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Mass-Trans Innovation Japan 2019
Mass-Trans Innovation Japan 2019
Mass-Trans Innovation Japan (MTIJ) is a biannual trade show and the only one specialised in railways technology in Japan. 
27.11.2019 - 29.11.2019
Deutsch
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Netzwerkauslagerung über Kleinzellen und DAS

Netzwerkauslagerung über Kleinzellen und DAS
Die Fiberoptikkonvergenz für mobile Netze ist eine anspruchsvolle Anwendung mit sich rasch ändernden Anforderungen und daher ein viel diskutiertes Thema für alle Mobilfunkbetreiber.

Zentralisierte Architektur

Fasern werden hauptsächlich in Backhaul-Netzen eingesetzt, die die Basisbandeinheit (Baseband Unit, BBU) mit dem Kernnetz verbinden. Seit einigen Jahren wird jedoch ein neuer Ansatz für die Erstellung von flexiblen Mobilnetzen vorangetrieben, bei dem auch für die Verbindung von der Basiseinheit an die Antenne Fiberoptik genutzt wird. Diese Vorgehensweise wird als Fronthaul bezeichnet.

Traditionell  werden BBU und Remote-Radio-Head (RRH) in einem Schrank in der Nähe der Antenne kopositioniert, und ein Koax-Kabel dient zur Verbindung des RRH und der oben auf der Funkzelle positionierten Antenne. Mit dem Übergang auf fiberoptikbasierte Verbindungen wird der RRH in der Nähe der Antenne oben auf der Funkzelle positioniert und mit der BBU verbunden (siehe Abb. 2b). Mit Fiberoptik können alle von Koax auferlegten Beschränkungen hinsichtlich Distanz, Gewicht und Energie überwunden werden. Da längere Distanzen möglich sind, kann das Fronthaul-Netz an einer zentral positionierten Basisstation in der Zentrale mit der erforderlichen Anzahl an BBU für mehrere Basisstationen ausgestattet werden.


Die gestapelte BBU-Architektur in der Zentrale zur Erstellung einer zentralen BBU (C-BBU) wird als zentralisierte Architektur bezeichnet. Diese Architektur erleichtert die Wartung an einem einzelnen Standort, bietet bessere Sicherheit (keine einbruchgefährdeten Schränke) und reduziert die Energienutzung. In LTE-Netzen vereinfacht die Kopositionierung von BBU zudem die X2 Schnittstelle und reduziert die verbundenen Latenz- und Synchronisierungsprobleme auf ein unbedeutendes Mass. Die X2 Schnittstelle bietet einen Datenaustausch zwischen den BBUs für eine reibungslosere Übertragung und Koordination.

Obwohl die Verbindung zwischen jedem RRH und BBU mit einer dedizierten Faser bereitgestellt werden kann, wäre die effizienteste Lösung eine Bereitstellung des Wellenlängen-Multiplexing über eine einzige Faser. Eine aktive Wellenlängen-Multiplexinglösung (Wavelength Division Multiplexing, WDM) in Fronthaul hätte strenge Anforderungen an die Signalsynchronisation. Beim Design des auf einem aktiven System basierenden Netzwerks würden zudem Raum- und Leistungseinschränkungen eine vorherrschende Rolle spielen.

Passive WDM würden andererseits Niedriglatenzlösungen bieten, bei denen farbige Transceiver direkt im RRH zur Bereitstellung des erforderlichen WDM-Wellenlängensignals eingesetzt werden.

Netzwerkauslagerung über Kleinzellen und DAS

Wenn der Mobilfunkbetreiber Abdeckung und Kapazität in einem spezifischen Bereich verbessern möchte, bietet sich die Auslagerung über dezentrale Antennensysteme (Distributed Antenna Systems, DAS) und Kleinzellen als eine zunehmend populäre Architekturalternative zur Makrostandort-Erweiterung an. Bei schlechter Makronetzabdeckung ist eine DAS-Lösung ebenso von Bedeutung.

Ein DAS-Netzwerk verfügt über räumlich getrennte Antennen, die einzeln über Fiberoptik mit der Basisstation oder Zentrale verbunden sind, wo die Basisbandverarbeitung erfolgt. Ein DAS-System bietet den Vorteil, dass es von mehreren Betreibern gemeinsam genutzt werden kann. In einem solchen Fall verbindet jeder Betreiber seine eigenen Basisstationen mit dem gemeinsamen Verteilungssystem. Ein DAS kann sowohl im Innenbereich (iDAS) als auch im Aussenbereich (oDAS) implementiert werden.

Kleinzellen können die Verarbeitung am selben Standort durchführen. Heute werden die meisten Kleinzellen als einzelnes Frequenzband für einen einzelnen Betreiber konzipiert. Ähnlich wie für Makrostandort-Back-/Fronthauling kann Fiberoptik für DAS- und Kleinzellen-Backhauling optimiert werden.

Dank verlustarmer Übertragung und der Multiplexing-Fähigkeit der Fiberoptik können vielfache Kleinzellen und Makrozellen über mehrere Kilometer Distanz mit der Zentrale verbunden werden, während die Bearbeitung weiterhin am zentralen Standort erfolgt.

Die fiberoptikbasierte Zugangstechnik hat sich mit PON (passives optisches Netzwerk) Fiber-to-the-Home-Anwendungen zu einer ausgereiften Technologie entwickelt. Obwohl Fiber-to-Wireless Backhaul- oder Fronthaul-Netze erst seit kurzer Zeit verwendet werden, hat sich die Technologie bereits bestens bewährt. Dabei ist zu beachten, dass die optischen Elemente, wie in den folgenden Abschnitten besprochen wird, bestimmte Bedingungen für eine Drahtlosumgebung erfüllen müssen, um das fiberoptikbasierte drahtlose Netzwerk belastbar und zukunftssicher zu machen.

Unterschiedliche Transceiver-Typen

Transceiver sind die wichtigsten Bestandteile jedes Netzwerks. Graue Optiken mit 850 nm oder 1310 nm mit Datenraten bis zu 10 Gb/s werden heute hauptsächlich auf einem einfachen Punkt-zu-Punkt Fronthaul-Fasernetz bereitgestellt, und die Mobilfunkbetreiber oder Carrier erhöhen die Kapazität pro Funkzelle durch Stapeln von mehr Antennen. Jede dieser Antennen mit ihrem eigenen RRH erfordert dann eine dedizierte Faser für die Fronthaul-Verbindung. Zudem sind mehrere dieser Funkzellen mit zahlreichen RRH mit der C-BBU in der Zentrale verbunden. Der Bandbreitenbedarf wird daher gegenwärtig durch Hinzufügen von zusätzlichen Fasersträngen erfüllt.

Während Mobilfunkbetreiber ihre Netze mit Kleinzellen und DAS auf 4G LTE aufrüsten, wird Fronthaul allgegenwärtig sein und die Installation von neuen Fasern als zu kostspielig betrachtet werden. Nachdem die Faser eine Funkzelle erreicht, kann ihre Kapazität einfach durch Implementieren von farbigen Transceivern und Multiplexing gesteigert werden. Für passives Front-/Backhauling wird ein farbiger Transceiver mit dem RRH mit einem passenden Transceiver an der C-BBU verbunden. Dazu wird das CPRI (Common Public Radio Interface) oder OBSAI (Open Base Station Architecture Initiative) -Protokoll verwendet.

CPRI wurde 2003 in Zusammenarbeit von Ericsson, Huawei, NEC, Nortel und Siemens als Standard für die digitalisierte Basisstation-Schnittstelle zwischen dem Controller und dem RRH festgelegt [7]. Die Funksteuerung (Radio Equipment Controller, REC) in der Zentrale und der RRH müssen mindestens eine der CPRI-Optionen (siehe Abb. 4) mit den jeweiligen Leitungs-Bitraten unterstützen.

Die CPRI-Leitungsrate umfasst die Informationsdaten mit Signal- und Steuerdaten. CPRI-Raten sind gegenwärtig bis zu 10,1376 Gb/s definiert. Eine CPRI-Leitungsrate kann eine LET-Carrier-Bandbreite von 20 MHz mit einer 8x8 MIMO-Antenne aufrechterhalten.

OBSAI entstand aus der Zusammenarbeit zwischen Hyundai, LGE, Nokia, Siemens und ZTE in 2002. Ähnlich wie CPRI liegen die OBSAI-Raten in einem Bereich von 728 Mb/s bis 6,8 Gb/s. Derzeit ist die Marktpenetration von CPRI höher als von OBSAI. Die Leitungslänge zwischen BBU und RRU mit CPRI kann mehrere zehn Kilometer betragen. In dichtbesiedelten Gebieten oder an Orten mit unzureichenden drahtlosen Internetdiensten kann die Auslagerung von Kleinzellen und DAS durch Positionieren von weiteren farbigen Transceivern mit Ethernet-Protokoll an der Funkstelle und dem Colocation-Standort konzipiert werden. Die Ethernet-Geschwindigkeiten liegen in einem Bereich von GbE bis zu 100 Gb/s.

Die Transceiver an den Remote-Standorten müssen jedoch robust und widerstandsfähig sein, um extremen Umgebungsbedingungen standzuhalten, da nicht alle Standorte witterungsgeschützt sind. Gegenwärtig sind alle 2,45 Gb/s Coarse WDM (CWDM)-Wellenlägen sowie acht 9,83 Gb/s CWDM Red Lambda (1470 nm - 1610 nm) CPRI-Transceiver für raue Umgebungen (mit einem Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C) erhältlich. Bei der Konzipierung eines Front-/Backhauling-Netzes ist es wichtig, alle lieferbaren Baugrössen, Wellenlängen, Leistungsbudgets und vor allem Betriebstemperaturbereiche (besonders wichtig bei der Planung eines passiven Netzes) zu prüfen.

WDM für höhere Kapazität

Multiplexing kann in verschiedenen Dimensionen erreicht werden: Zeit, Wellenlänge, Modulation/Phase, Polarisation und Raum. Wellenlängen-Multiplexing (Wavelength Division Multiplexing, WDM) ist das Multiplexing unterschiedlicher Kanalwellenlängen in eine einzelne Faser und eine der besten Methoden zur einfachen Erweiterung der Netzwerkkapazität. Je nach Faserverfügbarkeit, Diensten und Standorten der Basisstationen und der Zentrale kann ein Fronthaul-/Backhaul-Netz viele verschiedene Topologien, z. B. Ring, Bus, Daisy-Chain oder Punkt-zu-Punkt, aufweisen und entweder einzelne Fasern oder Faserpaare nutzen, die alle durch Multiplexing verstärkt sind.

Je nach Wellenlänge oder Frequenzabstand zwischen angrenzenden Kanälen wird das WDM in zwei Haupttypen aufgeteilt: Dense WDM (DWDM) und Coarse WDM (CWDM). Aufgrund der sehr nahe beieinander liegenden Kanäle beim DWDM und den niedrigeren Linienbreiteanforderungen des DWDM-Systems sind stabilere Laser wie DFB oder ECL erforderlich.

Bei einem CWDM-System können andererseits FP-Laser verwendet werden, die kostengünstiger sind als die für DWDM-Systeme erforderlichen Laser. Der Übertragungslaser kann häufig mit einem Temperaturregler eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass die zentrale Wellenlänge des Lasers nicht zu stark von der Betriebsbandbreite abweicht. Ob für ein Netzwerkdesign CWDM oder DWDM verwendet wird, hängt hauptsächlich von der Distanz, Anzahl der Kanäle und erforderlichen Datenrate ab. Durch Add-/Drop-Multiplexer wird zusätzliche Flexibilität hinsichtlich der Standorte erzielt. SK Telecom in Südkorea war einer der ersten Betreiber, der WDM in Fronthaul-Netzen einsetzte.

CWDM bietet bis zu 16 Kanäle, während DWDM bis zu 80 Kanäle (im C-Band) übertragen kann. Dies kann auf weitere 80 Kanäle erweitert werden, wenn das L-Band in Erwägung gezogen wird. Mit dem WDM-Verfahren sind der Kapazitätssteigerung keine Grenzen gesetzt. Da der Kostenfaktor bei den Einsätzen jedoch eine äusserst wichtige Rolle spielt, befinden sich DWDM-Systeme mit wettergeschützter Spezifikation noch in der Entwicklung. CWDM-basiertes Fronthauling bietet sehr viel grössere wirtschaftliche Vorteile, und da CWDM-Transceiver extremen Bedingungen standhalten können, werden sie heute in den meisten neuen Fronthaul-Installationen eingesetzt.

Passives WDM gewinnt ebenfalls zunehmend Anklang, da es keine Stromversorgung und keine Verwaltung an den Remote-Standorten erfordert und so keine zusätzlichen Betriebskosten verursacht. WDM kann in extrem kompakten und robusten Gehäusen (siehe Abb. 5) eingebaut werden und erfüllt die Anforderungen für die Nutzung in Aussenanlagen (Outside Plant, OSP).

Schutz des Front-/Backhaul-Netzes

Da der Umsatz pro Bit für Mobildaten sehr gering ist, ist es von grösster Bedeutung, eine Lösung mit kosteneffektiven Investitionsaufwendungen und Betriebskosten bereitzustellen, die gleichzeitig eine zukunftssichere Technologie für nahtlose Kommunikation darstellt. Obwohl die Kosten ein wichtiges Entscheidungskriterium sein können, muss der Optikfaser-Leitungsschutz für Kleinfaser- und Makrofasereinsätze robust genug sein, um schwierigen Umgebungsbedingungen und Stromausfällen standzuhalten.

In Abb. 6 wird der Einsatz von semi-passiven OPS in einer mobilen Fronthauling-Anwendung dargestellt. Dieses Beispiel beruht auf der Nutzung von 16 bidirektionalen Diensten (CPRI oder GbE) für die Übertragung zwischen der Zentrale und dem RRH-Knoten über zwei Fasern. Am RRH-Knoten wird ein passiver Koppler und in der Zentrale ein aktiver Schalter verwendet. Ein RRH-Knoten verfügt typischerweise über mindestens drei RRH. In diesem Beispiel werden drei RRH berücksichtigt, die unabhängig voneinander in drei unterschiedlichen Wellenlängen operieren.

Die korrekte Wellenlänge wird durch Einfügen des entsprechenden Transceivers am RRH erzielt. Mit Hilfe eines Multiplexers werden die drei unterschiedlichen Wellenlängen in drei Fasern in einer einzigen Faser zusammengeführt. Der 3-dB-Koppler nach dem Multiplexer teilt das WDM-Signal in zwei Arbeits- und Backup-Leitungen auf. In der Zentrale erkennt der aktive Schalter das Signal in der Arbeitsleitung und schaltet bei Ausfällen auf die Backup-Leitung um.

Da am RRH-Ende rein passive Koppler verwendet werden, ist bei einer solchen semi-passiven OPS-Architektur keine Stromversorgung am Remote-Knoten erforderlich. Dies minimiert die Betriebskosten und macht das Konzept bei Stromausfällen belastbar. Bei Bedarf besteht ausserdem die Möglichkeit einer passiven Fernüberwachung und -verwaltung durch Implementieren eines Reflektors am RRH-Knoten. Dieses Design eignet sich für den Einsatz in rauen Umgebungen und erweiterten Temperaturbereichen und unterstützt WDM oder OADM-Integration (Optical Add-/Drop) für Punkt-zu-Punkt- und Ring-Topologien. Die BBU in der Zentrale verfügt über Netzwerkverwaltungszugriff auf den Schalter zur Überwachung der vom Endbenutzer festgelegten Grenzwerte.

Passive Überwachung für Front-/Backhauling

Die neuartige reflektorbasierte Echtzeit-Faserüberwachung für die Fronthauling-Anwendung wird wie in Abb. 7 dargestellt implementiert. Bei dieser Methode wird nicht nur der Fehler sondern auch die zugrundeliegende Ursache ermittelt, was dem Bediener eine rasche Diagnose des Problems ermöglicht und standortgebundene Wartungsbesuche reduziert. Zur Verbindung der CPRI-/GbE-Dienste mit dem 1625/1650 nm Anschluss für OTDR-Überwachung ist ein WDM-Multiplexer in der Zentrale erforderlich.

Am fernen Ende wird ein Reflektor mit der Baugrösse eines In-Line-Attenuator eingefügt. Ein im Adapter integrierter Filter blockiert die Wellenlänge von 1650 nm und überträgt Wellenlängen von 1260–1618 nm. Das reflektierte OTDR Signal mit 1650 nm kehrt zum OTDR-Empfänger zurück, der daraufhin die Distanz der Reflektorenstandorte anzeigt. Der Reflektor kann ausserdem als Patchkabel oder Abschlussstück gefertigt werden. Die Baugrösse ist abhängig von der gewünschten Spezifikation und den Installationserfordernissen.

In der Praxis befinden sich die Reflektoren an verschiedenen Fronthauling-Zweigstellen nicht in gleichem Abstand von der Zentrale. Nach ordnungsgemässer Installation können die Reflektoren zur Diagnose eines Live-Netzwerks ohne Dienstunterbrechung verwendet werden.

Die Fehlerzuordnung erfolgt durch einen Vergleich der bei Installation aufgezeichneten Referenzkurve jeder Zweigstelle mit der Live-Kurve. Dank der hohen Reflektivität (95 %) des Reflektors ist die Ortsauflösung des OTDR für bessere Leistung optimiert. Der Reflektor verursacht eine Einfügungsdämpfung von max. 1 dB, die bei der Netzwerkplanung einkalkuliert werden muss.

Der passive Vorteil

Mit der raschen Zunahme an mobilen Fronthaul-/Backhaul-Einsätzen ist es wichtig, sich für eine Technologie zu entscheiden, die eine gute Kapitalrendite verspricht. Spektral effizientes, passives Mobil-Fronthauling und Backhauling mit WDM-Wellenlängen bietet folgende Vorteile:
  • Kapazitätssteigerung pro Funkzelle mit einfachen Plug-and-Play-Modulen.
  • Betriebswirtschaftlicher Vorteil mit niedrigeren Investitionsaufwendungen (< 50 % vgl. mit aktiver Lösung) und niedrigeren Betriebskosten (Support/Wartung, Standortmiete und Energieeinsparung).
  • Niedrigere Latenz verbessert die maximal zulässige Distanz.
  • Erfordert weniger Ressourcen hinsichtlich Raum-, Energie-, Kühlerfordernissen mit zentral positionierter BBU
  • Robust und widerstandsfähig für die Anwendung in Aussenanlagen.
  • Vollständige Transparenz gegenüber Carrier-Dienstleistungen, d. h. unabhängig von Transport, Migration und einfachen bis Langzeitänderungen.

Schlussfolgerung

In der vernetzten Welt von morgen werden wir ein bislang ungekanntes Wachstum des Datenverkehrs erleben, das den Einsatz von neuartigen Front-/Backhaul-Technologien mit verbesserter Leistung in rauen Umgebungen, reduziertem Energieverbrauch und niedrigeren Kosten erforderlich macht.

Im Zusammenhang mit diesen Anforderungen befasst sich dieser Bericht mit verschiedenen, temperaturbeständigen farbigen Transceivern, Multiplexern in unterschiedlichen Baugrössen sowie der Schutzplanung und Überwachung, die einen integralen Bestandteil des Aufbaus und der Planung eines Netzwerks darstellen und gleichzeitig die Drahtloskapazität und -abdeckung erweitern. Obwohl es keine simple Universallösung für alle Upgrades gibt, macht ein schrittweiser Ansatz für die technischen und geschäftlichen Herausforderungen die Back- und Fronthaul-Evolution jetzt einfacher und effizienter.
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