Definition: Next-Generation-Architektur für zellulare Funkzugangsnetze Was ist ein Cloud-RAN (Cloud Radio Access Network)?

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Ein Cloud Radio Access Network ist eine Next-Generation-Architektur für die Funkzugangsnetze von Mobilfunknetzwerken. Im Gegensatz zu einem klassischen RAN mit verteilt installierten Standalone-Basisstationen schafft ein Cloud-RAN durch Virtualisierungsfunktionen und disaggregierte Hard- und Software eine zentralisierte Basisstation.

Cloud-RAN ist die Kurzform von Cloud Radio Access Network. Ins Deutsche übersetzt bedeutet der Begriff cloud-basiertes Funkzugangsnetzwerk. Alternativ wird auch die Abkürzung C-RAN und der Begriff Centralized-RAN verwendet. Bei einem Cloud-RAN handelt es sich um eine Next-Generation-Architektur des Funkzugangsnetzwerks (Radio Access Network) eines zellularen Mobilfunknetzes.

Das Radio Access Network ist ein wichtiger Teil jedes mobilen Telekommunikationsnetzes und besteht aus Basisstationen, Antennen und Software. Es stellt die Verbindungen zwischen den drahtlosen, mobilen Endgeräten und dem Kernnetzwerk des Mobilfunknetzes her.

Klassische RANs bestehen aus verteilt installierten Standalone-Basisstationen, die dediziert mit dem Kernnetzwerk verbunden sind. Im Gegensatz hierzu schafft die Cloud-RAN-Architektur eine verteilte Basisstation. Sie disaggregiert Hard- und Software und nutzt Cloud-Computing- und Virtualisierungsfunktionen.

Ein Cloud Radio Access Network unterstützt neben 5G-Mobilfunk auch die Vorgängergenerationen wie 4G (LTE) und 3G (UMTS) sowie zukünftige Mobilfunkstandards. Ziel der Cloud-RAN-Architektur ist es, die Leistung, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz des Funkzugangsnetzes zu verbessern. Sie ist damit eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklung zukünftiger Mobilfunkgenerationen.

Aufbau herkömmlicher Radio Access Networks und daraus entstehende Nachteile

Klassische RANs herkömmlicher Mobilfunknetze bestehen in der Regel aus einer großen Zahl individueller Standalone-Basisstationen. Jede Basisstation deckt ein bestimmtes Gebiet ab und arbeitet für sich selbständig. Durch die geschickte räumliche Anordnung vieler Basisstationen lassen sich größere Bereiche mit Mobilfunk versorgen. Die Basisstationen sind jeweils über dedizierte Backhaul-Verbindungen an das Core-Netzwerk angeschlossen. Sie bringen die Daten von den drahtlosen, mobilen Endgeräten in das Core-Netzwerk und zurück.

Da nur begrenzte Frequenzressourcen zur Verfügung stehen, werden gleiche Frequenzbereiche von unterschiedlichen Basisstationen verwendet. Es können dadurch Interferenzprobleme zwischen benachbarten Funkzellen mit gleichen Spektren entstehen. Da jede Basisstation prinzipiell die volle Funktionalität des RANs bedienen muss und sich ihre eigenen Ressourcen nicht mit anderen Basisstationen teilen lassen , entsteht ein hoher Hardware-, Software- und Betriebsaufwand. Die Erweiterung des RANs ist aufwendig und die Skalierbarkeit begrenzt.

Prinzipielle Architektur, Komponenten und Funktionsweise eines Cloud Radio Access Networks

Im Gegensatz zu einem klassischen Radio Access Network besteht ein Cloud-RAN nicht aus verteilten Standalone-Basisstationen, sondern aus einer zentralisierten Basisstation mit Virtualisierungs- und Cloud-Computing-Funktionalität.

Die zentralisierte Basisstation disaggregiert die RAN-Hard- und -Software und kombiniert Funkübertragung, kabelgebundene Netzwerktechnik und optische Übertragung. Prinzipiell lassen sich in einem Cloud-RAN diese beiden Komponenten definieren:

• BBU Hotel (Baseband Unit Hotel)

• RRU (Remote Radio Unit)

Die Funktion einer klassischen Standalone-Basisstation wird in eine Baseband Unit (BBU) und eine Remote Radio Unit (RRU) aufgeteilt. Das BBU Hotel zentralisiert die Funktionen der Basisstation und sorgt für das Pooling der Baseband Units. Es ist eine Art Master-Basisstation und zentrales Processing Center des RANs und erlaubt ein dynamisches Zuweisen von Ressourcen abhängig von den Anforderungen des Mobilfunknetzes. Das BBU Hotel führt die Baseband-Processing-Funktionen der angebundenen RRUs aus. Es nutzt Echtzeit-Virtualisierungsfunktionen und Technologien des Software-defined Networkings (SDN) zur Verwaltung, Steuerung und Kontrolle der Ressourcen.

Die RRUs (Remote Radion Units), auch als Remote Radio Heads (RRHs) bezeichnet, sind über breitbandige Fronthaul-Links mit niedriger Latenz mit dem BBU Hotel verbunden. Es können Glasfaserverbindungen mit Coarse oder Dense Wavelength Division Multiplexing (CWDM / DWDM) Technologien, aber auch Mikrowellen- und mmWave-Technologien zur Anbindung zum Einsatz kommen. Diese Technologien erlauben die Übertragung der Basisbandsignale über große Entfernungen und ermöglichen große, zentralisierte Basisstationen. Die RRUs selbst sind für das Senden und Empfangen der Radiosignale der mobilen Endgeräte zuständig und führen RF-Processing-Funktionen aus.

Vorteile des Cloud-RAN

Einer der wichtigsten Vorteile eines Cloud-RAN ist, dass es den Aufwand und die Kosten für die Installation und den Betrieb des Funkzugangsnetzwerks deutlich reduziert. Durch die Zentralisierung der Basisbandfunktionen sind keine verteilten, vollwertigen Basisstationen mit kompletter, dedizierter Hard- und Softwareausstattung mehr notwendig. Die Basisstationen sind virtualisiert und zentralisiert. Sie lassen sich effizient verwalten. Die benötigte Ressourcen können in Echtzeit, bedarfsgerecht zugewiesen werden. Zudem ist das Cloud-RAN einfacher und in größerem Umfang skalierbar.

Ein weiterer elementarer Vorteil des Cloud Radio Access Networks ist die höher Performance des Funkzugangsnetzwerks. Das zentralisierte Baseband Processing erhöht die Kapazität des Funknetzwerks. Es können mehr Teilnehmer mit höheren Bandbreiten und niedrigeren Latenzzeiten bedient werden. Möglich machen das eine fortschrittliche Signalverarbeitung und Techniken wie Multi-User MIMO (MU-MIMO) und Coordinated Multipoint (CoMP) Transmission.

Die spektralen Ressourcen lassen sich wesentlich effizienter nutzen als in einem klassischen RAN. Anstatt jeder Standalone-Basisstation ein bestimmtes Funkspektrum fest zuzuordnen, können den BBUs und ihren RRUs verschiedene Funkspektren dynamisch zugewiesen werden. Dadurch reduzieren sich auch die Probleme durch mögliche Interferenzen.

Weitere Vorteile eines Cloud Radio Access Networks sind:

• verbesserte Nutzererfahrung

• effizientere Nutzung der Hard- und Softwareressourcen des RAN (keine Ressourcenverschwendung mehr)

• geringerer Energiebedarf

• flexiblere RAN-Architektur und bessere Eignung für zukünftige Mobilfunkgenerationen

• bessere Unterstützung von Anwendungen wie das Internet der Dinge (IoT) oder Edge Computing und anderen

• vereinfachte, zentralisierte Verwaltung des Funkzugangsnetzwerks

• einfachere Netzwerkupgrades, weniger Aufwand durch zentral ausführbare Softwareupdates

• einfachere Implementierung von Small Cells oder Carrier Aggregation

• vereinfachtes und koordiniertes Management von überlappenden Funkzellen

• Nutzung von (Standard-)Hardware unterschiedlicher Hersteller

• verbesserte Quality of Service (QoS) und bessere Eignung für Echtzeitanwendungen

Mögliche Nachteile eines Cloud Radio Access Networks

Neben diesen vielen Vorteilen kann ein Cloud Radio Access Network auch einige Nachteile und Herausforderungen mit sich bringen. So erfordert die für ein performantes Mobilfunknetz notwendige Implementierung der vielen Fronthaul-Verbindungen zwischen den BBU Hotels und den RRUs mit großen Bandbreiten und niedrigen Latenzzeiten einen hohen technischen und finanziellen Aufwand. Die Virtualisierung der Netzwerkressourcen und Software-definierte Funktion macht die Verwaltung, Steuerung und Kontrolle des Funkzugangsnetzwerks unter Umständen in einigen Bereichen unübersichtlicher und komplexer.

Die Zentralisierung des Funkzugangsnetzwerks schafft eine größere Angriffsfläche für Cyberbedrohungen. Es können Sicherheitsrisiken mit weitreichenden Auswirkungen bis zur Kompromittierung des kompletten Netzwerks entstehen. Der Ausfall eines zentralisierten BBU Hotels stellt einen Single Point of Failure (SPoF) dar und kann gravierende Folgen haben. Störungen bleiben nicht lokal begrenzt, wie beim Ausfall einer einzelnen Standalone-Basisstation. Ein weiterer Nachteil ist, dass das Cloud-RAN seine Vorteile hauptsächlich in dichten, urbanen Gebieten mit hohem Datenaufkommen ausspielen kann. In ländlichen Bereichen können die Kosteneffizienz und Leistung eines Cloud-RANs schnell leiden.

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