Communications, uRLLC)
• •  Massive Maschinentyp-Kommunikation (Massive Type Communications, mMTC)

Unter den verschiedenen Streaming-Arten (z. B. Audio, Web-Browsing, Social Media, Software-Downloads usw.) wird das Video-Streaming bis 2024 voraussichtlich einen Anteil von 74 Prozent am Mobildatenverkehr erreichen.^[1] Darüber hinaus werden den Prognosen zufolge bis 2023 70 Prozent der Weltbevölkerung über mobile Konnektivität verfügen und die Zahl der vernetzten Geräte wird beinahe 30 Milliarden erreichen – mehr als 60 Prozent über der Zahl für das Jahr 2018.^[2] Daher steht die Erfüllung des Bedarfs für hohe Datenraten trotz hoher Kapazitätsauslastung im Zentrum des eMBB-Szenarios.

Auf der anderen Seite erfordert der mMTC-Anwendungsfall, d. h. die gleichzeitige Verbindung von Milliarden von Geräten, die in der Regel keine großen Datenmengen übertragen/empfangen, verhältnismäßig niedrige Durchsätze. Der Grund hierfür ist die starke Zunahme bei verbundenen Internet of Things (IoT)-Geräten. Bis 2030 werden voraussichtlich 50 Milliarden Geräte IoT-kompatibel sein.^[3] Wie der Name bereits sagt, erfordern uRLLC-Szenarien eine zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz. Dies gilt beispielsweise für medizinische und Wearable-Anwendungen, missionskritische (militärische) Anwendungen, Anwendungen im Bereich der öffentlichen Sicherheit oder Anwendungen im Bereich Fabrikautomatisierung, in denen Kommunikationsverzögerungen oder -ausfälle zu Produktionsausfällen, Schäden an der Ausrüstung oder Todesfällen führen kann.

Erfüllung der Key Performance Indicators

Der IMT-2020 (International Mobile Telecommunications-2020)-Standard normiert die Anforderungen an 5G-Netzwerke und wurde 2015 von der ITU (International Telecommunication Union) veröffentlicht. Es handelt sich jedoch um ein Gemeinschaftsprojekt der ITU und anderer großer Standardorganisationen für Mobilfunknetzwerke im 3GPP (3rd generation Partnership Project, 3GPP). Im Juli 2020 kam die ITU zu dem Schluss, dass der 5G-Standard des 3GPP (in den Versionen 15 und 16) die Anforderungen für Phase 1 und Phase 2 für das 5G-Mobilfunknetz erfüllt. Damit erfüllt der Standard die technologischen Anforderungen des IMT-2020-Standards.^[4] Die allgemeinen KPIs von 5G gemäß IMT-2020 werden in Abbildung 1 gezeigt.

Abbildung 1: 5G-Anforderungen. 

Es gibt eine Reihe von technologischen Verbesserungen und Meilensteinen, die entwickelt wurden, um die KPIs für 5G zu erfüllen. Abbildung 2 führt einige der 3GPP-Verbesserungen auf und beschreibt, wie die verschiedenen Funk- und Systemaspekte helfen, die Anforderungen aller Branchen und der drei wichtigsten Anwendungsfälle zu erfüllen.

Abbildung 2: Integration von Branchen in 3GPP Rel-16.^[4] [Bildquelle: ITU]

Wichtige unterstützende Technologien für 5G

Es gibt einige wichtige technologische „Säulen“, die die 5G-KPIs in verschiedenen Anwendungsfällen unterstützen, darunter Massive MIMO und die Nutzung des Millimeterwellen-Spektrums. Darüber hinaus stellt die Ergänzung der vorhandenen 4G-Infrastruktur durch die neuen 5G-Funktechnologien (New Radio (NR)-Technologien) in nicht eigenständigen (Non-Standalone, NSA) 5G-Netzwerken eine kritische Vorbedingung dar, um letzten Endes eine echte 5G-Konnektivität zu erhalten. Die detaillierte Beschreibung dieser Technologien und ihrer Implementierung innerhalb der 5G-Infrastruktur geht über das Ziel dieses Artikels hinaus. Die Verbindung der verschiedenen gNB-Typen in 5G-Netzwerken mit dem 5G Core (5GC)-Netzwerk stellt jedoch eine bedeutende Herausforderung dar, wenn es um die Erfüllung der Anforderungen in Bezug auf Durchsatz, Latenz und Spektrumeffizienz geht. An dieser Stelle spielt die 5G-Backhaul-Architektur eine zentrale Rolle. Der Typ der Backhaul-Struktur ist von einer Reihe von Parametern abhängig. Abbildung 3 zeigt einige grundsätzliche Bereiche, die von der 5G Infrastructure Public Private Partnership (5G-PPP) für die Qualifizierung grundsätzlicher KPIs zur Kategorisierung ihrer sechs wesentlichen Anwendungsfälle verwendet werden (d. h. dicht bebaute städtische Umgebungen, Breitband, verbundene Fahrzeuge, intelligente Büros, IoT, TI).^[5]

Abbildung 3: Parameter für verschiedene 5G-Anwendungsfälle.^[5] 

Grundlage des 5G-Backhaul: die funktionelle Aufteilung

Die 3GPP-Architektur für das Funkzugriffsnetzwerk der nächsten Generation (Next Generation Radio Access Network, NG-RAN) ist eine disaggregierte Netzwerktopologie, in der die Funktionalität einer 5G-NR-Basisstation (gNB) in eine Zentraleinheit (Centralized Unit, CU) und eine oder mehrere verteilte Einheiten (Distributed Units, DUs) aufgeteilt wird. Zusätzlich kann es eine getrennte Funkeinheit (Radio Unit, RU) geben.

In der Regel verarbeitet die CU Protokolle, die nicht in Echtzeit erstellt werden, während die DUs Protokolle auf PHY-Ebene und Echtzeitservices verarbeiten, um die Anforderungen spezifischer Anwendungen in Bezug auf eine niedrige Latenz zu erfüllen. Die Bereitstellungsszenarien sind vom Typ der Basisstation und vom Betreiber des Mobilfunknetzwerks (Mobile Network Operator, MNO) abhängig. Jeder dieser Anwendungsfälle unterscheidet sich in Bezug auf das Fronthaul-, Midhaul- und Backhaul-Netzwerk. Tabelle 1 listet die verschiedenen Topologien der RAN-Bereitstellungszenarien auf. Die Verwendung eines Fronthaul- oder Midhaul-Netzwerks ist jeweils vom Typ der Bereitstellung abhängig. Ein Hotspot oder eine kleine Zelle könnte beispielsweise eine integrierte RU, DU und CU verwenden. In diesem Fall gäbe es kein Fronthaul- oder Midhaul-Netzwerk, sondern lediglich einen Backhaul zum 5GC.

Tabelle 1: RAN-Bereitstellungsszenarien 

Wie in Abbildung 4 gezeigt, kann es sich bei der funktionellen Aufteilung innerhalb der gNB um eine Aufteilung auf niedriger Ebene (Low Layer Split, LLS) oder um eine Aufteilung auf hoher Ebene (High Layer Split, HLS) innerhalb des Open Systems Interconnection (OSI)-Modells handeln. (Dieses Modell zeigt die funktionellen Ebenen innerhalb eines Netzwerksystems.) Eine HLS-Aufteilung ermöglicht im Allgemeinen eine Kommunikation mit einer niedrigeren Latenz und einem höheren Durchsatz als eine LLS-Aufteilung. Eine PHY-interne Aufteilung bzw. eine funktionelle Aufteilung auf der physischen Ebene bietet die folgenden Vorteile: Unterstützung von NR-Funktionen als Carrier Aggregation (CA), Mehrfacheingabe-Mehrfachausgabe (Multiple Input Multiple Output, MIMO) für das Netzwerk sowie Mehrpunkt-Koordination (Coordinated Multipoint, CoMP) und Dual-Konnektivität (Dual-Connectivity, DC). Herkömmlicherweise wird das CPRI-Protokoll für die Unterstützung der Kommunikation zwischen der Basisband-Einheit (Baseband Unit, BBU) und dem Remotefunkkopf (Remote Radio Head, RRH) verwendet. Da das CPRI-Protokoll jedoch nicht für gNBs geeignet ist, die eine PHY-interne Aufteilung verwenden, wurde das verbesserte CPRI-Protokoll (enhanced CPRI, eCPRI) als Standard festgelegt, um die funktionelle Aufteilung für den Fronthaul (die Kommunikation zwischen RU und DU) zu unterstützen.

Abbildung 4: Aufteilungspunkte zwischen CU- und DU-Funktionen mit (a) Aufteilung auf hoher Ebene, (b) Aufteilung auf niedriger Ebene und (c) kaskadierter Aufteilung.^[6]. [Bildquelle: ITU]

Diese funktionellen Aufteilungen auf der physischen Ebene erfordern eine Koordination durch die höheren Ebenen. Daher sind die Latenzanforderungen sehr streng. 3GPP legt beispielsweise den Grenzwert für den Time Alignment Error (TAE) bzw. den größten zeitlichen Unterschied zwischen zwei NR-Signalen für eine spezifische Konfiguration/einen spezifischen Übertragungsmodus im Bereich von hundert Nanosekunden für die betreffenden NR-Signale fest, da die Frames dieser Signale in der Funkdomäne zeitlich nicht perfekt übereinstimmen.^[7] Dies erfordert einen hohen Grad an Synchronisierung, da die maximale Frame-Verzögerung in einer Kommunikationsrichtung einen so geringen Wert wie 25 µs (uRLLC) bei einer End-to-End-Zeitsynchronisierung von 1,5 µs haben kann.^[8]

Tabelle 2 listet die Ein-Weg-Latenz verschiedener Typen von Backhaul-Netzwerken basierend auf Informationen der Betreiber auf, die in 3GPP-Standards genannt werden, sowie von drahtlosen Backhaul-Netzwerken in Frequenzbereichen unterhalb von 1 GHz und Millimeterwellen-Frequenzbereichen auf.^[9] Der Hybrid ARQ (HARQ) in der MAC ist in 5G aktiviert, um die Anforderungen in Bezug auf eine niedrige Latenz zu erfüllen. Dieser Prozess setzt eine Umlaufzeit von 5 ms voraus, was einer Glasfaserstrecke von 40 km zwischen CU und DU entspricht.^[10] Anders ausgedrückt, gibt es eine große Vielzahl von NR-Signalen und Anwendungsszenarien, bei denen sowohl synchronisierte als auch nicht synchronisierte Signale zwischen kleinen Zellen sowie zwischen kleinen Zellen und Makrozellen beteiligt sind. Der Xhaul sollte daher unterschiedlich strukturiert werden, sodass kleine Zellen und Makrozellen, die Prozesse wie Störungskoordination, CA und CoMP nutzen, durch synchronisierte Bereitstellungen von Clustern aus kleinen Zellen und eine koordinierte Kommunikation optimiert werden können. Hierfür sind eine spezifische gNB-Anordnung zwischen CU, DU und RU mit einer bestimmten funktionellen Aufteilung sowie ein ausreichender Backbone für den Backhaul (Glasfaser -oder Drahtloskonnektivität) erforderlich.

Tabelle 2: Backhaul-Technologie, Ein-Wege-Latenz und Durchsatz.^[9] 

Die Entscheidung in Bezug auf die Backhaul-Technologie: Glasfaser- oder Drahtloskonnektivität

So wie 5G Myriaden von Funktechnologien und Spektren nutzt, um eine nahtlose Konnektivität bereitzustellen, ist auch die Infrastruktur für den Fronthaul, Midhaul und Backhaul flexibel. Sie kann darüber hinaus sowohl auf kabelgebundenen als auch auf drahtlosen Technologien basieren. Abhängig von der Region und dem Anwendungsszenario werden jeweils bestimmte Standortkonfigurationen und gNB-Typen genutzt. Wie in Tabelle 3 gezeigt, kann es Unterschiede zwischen kleinen Zellen und Makrozellen geben. Die gNB könnte das Millimeterwellen-Spektrum oder 5G-MIMO nutzen. Es könnte sich bei ihr sogar um eine eNB handeln.^[11][12] Dicht bebaute städtische Umgebungen können mittels einer Infrastruktur mit eng verteilten kleinen Zellen mit 5GC-Glasfaserzugang über kurze Übertragungsabstände zuverlässig hohe Kapazitäten bereitstellen, um eine Kommunikation mit niedriger Latenz zu ermöglichen. Der Zugang ist in vorstädtischen und ländlichen Umgebungen am schwierigsten. In diesen Fällen können hohe Datenraten mittels eines drahtlosen Backhaul-Netzwerks über eine Makrozelle erreicht werden. Seit kurzem werden sie auch durch satellitenbasierte Backhaul-Netzwerke unterstützt, die Satellitenkonstellationen mit geosynchronen Umlaufbahnen (Geosynchronous Orbiting, GEO) und hohem Durchsatz (High Throughput Satellite (HTS)-Konstellationen) oder Satellitenkonstellationen mit niedrigen Umlaufbahnen (Low Earth Orbiting, LEO) nutzen.

Tabelle 3. Verschiedene Abdeckungsbereiche und die jeweiligen Parameter.^[11][12] 

In jedem Fall wird für 5G eine größere Zahl umfassender Glasfaserinstallationen benötigt, die einen Backhaul im Mikrowellen- und Millimeterwellen-Bereich ermöglichen. Nach ABI Research werden Backhaul-Glasfaserinstallationen bis 2025 einen Anteil von 39,6 % an den Backhaul-Links für Makrozellen erreichen. Backhaul-Links im Mikrowellenbereich werden einen Anteil von 45,1 % an diesem Markt haben. Den dritten Platz unter den prognostizierten Backhaul-Technologien belegen Backhaul-Links im Millimeterwellenbereich mit einem Anteil von 6,1 %. Glasfaserbereitstellungen sind in der Anfangsphase von 5G aus Kosten- und Zeitgründen häufig nicht möglich. Aus diesem Grund wurde Integrated Access Backhaul (IAB) als Teil des 3GPP Release 16-Standards spezifiziert. Diese Art von Backhaul nutzt bereits vorhandene gNBs (z. B. kleine Zellen, fest installierte Drahtlosterminals, Makrozellen usw.) für den Backhaul von Signalen über eine Reihe von Hops in denselben oder unterschiedlichen Frequenzbändern.

Erfüllung der Anforderungen in Bezug auf Latenz, Durchsatz und Distanz in 5G mit Backhaul

Eine durchdachte Xhaul-Planung in Bezug auf Glasfaser- und Drahtlosverbindungen stellt eine wesentliche Voraussetzung für die Erfüllung der 5G-Anforderungen in Bezug auf Durchsatz und Latenz über große Strecken und/oder bei Signalhindernissen dar. Dieses komplexe Problem wird mittels vieler verschiedener Techniken und Technologien gelöst, darunter IAB, Mikrowellen-Backhaul, Millimeterwellen-Backhaul und die Entscheidung für Fronthaul oder Midhaul (oder beides) für eine LLS- oder HLS-Aufteilung in einer gNB.

Allgemein ausgedrückt, werden in dicht bebauten städtischen Umgebungen verstärkt kleine Zellen mit Glasfaserverbindungen für Backhaul und Konnektivität genutzt, während in eher ländlichen Umgebungen Drahtlosverbindungen über drahtlose Millimeterwellen- oder Mikrowellen-Links eingesetzt werden.

Verweise

1. https://www.ericsson.com/491e34/assets/local/mobility-report/documents/2018/ericsson-mobility-report-november-2018.pdf
2. Cisco, Annual Internet Report (2018–2023) White Paper, März 2020.
3. https://www.statista.com/statistics/802690/worldwide-connected-devices-by-access-technology/
4. https://www.itu.int/en/ITU-T/Workshops-and-Seminars/201807/Documents/3_Erik_Guttman.pdf
5. 5G PPP, Version 1: 5G PPP use cases and performance evaluation models.
6. ITU-T GSTR-TN5G, Transport network support IMT-2020/5G, Februar 2018.
7. 3GPP, TS 38.104 V16.5.0: Technical Specification Group Radio Access Network; NR; Base Station (BS) radio transmission and reception, 3GPP, September 2020.
8. ITU-T G.8271, Network Limits for Time Synchronization in Packet Networks, International Telecommunications Union, Oktober 2017.
9. 3GPP, TR 36.932 V16.0.0; Scenarios and requirements for small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN, Tech. Rep., 3GPP, Juli 2020.
10. L. M. P. Larsen, A. Checko und H. L. Christiansen, A Survey of the Functional Splits Proposed for 5G Mobile Crosshaul Networks, in: IEEE Communications Surveys & Tutorials, Bd. 21, Nr. 1, 146 – 172, erstes Quartal 2019, DOI: 10.1109/COMST.2018.2868805.
11.  3GPP, TR 38.913 V16.0.0: Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies, 3GPP, Juli 2020.
12. https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/workshops/fsimt2020/Documents/2-Wireless%20X-Haul%20Requirements.pdf