Ein Hybrid-Konzept für die 5G Backhaul-Herausforderung
Zahlreiche Experten haben darauf hingewiesen, dass die derzeitigen Backhaul-Netze nicht in der Lage sind, die 5G-Netze zu unterstützen, die ab 2020 das Internet der Dinge ermöglichen sollen. Dieses Problem, das gemeinhin als 5G Backhaul-Herausforderung bezeichnet wird, entstand durch den Einsatz von Zellen für ultra-dichten und hohen Datenverkehr, die für die Ausbreitung von 5G-Millimeterwellen (mmW)-Netzen notwendig sind. Diese verdichteten Netze stellen sehr hohe Anforderungen an die Kapazität, Latenz, Verfügbarkeit und Energie-/Kosteneffizienz, und aktuelle Backhaul-Systeme eignen sich bei weitem nicht dafür. SANSA-Projektkoordinatorin Prof. Ana Pérez-Nera betont: „Wenn wir wollen, dass die Menschen einen richtigen Zugang zu 5G-Netzen haben, muss sich das Backhauling-Paradigma komplett ändern, um viel agiler und dynamischer zu werden und die verschiedenen Infrastrukturen, die 5G umfasst, wie Radio, Glasfaser und Satellit, nutzen zu können.“ Darüber hinaus sieht 5G die Kontinuität der Dienste vom dichtesten bis hin zum dünnsten besiedelten Gebiet oder während des Transits vor. Also wie genau machen wir das möglich? „Die Integration der Satellitenkommunikation in 5G wird eine große Rolle spielen“, sagt Prof. Pérez. Konkret haben Prof. Pérez und der Rest des von CTTC geführten SANSA-Konsortiums ein neuartiges hybrides terrestrisch-satellitisches Backhaul-Netz entwickelt, das auf zwei Kernkomponenten basiert. Die erste Komponente ist eine Reihe von intelligenten Antennen mit erweiterten Möglichkeiten für die mmW-Strahlformung. Diese Antennen werden in terrestrischen Backhaul-Knoten eingesetzt, um Netzwerktopologie-Rekonfiguration, Frequenzwiederverwendung und räumliche Interferenzminderung zu ermöglichen. Die zweite Komponente ist ein hybrider Netzwerkmanager (HNM), der die effiziente und dynamische Nutzung aller Netzwerkressourcen, sei es aus terrestrischen oder Satellitensegmenten, zur Verbesserung der Kapazität und Energieeffizienz ermöglicht. „Diese Komponenten können zusammen die Erkennung von Netzwerkwarnungen (wie z. B. Verbindungsausfälle oder Überlastung), die Rekonfiguration der Netzwerktopologie, verteiltes Routing, Lastausgleich, Traffic-Klassifizierung sowie Energiemanagement und Offline-Caching-Funktionen durchführen“, erklärt Prof. Pérez. „Intelligente Antennentechniken bieten selbstausrichtende Lösungen, während das rekonfigurierbare Netzwerk den Bedarf an Netzwerkplanung und die Überdimensionierung von Ressourcen zur Bewältigung von Verbindungsausfällen oder Überlastungen reduziert.“ SANSA schlägt außerdem ein hybrides terrestrisches und satellitengestütztes Caching-System vor, das zu erheblichen Bandbreiteneinsparungen in Backhaul-Netzen beitragen wird. Bemerkenswerterweise spielen Satelliten eine wichtige Rolle in diesem System, da sie dank ihrer großen Reichweite und ihrer Multicast-Fähigkeiten eine effiziente Platzierung von Inhalten in Edge-Caches ermöglichen. Simulationen zeigten signifikante Verbesserungen bei den Leistungskennzahlen wie aggregierter spektraler Wirkungsgrad (9fach), aggregierter Durchsatz (50 %), verpackte Lieferraten, Verzögerung (35 %) und Energieeffizienz um bis zu 37 %. Ein Machbarkeitsnachweis der beiden Komponenten hat auch gezeigt, dass SANSA effizient auf Veränderungen im Traffic-Profil reagieren kann. Schon bevor es SANSA gab, war die Kompatibilität von terrestrischer und satellitengestützter Kommunikation eine sehr sensible Angelegenheit. Sowohl die 5G- als auch die Satellitenkommunikation müssen mit hohen Frequenzen arbeiten, was die Koexistenz innerhalb desselben Spektrums sehr schwierig macht. „Dank SANSA sind wir jetzt zuversichtlich, dass Satelliten eine Schlüsselrolle in mehreren 5G-Anwendungsfällen spielen werden. Aber der Erfolg von SatComs in 5G wird weitgehend von ihrer Fähigkeit abhängen, ein Kosten/Bit-Verhältnis vergleichbar mit terrestrischen Systemen und genügend Durchsatz zu bieten, um eine breite Palette von 5G-Diensten zu unterstützen, einschließlich Offloading und Backup. Gerade deshalb werden wir die Leistungsfähigkeit der Satelliten weiter verbessern, indem wir die neuen Möglichkeiten nutzen, die ein Satellitensegment, das durch die große Überschneidung von GEO- und Nicht-GEO-Satelliten gekennzeichnet ist, in naher Zukunft bieten wird“, so Prof. Pérez abschließend.
Schlüsselbegriffe
SANSA, Satellit, Backhaul Challenge, 5G, Netzwerke, mmWave, Leistung