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Dynamically Reconfigurable Optical-Wireless Backhaul/Fronthaul with Cognitive Control Plane for Small Cells and Cloud-RANs

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Glasfasern weben sich in das 5G-Drahtlosnetz ein

Für die neue 5G-Revolution werden heterogene, flexible Lösungen benötigt, um die Netzkapazität zu steigern. Ein EU-finanziertes Projekt hat neuartige integrierte, Ende-zu-Ende-Transportlösungen für mobile Netzwerke vorgestellt, die dabei helfen sollen, die Anforderungen künftiger 5G-Anwendungsfälle zu erfüllen.

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Es wird erwartet, dass im Vergleich zum Jahr 2010 der mobile Datenverkehr bis zum Jahr 2020 um einen Faktor von 1 000 zunimmt. Für die 5G-Netzwerke, die diesen Tsunami mobiler Daten möglich machen sollen, müssen neben Fronthaul- und Backhaul-Lösungen auch die neuen Funkzugangs- und mobilen Kernnetze implementiert werden, um diesem erhöhten Datenaufkommen gerecht zu werden. Diese neue mobile Technologie wird sowohl die kabellose als auch die kabelgebundene Seite der Netzwerkinfrastruktur erheblich beeinflussen. Mit Blick auf diese Herausforderung empfiehlt das EU-finanzierte Projekt 5G-XHaul eine Lösung mit einem konvergenten Netz, bei dem neuartige optische und drahtlose Technologien zum Einsatz kommen, um Ende-zu-Ende-Transportleistungen anbieten zu können. „Flexible Drahtloslösungen sowie optische Verbindungssysteme mit äußerst hoher Kapazität werden für dynamische Backhaul- und Fronthaul-Architekturen unbedingt benötigt. Aber bis jetzt gab es keinen Konsens darüber, wie beide Technologien auf effiziente Art und Weise miteinander kombiniert werden können“, bemerkt Projektkoordinator Prof. Eckhard Grass. Das Beste aus beiden Welten 5G-XHaul kombiniert effizient optische und drahtlose Technologien und geht damit entscheidende Herausforderungen im Bereich Interoperabilität an. Die vorgestellte Architektur genügt sowohl gegenwärtigen als auch künftigen 5G-Mobilfunknetzen und richtet sich an Endbenutzer wie auch an Dienstleister. Die physische Architektur von 5G-XHaul besteht aus einer hybriden optischen Netzwerkplattform, die aktive und passive Elemente kombiniert. Für den Backhaul setzten die Forscher ein Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM) ein, das zusätzlich die dynamische und feingranulare Bandbreitenzuweisung, die als Time-Shared Optical Network (zeitabhängig geteiltes optisches Netz, TSON) bezeichnet wird, unterstützt. Das elastische optische Netz ist ein perfektes Beispiel für eine dynamische rahmenbasierte Lösung, die für die variierenden, mit verschiedenen Funkzugangsnetzanwendungen eingeführten Grade der Bandbreiten- und Latenzanforderungen geeignet ist. Für den Fronthaul implementierte das Team WDM über ein optisches Netz, das keinerlei aktive Komponenten enthält (Passives Optisches Netz, PON). Diese WDM-PON-Lösung, die auf autonomer Wellenlängenanpassung basiert, befördert auf transparente Art und Weise mobile Backhaul- und Fronthaul-Daten über unterschiedliche Wellenlängen. Ebenso wurde eine große Palette an Funkzugangstechnologien angewendet, um das Glasfasernetz auszuweiten. Die Forscher konzentrierten sich auf massive Multiple-Input-Multiple-Output-Systeme (MIMO) und Technologien, die mit Millimeterwellen-Spektren sowie Spektren unter 6 GHz arbeiten. Millimeterwellen-Technologien benutzen viel höhere Trägerfrequenzen als 4G und WLAN und stellen im Kontext von 5G-XHaul eine Ergänzung zur Anbindung kleiner Zellen an die übergeordnete Zelle dar. Virtualisierung ist der Schlüssel zum Erfolg mit 5G Für das 5G-Netz muss beim Kernnetzwerk wie auch beim Randbereich eine Virtualisierung stattfinden. Die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen sowie Software-defined Networking (SDN) sind wesentliche Schritte in diese Richtung. Mit der flexiblen SDN-Control Plane (Kontrollebene), die 5G-XHaul empfiehlt, wird eine Infrastruktur erstellt, die in Netzwerkscheiben, sogenannte „network slices“, unterteilbar ist und von denen jede durch einen anderen Betreiber unabhängig kontrolliert werden kann. Dieses über SDN kontrollierte Netz gestattet eine flexible und software-definierte Rekonfiguration aller Netzwerkfunktionen und erstellt eine Prognose zum Datenverkehr (räumlich wie zeitlich). Für die effektivere Gestaltung von Netzkontrolle und -management entwickelten die Forscher einen Mechanismus zur Reduzierung des Signalaufkommens. „Die SDN-Architektur von 5G-XHaul ermöglicht eine automatische Bereitstellung von Multi-Domain-Verbindungsdiensten in 5G-Transportnetzen innerhalb von Sekunden“, bemerkt der technische Koordinator von 5G-XHaul Dr. Daniel Camps. Ein Feldtest, bei dem die neuartigen optischen und Drahtlostechnologien von 5G-XHaul für das ganze Stadtgebiet von Bristol aktiviert sowie von der SDN-Control Plane überwacht wurden, bot die Gelegenheit, die gesamte Architektur des Projektes zu präsentieren. Die Funktionsfähigkeit und die Ende-zu-Ende-Leistung bei dieser Demonstration im Feld bestätigten, dass die Lösung von 5G-XHaul für 5G geeignet ist. Die Projektergebnisse haben eine besondere Relevanz für künftige Netze, die dynamisch sein und sich selbst verwalten können müssen, um Milliarden an verbundenen Geräten zu bedienen. „Unsere neue Netzwerklösung kann flexibel kleine Zellen mit dem Kernnetzwerk verbinden. Sämtliche Mobilitätsmöglichkeiten werden für den Benutzer erschlossen, denn die Zuweisung von Netzressourcen an prognostizierte und tatsächliche Hotspots geschieht dynamisch. Diese dynamische Zuweisung entspricht den Bedürfnissen der Benutzer“, schließt Prof. Grass.

Schlüsselbegriffe

5G-XHaul, 5G, drahtlos, Backhaul, optisches Netz, Fronthaul, Optisches Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM), Passives Optisches Netz (PON), Software-defined Networking (SDN), Millimeterwelle, Virtualisierung von Netzwerkfunktionen

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