Backhaul
Übertragung des Mobilfunkverkehrs vom RAN zurück in das Kernnetz
Backhaul
Im Bereich der Übertragungstechnologie für Transportnetze bezeichnet "Backhaul" den Rücktransport einer neuen Nutzlast (Payload), die am externen Standort aufgenommen wurde, zum Ausgangspunkt. Dieses Konzept kommt ebenfalls beim Backhaul in Mobilfunknetzen, die den Schwerpunkt der modernen Telekommunikation bilden, zur Anwendung.
5G-Netze stellen jedoch völlig neue Anforderungen an die Backhaul-Technologie. Angesichts der sich weiter entwickelnden Protokolle, Übertragungsraten und Medientypen stellt VIAVI umfassende Backhaul-Testlösungen zur Verfügung, die die Aktivierung der Dienste und das Leistungsmanagement unterstützen. Über den gesamten Lebenszyklus des Dienstes hinweg gewährleisten die Testprozess-Automatisierung (TPA), Testroutinen für die Kontrolle der Zeitsynchronisation sowie integrierte Funktionen zur Inspektion der Faserendflächen die Aufrechterhaltung der Backhaul-Leistung.
Was ist Wireless Backhaul?
"Backhaul" ist ein englischer Fachbegriff zur Bezeichnung der Transportinfrastruktur, die benötigt wird, um das Funkzugangsnetz (Radio Access Network, RAN) mit dem Kernnetz (Core) eines Mobilfunknetzes zu verbinden. Diese Verbindung zwischen der Basisstation und dem zentralen Netzknoten (Hub) des Serviceproviders ist ein kritischer Bestandteil der Infrastruktur von Mobilfunknetzen.
Mit der Entwicklung der MIMO-Technologie, der RAN-Virtualisierung und von aufgegliederten Architekturen (Splitting) wird zunehmend auch von Fronthaul und Midhaul gesprochen, die die traditionelle Backhaul-Definition erweitern. Die Kombination aus Backhaul, Fronthaul und Midhaul wird auch als xHaul bezeichnet, wobei die Backhaul-Komponente nach ihrer Anbindung an das Kernnetz unterschieden wird.
Warum sind Backhaul-Netze wichtig?
Gelegentlich wird die Bedeutung des Backhaul-Netzes unterschätzt, da innovative 5G-RAN-Netze und neue portable Geräte eingeführt werden, die die Möglichkeiten der vorhandenen 5G-Lösungen erweitern. Eine hohe Leistung, Kapazität und Zuverlässigkeit des Backhaul-Netzes sind unverzichtbar, um die Übertragungsanforderungen, die die 5G-Verbindungsdichte, das Internet der Dinge (IoT) und die anhaltende Zunahme der Anzahl der Nutzer stellen, zu bewältigen. Paketverluste, lange Latenzzeiten und Carrier-Jitter sind nur einige wenige der Probleme, die auftreten können, wenn das Backhaul-Netz vernachlässigt wird.
Um die Erlebnisqualität der Nutzer auch beim Netzwerk- und WLAN-Backhaul zu gewährleisten, haben die Netzbetreiber innovative Lösungen entwickelt, die die Bandbreite erhöhen und die Integrität der Dienste sicherstellen. Die Bedeutung von Test- und Überwachungslösungen für das Mobile Backhaul hat sich weiter erhöht, da die Dienstgüte bei der Einrichtung der Dienste sowie kontinuierlich nach der Inbetriebnahme bewertet und optimiert werden muss. Gleichzeitig ermöglichen leistungsstarke Fehlerdiagnosen, bei einer Vielzahl neuer Backhaul-Übertragungsarten eine Unterbrechung der Dienste weitestgehend zu vermeiden.
Auswirkung von 5G auf Backhaul-Netze
Obgleich jede neue Mobilfunkgeneration den Druck auf die Backhaul-Netze erhöht hat, spielt 5G in diesem Zusammenhang eine besondere Rolle. Die große Vielfalt der Anwendungsfälle, MIMO und Network-Slicing wirken sich spürbar auf das 5G-Backhaul aus. Die Netzverdichtung und die geringere Reichweite der Millimeterwellen (mmWave) stellen deutlich höhere Anforderungen an das 5G-Backhaul.
Beim Spitzendurchsatz und Download-Raten bis 10 Gbit/s müssen exponentiell höhere Datenmengen von einer unendlich größeren Anzahl von Standorten über das Backhaul-Netz zurück übertragen werden. Alle Hauptanwendungsfälle von 5G, einschließlich enhanced Mobile Broadband (eMBB), massive Machine-Type Communication (mMTC) und ultra-reliable Low-Latency Communications (urLLC), nutzen Network-Slicing und virtualisierte Netzfunktionen (NFV) im Fronthaul- und Midhaul-Segment.
Die Konfiguration der Fronthaul- und Midhaul-Segmente im 5G-Netz lässt sich an die Latenz-, Bandbreiten- und Synchronisationsanforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls anpassen. Damit sinkt der auf den 5G-Backhaul-Strecken lastende Latenzdruck, während sich der Schwerpunkt auf die Kapazität, die Spektrumeffizienz und die flexible Kombination der Dienste (Orchestrierung) verlagert hat, um den Anforderungen der 5G-Anwendungsfälle dynamisch gerecht zu werden.
Backhaul-Technologien
In früheren Mobilfunkgenerationen wurde das Mobilfunknetz über Koaxialkabel mit dem Kernnetz verbunden. Seitdem ist die eingesetzte Backhaul-Technologie Ausdruck der Weiterentwicklung der Transportmedien und der steten Zunahme des Datenverkehrs in der Ära der Telekommunikation. Die laufende Einführung neuer Infrastruktur- und Übertragungsprotokolle hat dazu geführt, dass die Backhaul-Netze der aktuellen Nachfrage immer einen Schritt voraus geblieben sind.
Das Zeitmultiplexverfahren (Time Division Multiplexing, TDM) wurde in den 1980er Jahren entwickelt und mit als erste Technologie für die Backhaul-Übertragung über Koaxialkabel genutzt. Diese Methode wird auch als leitungsvermitteltes oder Punkt-zu-Punkt-Backhaul bezeichnet und unterteilt die den Kunden bereitgestellten Dienste in diskrete Zeitschlitze (Slots). Diese Slots werden über das Netzwerk übertragen und ermöglichen ein zuverlässiges Management der Bandbreiten- und Leistungsanforderungen der einzelnen Dienste. Damit das TDM-Backhaul korrekt funktioniert, ist jedoch eine exakte Zeitsteuerung erforderlich.
Da grundlegende Dienste, wie Text und Sprache, durch die Mobilfunk-Datenübertragung von LTE und 5G in den Hintergrund gedrängt wurden, hat die Skalierbarkeit der verbindungsorientierten, leitungsvermittelten Transporttechnologien abgenommen. Bei der Bereitstellung von Backhaul-Netzen hat sich der Schwerpunkt zu einem paketbasierten Konzept, das die allumfassende Architektur des Mobilfunknetzes besser berücksichtigt, hin verlagert. Allerdings gibt es weltweit noch viele Regionen, die TDM für ihre Backhaul-Netze verwenden.
Paketbasiertes Ethernet unterstützt effektiv Backhaul-Übertragungen im 5G-Netz. Mit der Einführung von Glasfaser-basiertem Ethernet haben sich die Bitraten und Übertragungsentfernungen erhöht, während die Beschränkungen in Hinblick auf die Bandreite abgemildert wurden. Da dem Ethernet jedoch die exakte Frequenzsynchronisation des TDM-Backhauls fehlt, hat die IEEE mit dem Precision Time Protocol (PTP) ein Zeitprotokoll entwickelt, das auch über lange Backhaul-Strecken eine präzise Ethernet-Synchronisierung gewährleistet. Diese hohe zeitliche Genauigkeit ist für 5G-Anwendungsfälle, wie autonomes Fahren, das von einer exakten Zeitsteuerung und extrem kurze Latenzzeiten abhängig ist, unverzichtbar.
Von den drahtlosen Optionen für das Mobile Backhaul hat sich der Richtfunk aufgrund seiner niedrigen Installationskosten, der relativen Störfestigkeit und der geringen Wahrscheinlichkeit physischer Unterbrechungen etabliert. Das gemietete Richtfunk-Spektrum kann genutzt werden, um mehrere Dienste mit minimalem Investitionsaufwand über die Luftschnittstelle per Backhaul zu übertragen. Die Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM) , die Bündelung (Bonding) von Richtfunkstrecken und weitere Innovationen werden eingesetzt, um die Kapazität im Richtfunk-Backhaul zu optimieren. Da der Richtfunk-Backhaul aufgrund seiner Skalierbarkeit und Effizienz die Anforderungen der 5G-Netze erfüllt, bietet er sich auch für den Wireless Backhaul bei 10 Gbit/s an. In Gebieten, in denen keine Glasfaser zur Verfügung steht, ist der Richtfunk-Backhaul noch weit verbreitet.
Ein passives optisches Netz (PON) bezeichnet die Punkt-zu-Mehrpunkt-Konfiguration eines Glasfasernetzes, das aus Glasfasern, Splittern und Combinern besteht, die keine Stromversorgung benötigen. Die Vorteile der PON-Technologie, die häufig bei FTTH- und FTTB-Installationen eingesetzt wird, kommen heute zunehmend auch in Fronthaul- und Backhaul-Netzen zum Tragen.
PON-Netze, die auf der gemeinsamen Nutzung von Glasfasern basieren (Shared Fiber) und aus passiven Komponenten bestehen, können die die für 5G benötigte Datenrate von 10 Gbit/s sowie die erforderliche Latenz gewährleisten. Für die Übertragung der 5G-Basisbandsignale zu den abgesetzten Funkmodulen (Remote Radio Head, RRH) ist das PON-Splitting als logische Lösung anerkannt. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologie werden PON-Elemente auch in Zukunft in Mobile-Backhaul-Netze integriert werden.
Leider sind Hochfrequenz-Implementierungen für 5G in der Reichweite beschränkt und auch teuer. Ein wichtiger Zeit- und Kostenfaktor ist die Installation der Glasfasern. In diesem Zusammenhang ist das Integrated Access Backhaul (IAB) eine interessante Alternative. Hierbei wird anstelle der Glasfaser ein Teil des Mobilfunkspektrums für die Backhaul-Anbindung der Basisstation genutzt. Obgleich das 5G-Spektrum ebenfalls eine wertvolle Ressource darstellt, könnten die Netzbetreiber bereit sein, einen Teil davon für kurze Zeit zu nutzen, um eine Versorgungslücke ("Funkloch") zu schließen oder die Netzabdeckung entlang einer Autobahn zu verbessern oder sogar kurzzeitige Ereignisse, wie eine Sportveranstaltung oder ein Konzert, zu unterstützen.
Welche Störungen treten in Backhaul-Netzen auf?
In Backhaul-Netzen sind die gleichen Leistungsrisiken zu beachten, die von anderen kabelgebundenen oder drahtlosen Netzen her bekannt sind. Glasfaserstrecken können versehentlich beschädigt oder durch Wettereignisse oder Sicherheitsverletzungen (Abhörversuche) beeinträchtigt werden. Obgleich Ethernet-Backhaul-Segmente in Bezug auf die Kosten und Kapazität wesentliche Vorteile bieten, müssen sie eine präzise Zeitsynchronisation gewährleisten. Eine mangelhafte Synchronisation führt dazu, dass sich benachbarte Basisstationen gegenseitig stören, Verbindungen unterbrochen werden und der Datendurchsatz sinkt. Bei drahtlosen Netzen sind Interferenzen, Beschränkungen in der Übertragungsentfernung sowie die direkte Sichtverbindung (Line of Sight, LoS) zu beachten. Störungen in Backhaul-Netzen können sich in langen Latenzzeiten, Jitter und Paketverlusten äußern, die die Erlebnisqualität des Nutzers und damit die Kundenzufriedenheit beeinträchtigen.
Zusätzlich zu den bereits im Mobile Backhaul bestehenden Herausforderungen setzen die zunehmende Verbreitung von Kleinzellen (Small Cells), die an den Durchsatz gestellten Anforderungen sowie die mit 5G verbundenen höheren Ansprüche an die massive Verkehrsübertragung neue Maßstäbe. Obwohl diese Probleme allgemein bekannt sind, setzen 5G-Netzbetreiber auf unterschiedliche die Mobile-Backhaul-Lösungen. Hier erscheinen die Backhaul-Aggregation an "Superzellen", der Wireless Backhaul im mmWave-Bereich sowie eine praktisch grenzenlose Anzahl von ganzheitlichen Lösungen überlegenswert.
Warum sind Tests am Backhaul-Netz erforderlich?
Frühere Generationen der Mobile-Backhaul-Technologie wurden mit dem Ziel entwickelt, eine Makrozellen-Infrastruktur zuverlässig zu unterstützen. Mit dem Übergang vom TDM-Verfahren zu Ethernet/IP und da Kleinzellen die traditionellen Makrozellen ersetzen, haben sich die Architektur der Basisstationen und das Verkehrsmanagement entsprechend anpassen müssen. Diese schrittweisen Veränderungen haben sich auf die Teststrategien für das Mobile Backhaul ausgewirkt, sodass nicht mehr einzelne Messungen im Mittelpunkt stehen, sondern stattdessen ein Konzept der kontinuierlichen Leistungsüberwachung verfolgt wird.
Die 5G-Anwendungsfälle mit ihren hohen Anforderungen an Durchsatz und Latenz haben dazu geführt, dass im Unterschied zu früheren Technologien heute kein Spielraum mehr für Fehler bleibt. Das paketbasierte Ethernet hat einen effizienteren Datenfluss im Backhaul ermöglicht, wobei die Bitfehlerraten (BER) und Paketverluste weiterhin sehr niedrig sein müssen, um datenintensive Anwendungen, wie künstliche Intelligenz (KI) und Augmented Reality (AR), zu unterstützen. Die Überprüfung und Überwachung der Leistungsparameter im Backhaul kann helfen, potentielle Probleme schnell zu beheben und die Fehlerdiagnose zu beschleunigen.
Zeitsynchronisation im Netzwerk
Bei der Überführung von Mobile-Backhaul-Netzen zur paketbasierten Übertragung kam es darauf an, eine zuverlässige Zeitsynchronisierung zwischen den einzelnen Netzen sicherzustellen. Paketbasierte Synchronisationsverfahren, wie PTP/IEEE 1588v2, sind erforderlich, um die Synchronisierungssignale über IP-Netze an die einzelnen Geräte am Netzrand zu übertragen. Fehlt die Synchronisation an der Basisstation, treten HF-Interferenzen auf, die wiederum die Verbindungsqualität beeinträchtigen, beim Handover zu Unterbrechungen führen, den Zeitaufwand für den Verbindungsaufbau vergrößern, die Bandbreite verringern und das verfügbare Spektrum ineffizient nutzen. Da die Betreiber von Mobilfunknetzen bei diesen wichtigen Qualitätsparametern im Kundenwettbewerb stehen und Milliarden Euro für Funklizenzen ausgeben, wird deutlich, weshalb eine exakte Netzsynchronisation für sie unverzichtbar ist.
Zum Glück ermöglichen neue Methoden, die Synchronisation mit den gleichen Feldtestern zu überprüfen, die auch für Fronthaul- und Backhaul-Tests verwendet werden. GPS-Testanwendungen überprüfen die korrekte Antennenposition, indem sie die Anzahl der sichtbaren Satelliten sowie die jeweiligen Signalstärken kontrollieren. Tests nach PTP/IEEE 1588v2 stellen eine stabile Verbindung der Basisstationen zu Grandmaster-Uhren sicher und qualifizieren das Backhaul-Netz für die Bereitstellung einer korrekten Synchronisation, indem sie Laufzeit, Laufzeitschwankungen, Zeitfehler, Wander und Frequenzversatz der Zeitsignale von PTP, synchronem Ethernet und für 1pps/10 MHz/BITS/SETS kontrollieren.
Schritte zum Testen eines Backhaul-Netzes
Angesichts der zunehmenden Komplexität der Backhaul-Technologie und der steigenden Nachfrage stellt ein umfassendes Lebenszyklus-Konzept für das Testen von Backhaul-Netzen eine logische und kosteneffektive Lösung dar. Die an die Backhaul-Leistung gestellten Anforderungen werden in immer kürzerer Zeit von der Planung in die Praxis überführt, sodass die resultierenden Lösungen und Entwürfe schnell, sicher und wirtschaftlich umgesetzt werden müssen.
Zielvorgaben für die Dienste
Eindeutige Zielvorgaben für die bereitzustellenden Dienste sind der erste Schritt auf dem Weg zu einer hohen Kundenzufriedenheit. Für jeden neuen Standort gilt eine ganz spezifische Kombination aus Dienstgütevereinbarungen (SLA), Reichweitenvorgaben und geplanten Backhaul-Auslastungen, die die Architektur, die Kapazität und die Testanforderungen für das Backhaul-Netz festlegen.
Neben diesen klar definierten Parametern sind die Inspektion und Qualifizierung der Glasfasern vor der Inbetriebnahme ein weiterer wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Bereitstellung des Netzes. Innovative Handtester, wie das bedienerfreundliche Glasfaser-Prüfmikroskop FiberChek Sidewinder von VIAVI ermöglichen die autonome Mehrfaserprüfung und Zertifizierung der Faserendflächen für aussagekräftige Tests am Mobile Backhaul und zur Glasfaser-Zertifizierung.
Aktivierung der Dienste
Die Aktivierung/Freischaltung der Dienste ist ein weiterer wichtiger Schritt beim Testen des Backhaul-Netzes, da die fertig installierte Basisstation nun ermöglicht, erste Aussagen zur tatsächlich erreichten Dienstgüte und zu den Leistungsparametern zu treffen. Automatische Tester erlauben, effiziente Messungen zur Charakterisierung der Backhaul-Glasfaser sowie zur Einrichtung der Ethernet-Dienste gemäß RFC 2544 und Y.1564 auszuführen. Die schnelle Erkennung von Problemen bei Durchsatz, Rahmenverlust oder Latenz kann die Fehlerdiagnose beschleunigen und verhindern, dass eine Störung im Backhaul-Segment die Zertifizierung der Basisstation unnötig verzögert. Der Handtester VIAVI MTS-5800 bietet sich für die Überprüfung des Backhaul-Netzes an, da er mehrere Netzwerkschichten und Protokolltypen sowie die Zeitsynchronisation testen kann.
Backhaul-Sicherung/Leistungsmanagement
Da Leistungsmängel im Backhaul verheerende ökonomische Auswirkungen haben können, sind ein kontinuierliches Leistungsmanagement sowie Trendanalysen der wichtigsten Leistungsindikatoren (KPI) für die Backhaul-Strecken unverzichtbar geworden. Automatische Glasfaser-Überwachungslösungen, Optionen zur Transport-Assurance und eine neue Generation von Micro-Probes erlauben in ihrer Gesamtheit, Störungen, Leistungsmängel und Sicherheitsverletzungen sofort zu erkennen und Alarme auszulösen. Da hybride Backhaul-Implementierungen die besten Übertragungstechnologien kombinieren, um den Anforderungen von 5G gerecht zu werden, spielen erweiterte Test- und Überwachungslösungen für 10G Wireless Backhaul eine immer wichtigere Rolle.
Die Zukunft von 5G-xHaul
Mit dem schrittweisen Übergang von Non-Standalone (NSA) zu Standalone (SA) ermöglichen die Netzbetreiber für ihre 5G-Netze weitere, mit Spannung erwartete Anwendungsfälle, die über enhanced Mobile Broadband (eMBB) hinausgehen. Die Anbindung von 5G NR an 5G-Kernnetze (Core), massive MIMO (5G), Network-Slicing und die mmWave-Übertragung erlauben, das Leistungspotenzial der 5G-Technologie in vollem Umfang auszuschöpfen.
Die neu eingeführten 5G-Dienste erhöhen die Nachfrage nach 5G insgesamt, was erhebliche Auswirkungen auf die Zukunft der xHaul-Netze haben wird. Ein einziger 5G-Nutzer verbraucht im SA-Modus bis zu zehn Mal mehr Bandbreite als der typische LTE-Nutzer. Um diese Herausforderung proaktiv bewältigen zu können, sind neue Denkansätze nötig, die mehr können, als einfach nur die Anzahl der vorhandenen Ethernet- und Wireless-Backhaul-Strecken zu vergrößern. Open-RAN-Standards sind Teil der Lösung, da sie die Effizienz durch Interoperabilität, Konvergenz und Marktwettbewerb fördern.
Durch die Unterteilung der traditionellen Backhaul-Technologie in konfigurierbare Fronthaul-, Midhaul- und Backhaul-Segmente bietet xHaul eine Lösung, die den anstehenden Aufgaben gewachsen ist. Innovationen, wie Quantennetze, könnten jedoch dazu führen, dass die 5G-xHaul-Technologie bald mit einem überladenen LKW verglichen werden kann, der vor einhundert Jahren Kies zum Steinbruch zurück transportiert hat. Effektive Tests und Überwachungsfunktionen, die die Breite, die Flexibilität und den gesamten Lebenszyklus von Mobile-Backhaul-Netzen berücksichtigen, werden auch weiterhin die Dienstgüte für zukünftige Generationen von Kunden und deren Erlebnisqualität sicherstellen.
Preparing Transport Networks for 5G
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