5G Radio Access Network

Funktionsaufteilung – die Grundlage eines offenen 5G-RAN

13. Oktober 2021, 8:47 Uhr | Autor: Olli Andersson / Redaktion: Diana Künstler | Kommentar(e)

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Funktionsaufteilung

Bei der Beschreibung der Funktionsaufteilung werden CU und DU als eine einzige logische Einheit betrachtet, da sich Aufteilung auf das Fronthaul-Netzwerk bezieht. Übergeordnete Funktionen des Stacks können zwischen CU und DU über das Midhaul-Netzwerk weiter verteilt werden. Wie später erläutert wird, sind die Bitraten und Latenzanforderungen zwischen Stack-Funktionen der höheren Ebenen viel weniger anspruchsvoll, was mehr Flexibilität bei der Wahl des Midhaul-Transports bietet. In der Praxis hat sich die Branche für eine Aufteilung zwischen CU und DU geeinigt, bei der die Netzwerkschichtfunktion (RRC) und die PDCP-Funktion aus der Datenübertragungsebene in der CU gehostet werden.

Innerhalb der acht 3GPP-definierten Hauptoptionen für die Funktionsaufteilung ist Option 7 weiter in die Unteroptionen 7.1, 7.2 und 7.3 unterteilt, auf die später näher eingegangen wird.

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Funktionsaufteilungen für 5G
Acht Funktionsaufteilungen definieren, wie der 5G-NR-Stack den logischen Knoten zugeordnet wird.
© Benetel

Nebenstehendes Bild beschreibt die acht wesentlichen Aufteilungen, wobei jede einen anderen Kompromiss zwischen den Vorteilen der Zentralisierung und den Anforderungen des Fronthaul-Netzwerks bietet. In Option 8 ist die gesamte Stack-Funktion zentralisiert, und diese Aufteilung entspricht der ursprünglichen C-RAN-Konfiguration. Option 8 maximiert die Vorteile der zentralisierten Basisbandverarbeitung und ermöglicht den Lastausgleich sowie die gemeinsame Nutzung der Verarbeitungskapazität auf mehrere RUs. Durch die zentralisierte Basisbandfunktion lassen sich viele Netzwerkfunktionen virtualisieren, wobei die Software auf generischen COTS-Hardwareplattformen gehostet wird. Da nur noch die HF-Funktionen am Remote-Standort verbleiben, vereinfacht sich die RU zu einer kleineren Einheit mit geringerem Stromverbrauch und weniger Wartungsanforderungen. Die meisten Netzwerk-Upgrades lassen sich an der CU durchführen, was weniger Besuche vor Ort erfordert. Die vereinfachte RU kann mehrere RATs (Radio Access Technologies; Funkzugangstechniken) verarbeiten, was den Platzbedarf des Funkmasts weiter verringert, an dem weiterhin mehrere Mobilfunkgenerationen unterstützt werden müssen.

Durch die vollständige Zentralisierung der Funktion des 5G-RAN-Stacks stellt die Option 8 die höchsten Anforderungen an das Fronthaul-Netzwerk – mit hohen Bitraten und strengen Latenzanforderungen. Dies liegt daran, dass Informationsflüsse auf den höheren Ebenen des Stacks weniger datenintensiv sind als die auf der untersten PHY-Schicht, die im Wesentlichen digitale Bits in Funkwellen in Richtung Downlink (DL) und umgekehrt in Richtung Uplink (UL) umwandelt. Funktionen in der PHY-Schicht, zum Beispiel CRC-Modulation (Cyclic Redundancy Checking), Mapping und Kodierung, fügen jeweils Informationen zu den Datenblöcken hinzu, die von der höheren MAC-Ebene empfangen werden, was zu zunehmend höheren Bitraten führt, wenn die Informationen in Richtung der HF-Funktion fließen.

Darüber hinaus erfordert die zeitkritische Kommunikation zwischen der PHY-Funktion und bestimmten übergeordneten Prozessen wie Hybrid ARQ (HARQ), Umlaufverzögerungen von nur 5 ms. Die Fronthaul-Anforderungen der Option 8 beschränken ihre Verwendung auf Szenarien, in denen Glasfaser wirtschaftlich vertretbar ist, zum Beispiel in städtischen Gebieten oder wenn sie bereits im Besitz des Betreibers ist. Am anderen Ende der Skala erfolgt bei einer Aufteilung von Option 1 die gesamte Basisbandverarbeitung innerhalb der RU, die größer, komplexer und leistungsfähiger wird (ergo mehr Strom verbraucht) als die vereinfachte RU der Option 8. Die Fronthaul-Netzwerkanforderungen der Funktionsaufteilung 8 sind jedoch viel einfacher, da der gesamte Stack in der RU gehostet wird und mehr Verarbeitung erfolgt, bevor die Daten zwischen RU und CU übertragen werden. Dies führt zu viel niedrigeren Bitraten und höheren Latenztoleranzen im Fronthaul-Netzwerk. Die verbleibenden Funktionsaufteilungsoptionen 2 bis 7 variieren im Grad der Basisbandverarbeitung, die in der RU verbleibt, und nicht in der DU/CU gehostet wird (Bild 2). Je höher die Aufteilungsstufe, desto geringer sind die Anforderungen an die Fronthaul-Verbindung, wobei die Vorteile der Zentralisierung abnehmen. CoMP (Coordinated Multipoint) ist z.B. eine wichtige Technik im 5G-RAN, die den Service am Zellenrand verbessert, indem sie Verbindungen zu mehreren gNBs gleichzeitig ermöglicht. Die CoMP-Leistungsfähigkeit wird ab Aufteilungsstufe 5 beeinträchtigt, und ab Stufe 2 geht diese Fähigkeit effektiv verloren.

7.X-Aufteilungen
Die Fronthaul-Bitraten variieren erheblich über den Funktionsaufteilungen.
© Benetel

Das Bild zeigt die 3GPP-Ergebnisse von Berechnungen der Fronthaul-Bitraten für jede Funktionsaufteilung. (Obwohl die Berechnungen für ein LTE-Netzwerk durchgeführt wurden, sind die Ergebnisse auch für 5G-NR relevant.) Die Grafik zeigt, dass die Fronthaul-Bitraten für die Low-Level-Funktionsaufteilungsoptionen 7 und 8 am höchsten sind, für High-Level-Aufteilungen signifikant abfallen und über die Optionen 1 bis 5 ziemlich konstant sind. Sie verdeutlicht, warum in der Branche so viel Interesse an der Option 7 oder Funktionsaufteilungen auf PHY-Ebene besteht, die ein ausgewogenes Verhältnis zwischen RU-Komplexität, Fronthaul-Bandbreite und Zusammenarbeit zwischen den Zellen bieten.


  1. Funktionsaufteilung – die Grundlage eines offenen 5G-RAN
  2. Funktionsaufteilung
  3. Aufteilung auf unterer Ebene

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