Besonders in Gebäuden, in denen viele Personen telefonieren oder mobile Daten nutzen wollen, kann oftmals eine lückenlose Verbindung nicht garantiert werden. Die einzige Lösung für eine optimale Mobilfunknutzung ist daher eine eigene Gebäudeversorgung. Diese lässt sich auf unterschiedliche Arten realisieren. Die bekanntesten Lösungen nennen sich Distributed Antenna System (DAS) und Indoor Small Cells, welche in den folgenden Abschnitten beschrieben werden. Darüber hinaus erläutert der Artikel, worauf es bei einer Mobilfunkplanung ankommt und ob die Mobilfunkprovider für die nächste Generation des Mobilfunks gewappnet sind.
Distributed Antenna Systems
Bereits 1987 hatte Adel A. M. Saleh die Idee, ein Funkkommunikationssystem für den Innenbereich zu implementieren, das ein ganzes Gebäude von einer zentralen Antenne aus bedient [1]. Aus dieser Idee entstand das heute bekannte Distributed Antenna System (DAS). Ein Indoor-DAS, zu Deutsch verteiltes Antennensystem, wird heutzutage verwendet, um eine Mobilfunkabdeckung in mittelgroßen bis großen Gebäuden zu gewährleisten. Ein empfangenes Mobilfunksignal soll über mehrere Antennen in einem Gebäude verteilt werden.
Abbildung 1 gibt eine Übersicht über die möglichen Architekturen und zeigt zwei Optionen für denkbare Signalquellen auf. So leistungsfähig ein DAS auch sein mag, das System selbst ist nicht in der Lage, ein eigenständiges Mobilfunksignal zu erzeugen. Dieses wird entweder durch eine umliegende Mobilfunkzelle oder eine dedizierte Basisstation (Baseband Unit, BBU) eingespeist. Um das Signal einer umliegenden Mobilfunkzelle einzuspeisen, wird eine Antenne benutzt, die meist auf dem Dach eines Gebäudes installiert wird. Dies ist häufig die kostengünstigere Lösung, birgt aber auch einige Nachteile. Meines Erachtens ist der größte Nachteil, dass das Signal einer öffentlichen Mobilfunkzelle in das eigene Gebäude verstärkt wird. Das heißt, wenn diese Zelle ausfällt oder durch eine erhöhte Anzahl an Nutzern überlastet ist, kommt es auch zu Störungen in der eigenen internen Mobilfunkversorgung. Vice versa ist die Wahrscheinlich ebenfalls groß, dass die erhöhte Anzahl der eigenen Nutzer im Gebäude die Zelle überlastet und dadurch selbst Störungen erzeugt. Aus diesem Grund werden häufig dedizierte BBUs genutzt, die von den jeweiligen Providern im Inneren des Gebäudes aufgebaut und betrieben werden.
Abbildung 1. Übersicht der Architekturen eines Distributed Antenna System (DAS)
Kommen wir nun zu den möglichen Architekturen eines DAS. Wie in Abbildung 1 zu erkennen ist, gibt es drei unterschiedliche DAS-Architekturen, die sich nach Art der genutzten Komponenten und Kabeltypen klassifizieren lassen. Diese Architekturen nennen sich passiv, aktiv oder hybrid.
Bei einem passiven DAS kommen, wie der Name schon erkennen lässt, keine aktiven Komponenten zum Einsatz. Das eingespeiste Mobilfunksignal wird über Splitter, Verstärker und Koaxialkabel auf die Antennen verteilt. Das „DAS Headend“ kombiniert dabei die Hochfrequenzsignale (Radio Frequency, RF) der unterschiedlichen Provider und verstärkt diese in Richtung der passiven Komponenten.
Bei einem aktiven DAS wird das empfangene RF-Signal von einer sogenannten Master-Einheit in ein digitales Signal umgewandelt. Das digitale Signal wird dann über Lichtwellenleiter (LWL) oder Kupferkabel an die sogenannten Remote Radio Units (RRUs) gesendet, welche das Signal wieder in ein RF-Signal umwandeln und ausstrahlen. Die Vorteile dieser Architektur liegen darin, dass keine teuren Koaxialkabel und passiven Komponenten mehr benötigt, längere Kabelwege erreicht sowie höhere Datenraten unterstützt werden.
Ein hybrides DAS kombiniert die Eigenschaften eines passiven und eines aktiven DAS. Die RRUs sind von den Antennen getrennt, sodass sich sowohl LWL als auch Koaxialkabel zur Signalverteilung verwenden lassen. Eine typische Konfiguration eines hybriden DAS umfasst eine RRU in jeder Etage, die das digitale Signal in ein analoges RF-Signal umwandelt und anschließend über ein Koaxialkabel, auf die auf dieser Etage befindlichen Antennen verteilt. Damit ist ein Kompromiss aus den beiden anderen Architekturen geschaffen. Durch die Reduzierung der RRUs ist das System kostengünstiger und behält die Vorteile eines aktiven DAS.
Das Indoor-Small-Cell-System
Als zweite Alternative kann ein Indoor-Small-Cell-System genutzt werden, um die Sprach- und Datenkonnektivität einer Mobilfunkzelle in einem Gebäude zu verbessern. Dieses System basiert auf einer sogenannten Small Cell, einer Basisstation mit geringer Ausgangsleistung. Die Basisstation ist direkt mit dem Radio Access Network (RAN) eines Mobilfunkbetreibers verbunden, welche entweder über eine Glasfaserverbindung, eine Kupferkabelverbindung oder ein vermaschtes Mobilfunknetz realisiert wird. Small Cells können sowohl innerhalb als auch außerhalb von Gebäuden betrieben werden. Insbesondere in 5G-Mobilfunknetzen lassen sich viele geforderte Leistungsmerkmale nicht mit DAS, sondern nur mit Small Cells erfüllen, welche im 5G-Umfeld oftmals auch Smart Cells genannt werden.
Abbildung 2: Architektur eines IndoorSmall-Cell-Systems
Abbildung 2 zeigt die allgemeine Architektur eines Indoor-Small-Cell-Systems, welche einem aktivem DAS sehr ähnelt. Wie mein Kollege Dr. Wetzlar bereits in seinem Insider-Artikel vom Januar 2020 erläutert hat, besteht das Small-Cell-System genau wie das RAN aus drei Komponenten, die sich Remote Radio Unit (RRU), Radio Hub und Basisstation (BBU) nennen [4]. Die Kommunikation zwischen diesen Komponenten erfolgt dabei über dedizierte Glasfaser- und Kupfer-Ethernet-Kabel.
- Basisstation
Die Basisstation (Baseband Unit, BBU) ist für die Steuerung der Sende- und Empfangssignale verantwortlich und übersetzt das aus dem RAN stammende Datensignal in ein hochfrequentes Funksignal (HF-Signal). Das HF-Signal wird wiederum an die RRUs geschickt. Dabei wird eine digitale Codierung verwendet, die sich über ein LWL-Datenkabel übertragen lässt. Eine hierfür häufig verwendete Schnittstelle ist das Common Public Radio Interface (CPRI).
- Radio Hub
Der Radio Hub dient als Datenaggregationszentrum, das die Kommunikation zwischen den RRUs und BBUs verwaltet. Der Radio Hub empfängt die Downlink-Daten der BBU und leitet diese an die RRUs weiter. Umgekehrt werden die Uplink-Daten der RRUs an die BBU weitergeleitet. Er dient ebenso als Medienkonverter, da typischerweise die Verbindung vom Radio Hub zur BBU über eine Glasfaserverbindung und zu den RRUs über ein Kupferkabel erfolgt. Darüber hinaus stellt der Radio Hub den RRUs Power over Ethernet (PoE) bereit, um diese mit Strom zu versorgen.
- Remote Radio Unit
Bei den RRUs handelt es sich um Komponenten vergleichbar mit WLAN-Access-Points, die die HF-Signale der Endgeräte (RUs) empfangen, diese anschließend in ein digitales Signal umwandeln und zur Verarbeitung an die BBU senden. Umgekehrt strahlen die RRUs ein HF-Signal aus und bilden somit die Funkzellen für das Inhouse-Mobilfunknetz. Dabei kann eine Mobilfunkzelle logisch auf mehrere RRUs verteilt oder von nur einer RRU versorgt werden.
Aufgrund dieser drei Komponenten ist das System sehr gut dafür geeignet, um auf einer strukturierten Gebäudeverkabelung, wie man diese bereits in einem Standard-Campusnetz kennt, implementiert zu werden. Die Basisstation stellt das Herz des Systems dar und befindet sich in dem zentralen Gebäudeverteiler eines Gebäudes, gefolgt von den Radio Hubs, welche standardmäßig in den Etagenverteilern montiert werden. Die RRUs schließen das System ab und werden ähnlich wie WLAN-Access-Points an den Decken der Fluren oder Büros der jeweiligen Etage montiert.
Hersteller von Indoor-Small-Cell-Systemen
2013 kam es zum großen Durchbruch für Indoor-Small-Cell-Systeme, da zwei große Telekommunikationsausrüster in die Offensive gegangen sind und ihre Lösungen veröffentlicht haben [2][3]. Bei den Ausrüstern handelt es sich um den schwedischen Hersteller Ericsson und den weiter östlich in China ansässigen Hersteller Huawei. Ericsson bietet ein System namens Radio Dot System (RDS) und Huawei eins namens LampSite an. Beide Lösungen basieren auf einem Indoor-Small-Cell-System, welches benutzt wird, um das empfangene Mobilfunksignal auf mehrere Antennen im Inneren eines Gebäudes zu verteilen. Am Anfang war das Ziel, das Produkt in kleine bis mittelgroße Gebäude zu platzieren. Doch schon nach kurzer Zeit konnte man einen aufsteigenden Trend sehen, da diese auf Indoor Small Cells basierende Lösung im direkten Vergleich zu einem DAS um ein Vielfaches günstiger ist.
Abbildung 3 zeigt die Architektur und die Bezeichnung der Komponenten beider Systeme, deren Funktionalität identisch ist. Der einzige Unterschied liegt in den Bezeichnungen der einzelnen Komponenten. So nennt Huawei seine Antennen pico RRUs, seine Radio Hubs RHUB und die Basisstation BBU oder, wenn mehrere Provider an das System angeschlossen werden sollen, Digital Converter Unit (DCU). Ericsson hingegen nennt seine Antennen Radio Dots, die Radio Hubs Indoor Radio Unit (IRU) und die Basisstation Digital Unit (DU) oder, wenn mehrere Provider angeschlossen werden sollen, RF Access Unit (RAU).
Abbildung 3: Herstellervergleich zwischen den Small-Cell-Lösungen von Huawei und Ericsson
Beide Antennentypen sind in der Lage, bis zu vier unterschiedliche Frequenzen auszustrahlen. Pro Radio Hub können bis zu acht Antennen angeschlossen werden. Zudem können die Radio Hubs kaskadiert werden (bis zu vier Hubs), damit man mehrere Antennen an das gesamte System anschließen kann. Je nach ausgewählter Basisstation können bis zu sechs einzelne Radio Hubs, also maximal 24 (4×6), angeschlossen werden.
Die Kommunikation zwischen den Komponenten erfolgt über Glasfaser- bzw. Ethernet-Kabel und das herstellerunabhängige Common Public Radio Interface (CPRI). Die Spezifikation der CPRI-Schnittstelle wurde 2003 von namhaften industriellen Herstellern veröffentlicht, welche darauf abzielten, eine gemeinsame öffentliche Spezifikation für die Kommunikation zwischen der Funkanlagenkontrolle (Radio Equipment Control, REC) und der Funkausrüstung (Radio Equipment, RE) zu definieren. Dabei ist üblicherweise die Basisstation als REC und die restlichen Komponenten als RE zu betrachten.
In den meisten Fällen ist die Mobilfunkversorgung für mehrere Providernetze eine grundlegende Anforderung. Die Anbindung weiterer Provider erfolgt dabei entweder über eine DCU (LampSite) oder eine RAU (RDS). Einerseits können weitere BBUs von anderen Mobilfunkanbietern angebunden werden, andererseits verfügen die Komponenten über mehrere RF-Input-Ports. Hierüber kann ein Mobilfunksignal über ein Koaxialkabel eingespeist werden. Falls der RF-Input eingesetzt werden sollte, wandeln die Komponenten das analoge Signal in ein digitales um, sodass dieses im Small-Cell-System genutzt werden kann.
Welche Indoor-Systeme unterstützen die deutschen Provider?
Alle drei deutschen Provider (Telekom, Telefonica & Vodafone) unterstützen die Indoor-Small-Cell-Systeme von Huawei und Ericsson. Die Provider haben das RAN in Deutschland in zwei Hälften aufgeteilt. In der einen wird Hardware von Ericsson und in der anderen Ausrüstung von Huawei genutzt. Dementsprechend wird auch die Nutzung von den jeweiligen Indoor-Small-Cell-Systemen aufgeteilt, d.h. in der Region, in der im RAN beispielsweise die Hardware von Huawei genutzt wird, wird auch das LampSite-System für den Innenbereich genutzt.
Vodafone und Telekom (T-Systems) vermarkten bereits ihre neuen Produkte zur Realisierung von 5G-Campus-Netzen. Tabelle 1 listet die jeweilige Lösung für ein 5G-Campus-Netz von Vodafone und T-Systems (Telekom) auf. Die Variante Flex und Private kann man gut mit den Varianten M und L der T-Systems vergleichen, da beide Provider dasselbe Produkt mit einer anderen Bezeichnung anbieten.
Tabelle 1: 5G-Campus-Netze-Angebot im Vergleich
Das Herzstück der Varianten von Vodafone ist die sogenannte Redbox, welche ein komplettes 5G-Netz beinhaltet. Die Redbox wurde in Kooperation mit Ericsson erstellt und aufgebaut. Bei T-Systems hat man in der Variante „L“ die Möglichkeit, eine Campus Edge Cloud auszuwählen, was mit einem Packet Core das Pendant zur Redbox ist. Nicht nur Vodafone arbeitet eng mit Ericsson zusammen, sondern auch T-Systems. Das 5G-Campus-Netz-Produkt wird in Kooperation mit Ericsson erstellt und angeboten.
Der aktuelle Trend deutet darauf hin, dass das DOT-System von Ericsson mehr Anwendung findet. Dies könnte mit den in diesem Jahr aufgekommenen Sicherheitsbedenken in den USA bezüglich Huawei-Hardware für die zukünftigen 5G-Netze zusammenhängen. In Deutschland kann laut aktuellem Stand ein Verbot von Huawei praktisch ausgeschlossen werden, was jedoch noch nicht offiziell bestätigt wurde. Laut Aussage von Vodafone können die Campus-Netzvarianten auch das Huawei-LampSite-System als Indoor-System nutzen. Wir blicken gespannt in die Zukunft, wie der Markt sich weiterentwickelt und ab wann bzw. ob es sich überhaupt lohnt, ein Campus-Netzwerk direkt von einem Provider zu erwerben oder in Eigenregie ein privates 5G-Netzwerk aufzubauen. Eins ist schon jetzt zu sagen: Wenn ein Unternehmen sich für die Eigenregie entscheidet, scheint sich eine Kopplung in das öffentliche Netzwerk kaum realisieren zu lassen.
Mobilfunkplanung = WLAN-Planung?
Kommen wir nun zu einem anderen wichtigen Thema, der Planung von Inhouse-Mobilfunksystemen. Generell kann man die Herangehensweise mit einer WLAN-Planung vergleichen, die vielen bereits bekannt ist.
Das Herzstück einer Inhouse-Mobilfunkplanung ist die Simulation, welche einer WLAN-Simulation ähnelt. Hierfür können unterschiedliche Softwareprodukte wie beispielsweise iBwave oder Ranplan Wireless genutzt werden. In diesem Artikel liegt der Fokus auf der Simulationssoftware von iBwave, dem De-facto-Standard in der Mobilfunkwelt.
Mit der Software kann unter Einbezug der Gebäudegrundrisse und der Beschaffenheit der Wände die Ausbreitung von Funkwellen mit unterschiedlichen Frequenzbereichen simuliert werden. Auf Basis einer solchen Simulation werden die Positionen der RRUs, Radio Hubs und Basisstation sowie die damit zusammenhängende Verkabelung festgelegt.
Abbildung 4 – 4G Simulation des Bürogebäudes der ComConsult zeigt beispielsweise eine Simulation eines Inhouse-Mobilfunksystems basierend auf einer LTE-Mobilfunkzelle, die Band 7 (2600 MHz) nutzt. Die Legende hingegen zeigt den Reference-Signal-Received-Power-(RSRP-)Wert an, welcher einer der wichtigsten Werte darstellt, wenn es um die Beurteilung der Empfangsqualität am Endgerät geht. Der Wert wird in dBm angegeben und reflektiert die Messung eines einzelnen Trägers, der sogenannten Referenzeinheit, innerhalb einer definierten Frequenzbreite, des sogenannten Referenzkanals. Dabei wird nur die Leistung der Referenzeinheit bewertet, welcher immer unterhalb des Relative-Signal-Strength-Indicator-(RSSI-)Wertes liegt. Den RSSI-Wert kennt man bereits aus WLAN-Planungen. Er bestimmt die Gesamtträgerleistung einer Frequenz. Dabei differenziert der Wert nicht zwischen dem eigenen Nutzsignal und Störsignalen wie beispielweise Interferenzen von Nachbarzellen oder thermischem Rauschen. Der typische Wertebereich für den RSRP-Wert liegt zwischen -140 dBm und -50 dBm. Allgemein gilt: Je näher der RSRP-Wert an -50 dBm liegt, desto besser ist der Empfang. In einer optimalen Umgebung herrscht ein Pegel zwischen -50 dBm und -60 dBm, der sich in der Praxis aber kaum realisieren lässt.
Abbildung 4. 4G-Simulation des Bürogebäudes der ComConsult
Neben der Simulation gibt es auch noch die Möglichkeit, ein Wireless Site Survey durchzuführen. Dies ist bei einer WLAN-Planung üblich, vor allem wenn es in Richtung Detailplanung geht. Bei WLAN wird dazu häufig ein AP-on-a-Stick benutzt, also ein Access Point, der auf einem beweglichen Stativ montiert ist. Mit dem AP-on-a-Stick lassen sich WLAN-Zellen an beliebigen Orten bilden und ausmessen. So können die tatsächlichen Zellgrößen ermittelt werden, die sich aus den realen baulichen Gegebenheiten ergeben.
Die Nutzung einer RRU-on-a-Stick ist nicht ohne weiteres möglich, da die öffentlichen Mobilfunkfrequenzen für viel Geld von den Providern erworben worden sind und diese nicht gestört werden dürfen. Eine Ausleuchtungsmessung eines von außen eingestrahlten Mobilfunksignals im Inneren eines Gebäudes ist jedoch möglich. Daher empfiehlt es sich, diese Messung durchzuführen, bevor man sich endgültig für ein Inhouse-Mobilfunksystem entscheidet. Durch sie wird ersichtlich, ob die in der Nähe liegenden Mobilfunkzellen genügen, um eine Mobilfunkversorgung im Inneren eines Gebäudes zu gewährleisten.
Um solch eine Messung durchführen zu können, wird ein spezielles Messgerät benötigt, welches im einfachsten Fall in Form eines modifizierten Smartphones erhältlich ist. Ein Beispiel ist das Messhandy von Rohde & Schwarz, das mit einer gesonderten Software namens QualiPoc ausgestattet ist, um die Rohdaten des empfangenden Mobilfunksignals einzusehen und auszuwerten. Neben Rohde & Schwarz gibt es noch weitere Hersteller, die ähnliche Apps anbieten, wie beispielsweise PCTEL mit der Seehawk Engage App.
Resümee
Es stellt sich die Frage, ab wann es sich lohnt, über eine Anschaffung eines Inhouse-Mobilfunksystems nachzudenken. Dies muss individuell betrachtet werden. Es kann jedoch bereits jetzt schon gesagt werden, dass ein Inhouse-Mobilfunksystem die Lösung sein wird, sollte es definierte Use Cases geben, die auf einem performanten Mobilfunknetz aufbauen. Derzeit wird in Deutschland vermutlich ein passives bzw. hybrides DAS am weitesten verbreitet sein. Jedoch deutet der aktuelle Trend darauf hin, dass Indoor Small Cells die Zukunft sind, nicht nur weil die Provider auf diese in ihren neuen Campuslösungen setzen, sondern auch weil sie kostengünstiger als ausgewachsene DAS-Systeme sind und wichtige Funktionen von 5G unterstützen. Schlussendlich kann festgehalten werden, dass wir durch die Einführung der fünften Mobilfunkgeneration vor neuen Herausforderungen insbesondere im inneren Bereich eines Gebäudes stehen und Indoor Small Cells oftmals die Lösungen für diese sein werden.
Verweise
[1] A.A.M Saleh, A. R. (December 1987, Dezember). Distributed Antennas for Indoor Radio Communications. IEEE Transactions on Communications (pp. 1245 – 1251). IEEE. Retrieved from IEEE Xplore.
[2] Dyer, K. (2014, November 7). The mobile network. Retrieved from https://the-mobile-network.com/2014/11/why-ericsson-took-14-months-to-bring-the-dot-to-market/
[3] Huawei. (2013, Februar 27). Telecom Ramblings. Retrieved from https://newswire.telecomramblings.com/2013/02/huawei-unveils-innovative-lampsite-solution-for-deep-indoor-coverage-at-mwc2013/
[4] Wetzlar, D. J. (2020, Januar 13). ComConsult – Netzwerk Insider. Retrieved from https://www.comconsult.com/5g-netze-sind-anders-als-wlan/
