Fronthaul

Was ist Fronthaul?

Der Begriff Fronthaul, oft auch als Mobile Fronthaul bezeichnet, beschreibt die Glasfaserverbindung zwischen den Funkmodulen (Remote Radio Heads, RRH) an Mobilfunkmasten und den zentralen Basisbandeinheiten (BBU) in modernen Netzarchitekturen wie dem Cloud Radio Access Network (C-RAN). Diese Struktur ermöglicht die zentrale Steuerung mehrerer Antennenstandorte und schafft so die Grundlage für schnelle, flexible und leistungsfähige Mobilfunknetze.

Fronthaul ist aus der Entwicklung von LTE-Advanced-Netzwerken (Long Term Evolution Advanced) hervorgegangen, die 2012 von der International Telecommunication Union (ITU) zugelassen wurden. Der Fronthaul ergänzt die Backhaul-Verbindungen zwischen dem zentralen Netz und der BBU und ermöglicht eine schnelle Datenübertragung sowie eine dichtere Netzabdeckung.

Die Einführung der Fronthaul-Technologie hat sich in den letzten Jahren mit der steigenden Nachfrage nach C-RAN-Implementierungen und dem Aufkommen der Technologie der fünften Generation (5G) beschleunigt. Bei der 5G-Technologie wird Fronthaul verwendet, um alle Generationen der drahtlosen Kommunikation zu unterstützen. Fronthaul-Konfigurationen und ihre Anpassungsfähigkeit sind entscheidend, um die Anforderungen an Latenz, Zuverlässigkeit und Durchsatz von fortschrittlichen Anwendungen in 5G-Netzwerken auszugleichen.

Der Fronthaul besteht aus eigenständigen Radio Heads und zentralisierten Basisband-Controllern, die an entfernten Zellstandorten installiert sind. Die RRHs und BBUs bilden funktionale Blöcke. Die entsprechenden Geräte befinden sich auf den Mobilfunktürmen.

In diesem Szenario verbleibt die RRH-Hardware am Zellstandort. Die BBU wird an einen zentralen Ort verlagert, um mehrere RRHs zu bedienen. Die optischen Netzwerkverbindungen, die mehrere RRHs mit der zentralisierten BBU verbinden, werden als Fronthaul bezeichnet.

Was ist der Backhaul?

Der Begriff Backhaul ist bekannter als Fronthaul. Es bezieht sich auf die Verbindungen zwischen einem Mobilfunknetz und einem kabelgebundenen Netz, die den Datenverkehr von verschiedenen Zellstandorten zu einer Mobilfunkvermittlungsstelle zurückführen.

Diese miteinander vernetzten Verbindungen bilden Makrozellenstandorte, an denen Daten von langsameren T1/E1-Verbindungen, die auf dem Zeitmultiplexverfahren (TDM) basieren, auf paketbasierte Ethernet-over-Fiber-Verbindungen übertragen werden. An diesen Makrozellenstandorten befinden sich auch BBUs, die Steuerungs- und Benutzerdaten verarbeiten und mit Funkeinheiten verbunden sind, welche Funksignale erzeugen.

Bei der drahtlosen Kommunikation ermöglicht die mobile Backhaul-Netzwerkarchitektur den Transport von Sprache oder Daten zwischen den drahtlosen Access Points (AP) zum Telefonnetz oder dem Internet über ein drahtloses lokales Netzwerk (WLAN).

Was ist der Unterschied zwischen Backhaul und Wireless Fronthaul?

Fronthaul und Backhaul spielen beide eine Rolle bei der Verbindung des Endnutzers oder Knotens mit einem größeren Netzwerk. Ein Hauptunterschied zwischen Fronthaul und Backhaul ist der Teil des Netzwerks, in dem die Technologie eingesetzt wird. Der Backhaul verbindet das mobile Netzwerk mit dem kabelgebundenen Netzwerk, während der Fronthaul die Netzwerkarchitektur beschreibt, die die entfernten Zellstandorte mit der BBU verbindet.

Genauer gesagt, ist der Wireless Backhaul das drahtlose Kommunikationssystem, das Daten von einem entfernten Standort zu einem Hauptnetzwerk bringt. Dieses Hauptnetzwerk kann das Internet oder ein proprietäres Unternehmensnetzwerk sein. In der Fronthaul-Architektur sind die eigenständigen RRHs an den Zellstandorten vom Basisband-Controller getrennt, wodurch die Signalreichweite des Mobilfunkmasts erweitert wird.

Welche Arten von Fronthaul-Netzwerken gibt es?

Es gibt mehrere verschiedene Arten von Fronthaul-Netzwerken, die die Geschwindigkeit erhöhen und eine niedrige Latenz bieten. Dazu gehören die Folgenden:

• Enhanced Common Public Radio Interface (eCPRI): Dieses Fronthaul-Netzwerk trägt zur Standardisierung der Split-Architektur bei, die in 5G-Fronthaul-Komponenten enthalten ist und die RRHs von der BBU trennt. Es senkt den Datenratenbedarf und die Komplexität zwischen den Funkgeräten und der Steuerung der Funkgeräte.
• Passive optische Netzwerke (PON): PONs verwenden optische Splitter und eine Punkt-zu-Multipunkt-Topologie.
• Wellenlängen-Multiplexing (WDM): Diese Netzwerke verwenden Laserlicht, um mehrere Signale mit unterschiedlichen Infrarot-Wellenlängen für die Glasfaserübertragung zu kombinieren. WDM erhöht die Effizienz von Fronthaul-Glasfaserverbindungen.

Was ist ein 5G-Fronthaul?

Ein 5G-Fronthaul ermöglicht erweitertes mobiles Breitband (eMBB), ultrazuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (Ultra-Reliable Low-Latency Communications, uRLLC) und massive maschinenartige Kommunikation (Machine-Type Communication, mMTC) für das Internet der Dinge (IoT). 5G bietet Gigabit-Geschwindigkeiten sowie niedrige Latenzzeiten und hilft beim Aufbau von Fronthaul-Transportkapazitäten.

Fronthaul steigert die Netzwerkleistung und macht sie flexibler und effizienter. Vor der Einführung müssen jedoch viele Faktoren berücksichtigt werden. Darunter sind die Art des Spektrums, die Menge an Glasfaser am Boden, das verfügbare Know-how und die Netzwerktopologie.

Die Entwicklung von Fronthaul

Der Fronthaul in Mobilfunknetzen entwickelte sich, als der Bedarf an Bandbreite und niedriger Latenz stieg. Darüber hinaus wuchs mit der Nachfrage nach optischen Netzwerken für Breitbanddienste auch der Fronthaul-Markt.

Das Aufkommen von RAN der nächsten Generation beschleunigte den Einsatz von Fronthaul-Glasfasern. Split-Fronthaul-Architektur, Multiplexing und Virtualisierung unterstützten diese Glasfaserimplementierungen, und als solches ist der eCPRI-Fronthaul nun entscheidend für die 5G-Technologie.

Vor den Technologien der vierten Generation (4G) dominierte die Glasfaser die Transportnetze. Unterschiedliche Funkelemente wurden mit verschiedenen zentralisierten Controllern über CPRI verbunden, das 2003 aufkam und als das Mainstream-Transportprotokoll in modernen Fronthaul-Netzwerken bezeichnet wurde.

Die anschließende Entwicklung von MIMO-Technologien (Multiple Input, Multiple Output) ermöglichte Mehrträgerkonfigurationen höherer Ordnung. Diese Art von Schnittstelle unterstützte die gemeinsame Nutzung der Infrastruktur und die dynamische Kapazitätszuweisung. Sie trug dazu bei, ein vollständig offenes RAN zu schaffen, das für 5G-Anwendungen und -Einsätze verwendet wird.

Zu den Herausforderungen bei der Entwicklung von mobilen Fronthaul-Netzwerken gehören begrenzte Netzwerkoptionen und ein Mangel an Fachwissen auf diesem Gebiet. Diese Probleme könnten das Wachstum in den nächsten Jahren einschränken. Aber 5G-Netzwerke bieten lukrative Möglichkeiten zur Skalierung, und es wird erwartet, dass Unternehmen diese Herausforderungen überwinden werden.