Fronthaul

Was ist Fronthaul?

Fronthaul bezeichnet die Glasfaserverbindung zwischen der Basisband-Einheit (Baseband Unit, BBU) und dem abgesetzten Funkmodul (Remote Radio Head, RRH) in der Infrastruktur des Funkzugangsnetzes (Radio Access Network, RAN). Fronthaul-Lösungen wurden erstmals für LTE-Netze installiert, als die Netzbetreiber mit ihren Funkmodulen näher an die Antennen heranrückten. Das Ziel bestand darin, die Backhaul-Verbindung zwischen BBU und Kernnetz (Core) zu ergänzen.

Mit der Einführung neuer 5G-Anwendungsfälle haben sich flexible Fronthaul-Konfigurationen als unverzichtbar erwiesen, um die von modernen 5G-Anwendungen an die Latenzzeit, den Durchsatz und die Zuverlässigkeit gestellten Anforderungen aufeinander abzustimmen. 

Das RAN der nächsten Generation führt zu einer verstärkten Installation von Fronthaul-Glasfaserverbindungen sowie zu einer intensiveren Nutzung von Multiplexverfahren, Virtualisierungen und einer nach Funktionen aufgeteilten Fronthaul-Architektur („Split Fronthaul“). Umfragen unter den Netzbetreibern zufolge hat sich das Fronthaul mit eCPRI-Schnittstelle zu einer der wichtigsten 5G-Technologien entwickelt. VIAVI stellt eine umfassende Lösung zum Testen der Fronthaul-Leistung zur Verfügung. Darin eingeschlossen sind die Überprüfung der Glasfaserstrecke, der Synchronisation und der Taktung sowie virtuelle und Assurance-basierte Optionen.

Entwicklung der Fronthaul-Architektur

Die Fronthaul-Architektur in Mobilfunknetzen hat sich analog zur zunehmenden Nutzung glasfaserbasierter Übertragungsstrecken in Breitbandnetzen entwickelt. Schließlich haben die Anforderungen, die in beiden Netzen an die Bandbreite und Latenz gestellt werden, dazu geführt, dass die Glasfaser immer tiefer und höher in die Netze hinein installiert wird. Vor der Einführung von 4G wurden Glasfasern vorrangig für Transportnetze genutzt. Die Entwicklung von Standards für leistungsstärkere Netze, der MIMO-Technologie sowie modernerer Verfahren der Funkkoordination erfolgte zeitgleich mit der Einführung abgesetzter Funklösungen (RRH) und glasfaserbasierter Fronthaul-Verbindungen.

Die CPRI-Schnittstelle (Common Public Radio Interface) wurde 2003 von einem Konsortium aus Erstausrüstern (OEM) definiert, um die Transport-, Verbindungs- und Steuerungsparameter zwischen BBU und RRH zu standardisieren. Sie basierte auf der in der BBU gemeinsamen Architektur der Bitübertragungsschicht (physische Schicht, PHY), Sicherungsschicht und Vermittlungsschicht (Netzwerkschicht), wobei das Fronthaul die Verbindung zwischen RRH und der PHY-Layer der BBU sicherstellte. Die strikten Laufzeitvorgaben von CPRI beschränkten jedoch die räumliche Trennung zwischen den Standorten von BBU und RRH.

Die CPRI-Schnittstelle nutzt ein synchrones Datenübertragungsprotokoll, bei dem die Bitrate von der Anzahl der Antennenelemente abhängig ist, sodass die resultierenden Übertragungsraten keine Schwankungen in der Nutzungsintensität berücksichtigen. Das ist mit einem Zug vergleichbar, der eine Strecke ohne Passagiere fährt und dann bei seiner Rückkehr feststellt, dass für die nächste Fahrt zu viele Reisende auf ihn warten.

CPRI erfordert ein umfangreiches Tagging und erlaubt ein nur begrenztes statistisches Multiplexing. Während diese technologiebedingten Beschränkungen für das 4G-/LTE-Fronthaul noch hinnehmbar waren, sind sie für Massive MIMO, die großen Bandbreiten und die kurzen Latenzzeiten von 5G-Transportnetzen aus praktischen und finanziellen Gründen nicht mehr angemessen skalierbar. Die innovative Lösung, wie sie in der 3GPP-Spezifikation TR 38.801 definiert ist, sowie vom IEEE und von der ITU-T gefordert wird, verlangt die funktionale Aufteilung („Split“) der BBU-Elemente.

Die Komponenten dieses neuen Architekturmodells sind die Funkeinheit (Radio Unit, RU, zuvor RRH und RRU), die zentrale Einheit (Central Unit, CU) und die verteilte Einheit (Distributed Unit, DU), wobei die neue Übertragungsstrecke zwischen CU und DU passend als Midhaul bezeichnet wird. Die Virtualisierung des RAN ermöglicht, die BBU-Funktionen einzeln oder zusammen innerhalb der verschiedenen Elemente zu implementieren. Hierbei ist ausschlaggebend, welche Funktionsaufteilung zwischen den OSI-Schichten am besten für den konkreten Anwendungsfall geeignet ist. Die Flexibilität der nach Funktionen aufgeteilten Architektur bildet die Grundlage für die gleichzeitige Optimierung wichtiger Anwendungsfälle im 5G-Fronthaul-Netz.

Vergleich von Fronthaul und Backhaul

Diese aufgeteilte RAN-Architektur hat die traditionelle Unterscheidung zwischen Fronthaul und Backhaul verändert. Anfangs umfasste das Backhaul-Netz lediglich die Koaxialkabel- oder Glasfaserverbindung zwischen Mobilfunknetz und dem drahtgebundenen Netz. Das Fronthaul-Netz wurde erst benötigt, als sich mit LTE die Anforderungen an die Bandbreite und Effizienz erhöhten und eine neue Übertragungsstrecke die zentralisierten Basisband-Module mit einzelnen Funkmodulen verband.

Die Kombination aus Fronthaul, Backhaul (und Midhaul) wird auch als Crosshaul (oder x-Haul oder xhaul) bezeichnet.

Die Virtualisierung der Netzwerkfunktionen (NFV) ermöglicht eine umfassendere Modularisierung und kundenspezifische Anpassung, die die bisher bekannten Modelle noch weiter aufteilen. So können die Funktionen von DU und/oder CU in die RU integriert werden. Oder die DU wird mit der CU kombiniert. Oder die einzelnen Elemente funktionieren an unterschiedlichen Standorten unabhängig voneinander. In jedem Fall stellt das Backhaul immer noch die Verbindung zum Kernnetz (Core) her.

O-RAN-Fronthaul

Traditionell implementieren große Netzausrüster die CPRI-Schnittstelle proprietär, sodass die Netzbetreiber gezwungen sind, sich für ihre Fronthaul-Architektur auf einen einzigen Anbieter festzulegen. Das Konzept des offenen RAN (O-RAN) verfolgt das erklärte Ziel, diese Abhängigkeit zu beenden. Die O-RAN Alliance fördert den strukturierten Übergang zu autonomen, von mehreren Anbietern stammenden (Multivendor) RAN-Elementen.

Beim Fronthaul im O-RAN gewährleistet eine offene, virtualisierte Architektur mit generischer Hardware und Software die Interoperabilität zwischen den funktionalen Kombinationen, wie den offenen verteilten Einheiten (O-DU) und den offenen Funkeinheiten (O-RU), unterschiedlicher Anbieter. Diese Standardisierung wird gleiche Wettbewerbsbedingungen schaffen und Innovationen fördern, da die Netzbetreiber ihre Fronthaul-Elemente nun selbst transparent und wirtschaftlich zusammenstellen können.

Fronthaul-Netze

Gigabit-Datenraten und Latenzzeiten von nur einer Millisekunde setzen für alle Bereiche der 5G-Infrastruktur, auch für die bisher geltenden maximalen Transportkapazitäten der Fronthaul-Netze, neue Maßstäbe. Mit der Glasfaser als Übertragungsmedium sind diese Hürden überwindbar. Hier spielen ein skalierbares Fasermanagement sowie die Flexibilität, die benötigt wird, um den stetig wachsenden Fronthaul-Anforderungen gerecht zu werden, eine wichtige Rolle. Dark Fiber, wenn verfügbar, ist sicherlich die wirtschaftlichste Option, um die Kapazität der Fronthaul-Netze kurzfristig zu steigern. Mit ihrer schnellen Bereitstellbarkeit und der geringsten Beeinträchtigung der Latenzzeit stellt diese Lösung zudem eine der besten Alternativen dar.

Wellenlängenmultiplex (WDM)

Das Wellenlängen-Multiplexverfahren (WDM) erlaubt, die Fronthaul-Glasfaserstrecken effizienter zu nutzen. Durch die gleichzeitige Nutzung mehrerer Wellenlängen kann der von verschiedenen Antennen stammende Verkehr über eine einzelne Dark Fiber durch das Netzwerk übertragen werden. Beim groben Wellenlängenmultiplex (CWDM) können die Netzbetreiber, gleichzeitig auf bis zu 18 Kanälen senden. Da es sich hierbei um ein passives Verfahren handelt, sinken die Kosten und die Komplexität. Beim dichten Wellenlängenmultiplex (DWDM), das von den Vorteilen Erbium dotierter Faserverstärker profitiert, ist es möglich, bis zu 96 voneinander unabhängige Kanäle einzurichten. Zudem ist das DWDM-Verfahren in Abhängigkeit von der zu überbrückenden Distanz sowohl passiv als auch aktiv bereitstellbar. Auch können hybride WDM-Optionen den Durchsatz erhöhen, indem sie mehrere DWDM-Frequenzen über ausgewählte CWDM-Kanäle übertragen.

Passive Optische Netze (PON)

Passive Optische Netze (PON) nutzen optische Verzweiger (Splitter), um eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Topologie aufzubauen. In Verbindung mit dem statistischen Multiplexing ermöglicht diese Aufteilung der PON-Glasfaser auf mehrere Nutzer, die durch die Massive-MIMO-Technologie bedingte RU-Verbindungsdichte zu bewältigen.

Jede zusätzliche Faseraufteilung im 5G-Fronthaul-Netz kann die vorhandene Kapazität verdoppeln, fügt allerdings selbst unter idealen Anschlussbedingungen eine zusätzliche Dämpfung von mindestens 3 dB ein. Innovationen wie WDM-PON kombinieren die Basistechnologien, indem sie ältere PON-Netze mit neuen Wellenlängen überlagern, ohne die Bandbreite der Dienste bestehender Festnetzzugänge zu beeinträchtigen.  Weiterhin verwendet die neue NG-PON2-Technologie das WDM-Verfahren mit mehreren 10G-Wellenlängen im Upstream und im Downstream, um Dienste bei symmetrischen 40 Gbit/s zu übertragen. Da NG-PON2 andere Wellenlängen als GPON und XG-/XGS-PON nutzt, können die Dienste aller drei Typen über das gleiche PON-Netz realisiert werden.

5G-Fronthaul

Anspruchsvolle Anwendungsfälle von 5G sind Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Massive Machine Type Communication (mMTC) sowie Ultra-Reliable Low Latency Communications (uRLLC). Sie stellen jeweils ganz spezifische Anforderungen an die Leistung des 5G-Fronthaul-Netzes. uRLLC-Anwendungen, wie autonomes Fahren mit einer Verfügbarkeit von 99,9999 %, müssen gleichzeitig mit hochgradig verteilten oder datenintensiven 5G-Anwendungen, wie dem Internet der Dinge (IoT) oder extrem dichtem Streaming, gewährleistet werden.

Da eine nach Funktionen aufgeteilte Fronthaul-Architektur, die für einen ganz bestimmten Anwendungsfall optimiert wurde, andere Anwendungsfälle möglicherweise beeinträchtigt oder sogar ausschließt, spielt die Gewährleistung einer umfassenden Flexibilität eine sehr wichtige Rolle. Die Aufhebung der Segmentierung des Netzes, die hochgradige Virtualisierung und die Implementierung einer paketbasierten Synchronisation erlauben, diese drei sehr verschiedenen 5G-Anwendungsfälle effektiv im gleichen Netz und zur gleichen Zeit zu unterstützen.

5G-Fronthaul-Architektur

Im Laufe der Weiterentwicklung der 5G-Fronthaul-Architektur haben sich acht verschiedene funktionale Bereitstellungsoptionen (siehe Abbildung oben) herausgebildet, die im Hinblick auf die Latenz, Kapazität und Komplexität jeweils ganz spezifische Vor- und Nachteile bieten. Jede dieser Optionen ist durch die Trennlinie definiert, die in Bezug auf die Konfiguration und Platzierung der RU, DU und CU zwischen den OSI-Schichten 1 bis 3 (Bitübertragungsschicht, Sicherungsschicht und Vermittlungsschicht) gezogen wird. Option 8 entspricht der aktuellen CPRI-Konfiguration mit einer übergeordneten Funktionsaufteilung zwischen der unteren Bitübertragungsschicht (PHY) der BBU und dem RRH.

Drahtlose Festnetzzugänge (Fixed Wireless Access, FWA), die den Nutzern standortgebundene, bandbreitenintensive Dienste zur Verfügung stellen, fördern Option 2, die im Funkmodul zuverlässige Echtzeitfunktionen implementiert und ein kombiniertes RU-/DU-Funktionselement schafft. Da es nicht erforderlich ist, mehrere Funkelemente übergeordnet zu koordinieren, kann die Bereitstellung zusätzlicher Funktionen am Standort der RU die Bandbreiten- und Latenzlast im Fronthaul verringern. Damit ist es möglich, die CU viele Kilometer vom Funkmodul entfernt zu positionieren.

Beim Anwendungsfall eMBB implementieren die Optionen 6 und 7 nur die Funkfunktionen der OSI-Schicht 1 in der RU, sodass die zusätzlichen Schichten in der CU/DU verbleiben. Diese Konfiguration unterstützt die Koordination mehrerer Funkmodule in mobilen Anwendungen und verringert die Fronthaul-Bitratenunterstützung. Auch führen diese Optionen kürzere Latenzzeiten ein, sodass ein geringerer Abstand zwischen RU und DU erforderlich ist.

eCPRI-Fronthaul

Zur Standardisierung der nach Funktionen aufgeteilten Architektur der 5G-Fronthaul-Komponenten hat das CPRI-Konsortium im Jahr 2017 das erste Enhanced Common Public Radio Interface (eCPRI) Protokoll veröffentlicht. Mit der Einführung von eCPRI in das Fronthaul-Netz wird das erklärte Ziel verfolgt, die benötigte Datenrate zwischen Funkausrüstung (eRE) und Funkausrüstungssteuerung (eREC) zu verringern und gleichzeitig die Komplexität zu beschränken. Die synchrone CPRI-Datenübertragung wird durch effizientere paketbasierte Protokolle mit Ethernet oder IP ersetzt.

Die zukunftssichere eCPRI-Fronthaul-Schnittstelle optimiert die Funkleistung durch Koordinierungsalgorithmen, die den Verkehr in Echtzeit analysieren und priorisieren. Das eCPRI-Protokoll unterscheidet zwischen drei Ebenen, die für das Zusammenwirken von eRE und eREC benötigt werden. Dabei handelt es sich um die Nutzerebene (User Plane, UP), die Synchronisationsebene (Synchronization Plane) und die Kontroll- und Management-Ebene (Control and Management Plane, C&M). Die Transportfunktion auf der Nutzerebene standardisiert die Formate der Datenrahmen, Pakete und Header, während die beiden anderen Ebenen nicht von den eCPRI-Protokollen beschränkt werden.

Fronthaul-Transportknoten

Werden CPRI und eCPRI gleichzeitig in einer kombinierten Fronthaul-Konfiguration implementiert, kann im Fronthaul ein Transportnetz-Knoten (Fronthaul Transport Node, FTN) genutzt werden, um den Ethernet-Zugangsring zu verwalten. Dieses Szenario erfordert eine effektive Testlösung, um sicherzustellen, dass die an die Laufzeit und Synchronisation gestellten hohen Anforderungen erfüllt werden.

Hier bietet sich der VIAVI MTS-5800-100G an, um die FTN-Leistung im Labor zu prüfen, die eCPRI zu testen sowie Durchsatz, Laufzeit und Jitter präzise zu messen. Darüber hinaus überprüft dieser flexibel einsetzbare und handliche Netzwerktester die GPS-Signalstabilität, ermittelt den PTP-Zeitfehler und sichert die Aktivierung von Ethernet-Diensten nach RFC 2544 und Y.1564.

Testen von Fronthaul-Netzen

Um eine optimale Leistung zu gewährleisten, sind 5G-Fronthaul-Netze auf eine hohe Qualität der Glasfaserverbindung angewiesen. Auch erfordert die Fronthaul-Architektur der nächsten Generation die komplexe Analyse des Echtzeitspektrums, der Taktung und der Synchronisation. Das Timing Extension Module (TEM) von VIAVI ergänzt den Handtester MTS-5800 und stellt in einem robusten und für den Feldeinsatz entwickelten Design nanosekundengenaue Takt- und Synchronisationstests für 5G-Fronthaul zur Verfügung. Auch führt das TEM präzise Messungen zur Ermittlung des PTP-Zeitfehlers und von Paket-Laufzeitschwankungen (PDV) aus.

Aufgrund der vielfältigen Bereitstellungsoptionen für Fronthaul-Netze ist ein universeller Basistationen-Analysator, der Glasfasern testet, die Aktivierung von 5G-Diensten und die maximale Ethernet-Datenrate überprüft sowie OTN-Tests ausführt, sowohl im Labor als auch im Feldeinsatz unverzichtbar. Der portable CellAdvisor 5G ist eine Komplettlösung zur Überprüfung von 5G-Fronthaul-Netzen, zur Installation und Inbetriebnahme von Mobilfunk-Basisstationen und zur Validierung der Massive-MIMO-Leistung und der Antennen-Sendekeule (Beam). Darüber hinaus ermöglicht er die Überprüfung der Faserendflächen und die Validierung der Glasfaser-Schnittstelle.

Das von den PON- und WDM-Technologien verwendete Glasfaser-Splitting und Multiplexing erhöht die Komplexität der an der Fronthaul-Glasfaser auszuführenden Tests. Damit reichen die konventionelle Prüfung mit VFL-Rotlichtquellen und die einfache Überwachung der Leistungspegel zuweilen nicht mehr aus.

Die von VIAVI angebotene Palette an Glasfasertestern reicht von handlichen Tools zum Prüfen und Reinigen der Faserendflächen bis zu den leistungsstarken FiberComplete-Lösungen. Letztere erkennen selbst auf komplexen Glasfaserstrecken zuverlässig Fehlerstellen, ermitteln die Einfügedämpfung (IL) und die optische Rückflussdämpfung (ORL) in beiden Messrichtungen (bidirektional) und führen OTDR-Tests aus.

Da die Fronthaul-Netze auch in Zukunft zuverlässige PON-Technologien nutzen werden, um die steigende Kapazitätsnachfrage zu bewältigen, profitieren die Techniker von speziellen PON-Lösungen, um ihre 5G-Fronthaul-Netze sicher aufzubauen, zu aktivieren und zu warten. Darin eingeschlossen sind wellenlängenselektive PON-Leistungspegelmesser, die den jeweils verwendeten Technologiestandard flexibel berücksichtigen, sowie zentrale PON-Tests zur Validierung und grafischen Darstellung von PON-Netzen, aber auch PON-spezifische OTDR-Testlösungen.