Technischer Überblick über Open RAN

Die Open-RAN-Initiative versucht, dieses Ökosystem aufzubrechen, indem Standards für offene Schnittstellen und eine Abstrahierung des Hardware- und Softwarelevels definiert werden. Dadurch soll die Möglichkeit entstehen, im RAN die Netzwerkausrüstung unterschiedlicher Hersteller zu nutzen. Bevor wir mit den technischen Details beginnen, ist es wichtig zu erwähnen, dass Open RAN als eine Entwicklung begann, die für alle Mobilfunkgenerationen gelten soll, d.h. Open RAN soll für 2G, 3G, 4G, 5G und alle zukünftigen Gs genutzt werden können.

Wer sich schon mal mit dem Thema auseinandergesetzt hat, ist wahrscheinlich schnell auf das Wirrwarr der unterschiedlichen Begrifflichkeiten gestoßen. Im Internet kursieren drei verschiedene Schreibweisen, die sich Open RAN, OpenRAN oder O-RAN bzw. ORAN nennen. Hinter Open RAN verbirgt sich die Bestrebung, in der drahtlosen Telekommunikation Hardware und Software zu trennen und offene Schnittstellen zwischen ihnen zu schaffen. Die Schreibweise OpenRAN nimmt Bezug auf das Telecom Infra Project (TIP), welches als Initiative mit dem Ziel der Bereitstellung einer globalen freizugänglichen Telekommunikationsinfrastruktur ins Leben gerufen worden ist. Als Hashtags kursiert in den sozialen Medien „#OpenRAN“. O-RAN bzw. ORAN bezieht sich auf die O-RAN Alliance, welche hauptsächlich für die neue RAN-Spezifikation verantwortlich ist und anstrebt, offene Software und eine Interoperabilität zwischen den Herstellern sicherzustellen.

Wer verbirgt sich hinter der Open-RAN-Initiative?

Alles fing an, als sich die Organisationen xRAN und C-RAN 2018 zusammengeschlossen und die O-RAN Alliance gegründet haben. Die O-RAN Alliance hat sich zum Ziel gesetzt, ein softwarebasiertes, virtualisiertes, flexibles, intelligentes und energieeffizientes RAN zu schaffen und eine Interoperabilität zwischen Software- und Hardwareherstellern zu ermöglichen. Um dieses Ziel zu realisieren, spezifiziert sie ein offenes Referenzdesign, welches auf dem vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) spezifizierten Telekommunikationsstandard für RAN basiert. Darin werden offene Schnittstellen sowie die Virtualisierung von Netzelementen definiert, durch deren Sammlung von Informationen mehr Intelligenz im Netz erforderlich wird. Dabei liegt der Fokus hauptsächlich auf 4G und 5G. Die O-RAN Alliance besteht mittlerweile aus über 300 Mitgliedern, die sich in Netzbetreiber und mitwirkende Unternehmen aufteilen. Diese umfassen mehr als 30 weltweite Netzbetreiber und über 278 weitere Unternehmen wie Cisco, Dell, ZTE, VMWare, Ericsson und so weiter. Unter den mitwirkenden Netzbetreibern befinden sich auch die in Deutschland bekannten Provider Telekom, Telefonica, Vodafone und 1&1. Insgesamt teilt sich die O-RAN Alliance in 10 Workgroups auf, welche in Tabelle 1 dargestellt sind.

Neben dieser Allianz gibt es noch eine zweite Gruppe, die die Open-RAN-Bewegung hauptsächlich anführt. Dabei handelt es sich um das sogenannte Telecom Infra Project (TIP), welches 2016 von Facebook ins Leben gerufen wurde und mittlerweile über 500 Mitglieder und 12 Projektgruppen hat. Eine dieser Projektgruppen fokussiert sich dabei auf das Thema Open RAN und hat die Intention, die von der O-RAN Alliance definierte Architektur auf Herz und Nieren zu prüfen und so sicherzustellen, dass der Grundgedanke der Interoperabilität und offenen Schnittstellen eingehalten wird. Damit dies gelingt, fördert diese Gruppe die Bereitstellung und Ausführung von Use Cases in der Praxis unter realen Bedingungen.

Es ist bemerkenswert, dass Huawei nicht Teil dieser Initiative ist, da es diese derzeit „nur“ als Trend einstuft, ähnlich wie Software Defined Networking (SDN), das sich im LAN-Umfeld nur zäh verbreitet.

Evolution des Radio Access Network

Bevor ich zum spannenden Teil komme, wie genau die Architektur von Open RAN aussieht und wie diese sich von der 3GPP-Architektur unterscheidet, möchte ich Ihnen zuerst die Evolution des RAN erläutern. Abbildung 1 gibt einen guten Überblick über diese Evolution, welche im Folgenden kurz erläutert wird.

Das klassische RAN wird Distributed RAN (D-RAN) genannt und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstation vor Ort am Mast installiert wird. Hierbei wird noch zwischen einer integrierten und geteilten Basisstation unterschieden. Bei der integrierten Basisstation werden die Antennen, welche sich am Mast befinden, direkt an eine Basisstation (Base Transceiver Station, BTS), die sich unten am Mast befindet, angeschlossen. Die BTS stellt die Signalverarbeitung, den Netzzugang und den Funkteil der Zelle bereit. Bei der geteilten Basisstation wird die BTS in eine Basisbandeinheit (Baseband Unit, BBU) und ein Funkmodul (Remote Radio Unit, RRU) aufgeteilt. Hierbei wird die RRU oben am Mast direkt unterhalb der Antennen montiert und mit einer Glasfaserverbindung an die BBU angeschlossen, welche unten am Mast positioniert ist. Die Kommunikation zwischen der BBU und der RRU erfolgt dabei über die CPRI-Schnittstelle (Common Public Radio Interface) und wird als Fronthaul bezeichnet. Die CPRI-Spezifikation wurde 2003 von einer Industriekooperation zwischen Ericsson, Huawei, NEC und Nokia definiert, um die Transport-, Verbindungs- und Steuerungsparameter zu standardisieren. Durch die höheren Anforderungen an Datenraten und Latenzen in 5G-Netzen wurde 2017 eine Erweiterung der CPRI-Schnittstelle veröffentlicht, welche sich eCPRI (Enhanced Common Public Radio Interface) nennt. Ziel dieser Erweiterung ist es, eine effizientere und flexiblere Datenübertragung über paketbasierte Protokolle wie Ethernet oder IP zu ermöglichen. Durch Namensgebung hat man sich ebenfalls eine Bezeichnung für die Verbindung zwischen der BBU und dem Core-Netz einfallen lassen, die sich Backhaul nennt. Die Backhaul-Verbindung wird heutzutage hauptsächlich mit einer Glasfaserverbindung realisiert. An manchen Standorten kann diese Verbindung auch über eine Richtfunkverbindung aufgebaut werden, welche in 5G-Netzen jedoch nicht mehr zum Einsatz kommen wird.

Im ersten Evolutionsschritt wurde die Trennung der Standorte von BBU und RRU durchgeführt. Diese Art von RAN nennt man Centralized RAN (C-RAN), da nun mehrere BBUs zentral in einem Rechenzentrum bereitgestellt werden. Dieses Rechenzentrum wird auch als BBU Hostel bezeichnet. Vorteile hierbei sind die Reduzierung des Strom- und Platzbedarfs sowie der Komplexität an den jeweiligen Zellstandorten. Als nächster Schritt wurden die BBUs virtualisiert. Das hat den Vorteil, dass nun beliebige COTS-Server (Commerical Off The Shelf) als BBU verwendet werden können. Diese Art von RAN wird als virtuelles RAN (V-RAN) bezeichnet. Die Komponenten im V-RAN sind trotz der Virtualisierung der BBU an einen Hersteller gebunden, da die Schnittstellen proprietär sind.

Zusammengefasst ist zu erkennen, dass bei jedem Evolutionsschritt eine Art Disaggregation stattfindet. Im D-RAN war der erste Schritt, die Basisstation zu trennen. Dieser Schritt wurde im C-RAN erweitert, indem man die BBU zentral an einem Ort positioniert hat. Im nächsten Schritt wurde dann die BBU virtualisiert, damit Standardhardware eingesetzt werden konnte. Das RAN im 5G-Netz treibt diese Disaggregation weiter, indem die BBU in eine Centralized Unit (CU) und eine Distributed Unit (DU) aufgeteilt wird. Die daraus entstehende neue Verbindung wird passend Midhaul genannt. Die CU kann mehrere DUs steuern und übernimmt Aufgaben, die nicht in Echtzeit durchgeführt werden müssen, wie beispielsweise das Übertragen von Benutzerdaten oder die Verwaltung des Verbindungs- und Sitzungsmanagements. Die DU hingegen steuert mehrere RRUs und übernimmt Aufgaben, die in Echtzeit erfolgen müssen, wie z.B. die Koordination von Interferenzen und der Zeitplanung in einer Zelle. Beide Komponenten sind virtualisiert und daher skalierbar. Das bedeutet, dass je nach Last in einer Zelle die Kapazitäten der einzelnen Komponenten erhöht und verringert werden können. Abbildung 2 stellt das RAN im 5G-Netz dar und zeigt die mögliche Distanz der jeweiligen Komponenten an und wie sich die Anforderung an die Latenz zwischen diesen verändert. Die angegeben Werte sind lediglich Richtwerte und dafür da, ein Gefühl für die Reichweite und Anforderungen an die Latenz im RAN zu bekommen.

Open-RAN-Architektur

Das herkömmliche RAN hat trotz seiner Evolution in Richtung Virtualisierung derzeit noch einen entscheidenden Nachteil, und zwar den, dass alle Komponenten von einem Hersteller sein müssen. Die Open-RAN-Architektur versucht dies zu ändern, indem sie auf eine Interoperabilität der RAN-Elemente unter Verwendung von Open-Source-Software, herstellerneutraler Hardware und offenen Schnittstellen setzt. Dadurch soll es ermöglicht werden, dass mehrere Hersteller unterschiedliche Funktionen in Form von Soft- und Hardware anbieten können. Hiervon verspricht sich die Open RAN Alliance eine gesteigerte Effizienz, mehr Innovation und Wettbewerb im RAN. Aus diesen Gründen basiert die Open-RAN-Architektur auf der Rel. 15 der CU-DU-Split-Architektur, welche von der 3GPP definiert worden ist. Der Unterschied: Schnittstellen zwischen den Komponenten sind nun offen festgelegt und eine weitere Funktion bzw. Komponente ist hinzugekommen, welche sich RAN Intelligent Controller (RIC) nennt. Die neuen Komponenten und Schnittstellen, die von der Open RAN Allianz definiert werden, sind mit einem „O“ gekennzeichnet und in Abbildung 3 dargestellt.

Der RIC bietet intelligente Kontrollfunktionen, die eine höhere Effizienz und eine bessere Verwaltung der Funkressourcen ermöglichen sollen. Dabei wird der RIC in eine Nicht-Echtzeit- und eine Quasi-Echtzeit-Komponente unterteilt, also ähnlich wie bei der Teilung der BBU in einen CU- und DU-Teil. Der Nicht-Echtzeit-Teil des RIC wird für Aufgaben genutzt, die eine Latenz von über einer Sekunde vertragen können. Darunter fallen z.B. das Konfigurations-, Fehler- und Leistungsmanagement des RAN. Der Quasi-Echtzeit-Teil des RIC wird für Aufgaben genutzt, die eine Latenz von unter einer Sekunde erfordern. Dies kann beispielsweise die dynamische Verwaltung und Optimierung von Funkressourcen im RAN sein, damit die User Experience sich verbessert. Um diese Optimierung durchführen zu können, analysiert der RIC die zur Verfügung stehenden Funkressourcen entsprechend der definierten Betriebsrichtlinien und optimiert diese durchgängig. Ein weiterer Vorteil des RIC liegt darin, dass alle O-RUs automatisch durch vordefinierte Profile konfiguriert werden können, wodurch der Bedarf an manuellen Eingriffen deutlich reduziert wird. Aus diesen und noch vielen weiteren Gründen stellt der RIC das Schlüsselelement in der Open-RAN-Architektur dar, um eine ideale Ressourcenoptimierung für die Benutzer und Interoperabilität zwischen den verschiedenen Hard- und Softwareherstellern zu gewährleisten.

Entwicklung in Deutschland

Im Mai 2021 hat das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) den Startschuss für die Förderung von Open RAN gegeben und bestätigt, dass es die Entwicklung dieser Technologie mit 300 Millionen Euro fördern werde. Anfang November 2021 war es dann soweit, die ersten Förderprojekte wurden vom BMVI veröffentlicht [1]. Insgesamt sind drei Maßnahmen geplant, die generell gefördert werden sollen. Die erste Maßnahme nennt sich Open RAN Lab, welches darauf abzielt, eine offene Plattform für die Entwicklung und Erprobung von Open-RAN-Netzen bereitzustellen. Unter anderem sollen dabei die Interoperabilität, Integrationsfähigkeit und die offenen Schnittstellen von Open RAN getestet werden. Diese Maßnahme wird derzeit mit rund 17 Millionen Euro gefördert. Die zweite Maßnahme nennt sich Open RAN Cities und dient zur Förderung von Leuchtturmprojekten, die es Providern ermöglichen sollen, das Gesamtkonzept von Open RAN unter Realbedingungen testen zu können. Für diese Maßnahme stellt das BMVI erstmals Vodafone und Telekom 11,5 Millionen Euro zur Verfügung. Ein Großteil dieser Förderung geht dabei an die Telekom (10,5 Millionen Euro), welche als Pilotstadt für einen Open-RAN-Aufbau Neubrandenburg auserkoren hat. Das Projekt nennt sich „O-RAN Town“ und beabsichtigt, ein Multi-Vendor Open RAN mit insgesamt 25 Antennenstandorten aufzubauen, welches mit dem bestehenden Mobilfunknetz der Telekom verknüpft werden soll. Als dritte Maßnahme ist geplant, ein Open RAN Ecosystem zu erstellen, welches für Forschungs- und Entwicklungsarbeiten genutzt werden soll. Diese Maßnahme wird derzeit mit rund 2,5 Millionen Euro und dem Projekt „O-RAN Ecosystem Enabler“ von Nokia unterstützt. Das Ziel dieses Projektes ist es, am Nokia-Firmenstandort in Ulm ein Testcenter für Open RAN unter Realbedingungen aufzubauen.

Neben diesen Förderungen hat sich ein Provider entschieden, sein komplettes 5G-Netz auf Basis von Open RAN zu errichten. Die Rede ist vom neuen Provider 1&1, welcher mit Rakuten als Generalunternehmer ein komplett neues, auf Open RAN basierendes 5G-Mobilfunknetz in Deutschland aufbauen wird. Details über dieses Vorhaben habe ich bereits in meinem letzten Blog erläutert [2]. Derzeit mehren sich jedoch die Zweifel, ob bis Ende 2022 die von der Bundesnetzagentur geforderten 1.000 Antennenstandorte errichtet werden können. Einer der Gründe hierfür ist wohl die im November 2021 vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) erschienene Open-RAN-Risikoanalyse, die vielfältige Sicherheitsrisiken in der Open-RAN-Spezifikation entdeckt haben soll [3]. Dabei wurde stark kritisiert, dass bei der Entwicklung der Spezifikation nicht das gängige Paradigma „security/privacy by design/default” beachtet worden ist. 1&1 kann jedoch aufatmen, da es bereits eine Vielzahl von Maßnahmen geben soll, die ohne größere Aufwände und Kosten realisiert werden können, damit das Konstrukt Open RAN sicherer gemacht werden kann.

Open RAN in Campusnetzen

Wie man erkennen kann, sind die deutschen Provider bereits auf einem guten Weg. Jedoch liegt der aktuelle Fokus bei den Förderungen zunächst nur auf den öffentlichen Mobilfunknetzen der Provider. Daher kann man sich die Frage stellen, wie es mit privaten Campusnetzen und Open RAN aussieht.

Diesbezüglich bin ich Ende letzten Jahres auf einen interessanten Artikel in der Wirtschaftswoche gestoßen, welcher über das private 5G-Netz des Flughafens Köln-Bonn berichtet hat [4]. Der Flughafen hat sich entschieden, ein privates 5G-Netz auf Basis von Open RAN aufzubauen. Mit bis zu 42 Antennen (12 im Outdoor- und 30 im Indoor-Bereich) bildet dieser Aufbau das wohl bisher größte Campusnetz in Deutschland, das auf Open RAN basiert. Einer der Hauptmerkmale, weshalb der Flughafen sich genau dafür entschieden hat liegt darin, dass angeblich die Anschaffungskosten gegenüber der proprietären Standardhardware von üblichen Herstellern deutlich niedriger ausfallen und auch der Stromverbrauch um rund 30 Prozent verringert werden kann. Leider liegen mir dazu noch keine genauen Zahlen vor, von daher müssen wir diesen Angaben zur jetzigen Zeit erst mal Vertrauen schenken. Die Ziele und definierten Use Cases hören sich ebenfalls vielversprechend an. Es ist beabsichtigt, dass neben einer intelligenten Gepäck- und Grenzkontrolle auch autonome Fahrzeuge oder Roboter entlang des Grenzzaunes fahren werden, welche durch eine Begutachtung des Zaunes für die Sicherung des Grundstückes sorgen sollen. Derzeit wird das Campusnetz jedoch lediglich für das automatische Übermitteln von Strom- und Wasserzählerständen genutzt, wofür wahrscheinlich eine andere Funktechnik – wie beispielsweise ein LoRaWAN – günstiger und einfacher zu realisieren gewesen wäre. Nichtsdestotrotz muss man irgendwo einen Anfang machen, und dieser sieht in der Tat sehr gut aus.

Zusätzlich kenne ich noch zwei weitere 5G-Campusnetze, deren Aufbau auf Open RAN basiert und welche sich tatsächlich in Aachen befinden. Neben dem Campusnetz von umlaut [5] existiert auch ein weiteres im Aachener Campus Melaten. Beide Netze werden hauptsächlich für Forschungszwecke wie beispielsweise Gerätetests, das Prüfen der Multi-Vendor-Interoperabilität oder für generelle Sicherheitstests genutzt. Es ist daher ein Trend zu erkennen, dass Open-RAN-Netze auch im industriellen Bereich an Bedeutung gewinnen. Dies stellen wir ebenfalls in unseren Kunden-Projekten fest, die sich mittlerweile offen für diese neue Technologie zeigen.

Fazit

Zusammengefasst steckt Open RAN quasi noch in den Kinderschuhen, ist jedoch bereits auf einem guten Weg, erfolgreich zu werden. Der offene Ansatz verspricht die Vermeidung der Bindung an einen Anbieter, ermöglicht eine schnelle Innovation und verstärkt den allgemeinen Wettbewerb im Markt. Des Weiteren scheint es so, als würden sich die Anschaffungskosten und auch die Betriebskosten für Unternehmen gegenüber einem Campusnetz von den Standardmobilfunkherstellern reduzieren. Ob sich das bewährt, gilt noch abzuwarten. Alle guten Dinge haben wohl auch eine Kehrseite. Da Open RAN quasi noch am Anfang steht, munkelt man, dass die Performance noch nicht an die der Standardhersteller herankommt. Was allerdings damit zu erklären ist, dass diese einen jahrzehntelangen Vorsprung bei der Entwicklung und dem Betrieb von Mobilfunkkomponenten im RAN haben. Zusätzlich gibt es neben den aktuellen Sicherheitsbedenken durch die vom BSI veröffentliche Risikoanalyse ebenso Bedenken bezüglich der Interoperabilität und Integration der unterschiedlichen Hersteller im RAN sowie der Komplexität bei der Automatisierung mithilfe des RIC.

Schlussendlich kann jedoch festgehalten werden, dass Open RAN das Potenzial hat, sich durchzusetzen und am derzeitigen proprietären Ansatz in den Mobilfunknetzen zu rütteln. Schon alleine, weil es sich 1&1 wahrscheinlich nicht leisten kann, von der derzeitigen Open-RAN-Strategie abzuweichen.

Verweise

[1] BMVI. (09. November 2021). BMVI startet Open RAN-Förderung. Von https://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Pressemitteilungen/2021/126-bmvi-startet-open-ran-foerderung.html abgerufen
[2] Feuser, D. (18. Januar 2022). 1&1 auf dem Vormarsch. Von https://www.comconsult.com/1-1-auf-dem-vormarsch/ abgerufen
[3] Köpsell, S., Ruzhanskiy, A., Hecker, A., Stachorra, D., & Franchi, N. (09. November 2021). Open-RAN Risikoanalyse. Von https://www.bsi.bund.de/SharedDocs/Downloads/DE/BSI/Publikationen/Studien/5G/5GRAN-Risikoanalyse.pdf;jsessionid=B67612FE8CEBAD29D20425917C13AA24.internet082?__blob=publicationFile&v=4 abgerufen
[4] Husmann, N. (28. Dezember 2021). Wie der Flughafen Köln-Bonn die Telekom abhängt. Von https://www.wiwo.de/unternehmen/dienstleister/eigenes-5g-netz-wie-der-flughafen-koeln-bonn-die-telekom-abhaengt/27851580.html abgerufen
[5] umlaut SE. (28. Juni 2021). umlaut baut 5G Open RAN-Campusnetz in Aachen. Von https://www.umlaut.com/de/stories/umlaut-baut-5g-open-ran-campusnetz-in-aachen abgerufen