Mobilfunkinfrastruktur Cloud-native Architekturen bestimmen die vRAN-Zukunft

Autor / Redakteur: Timo Jokiaho / Jürgen Schreier

Der Aufbau von Virtual Radio Access Networks und die Nutzung von Edge-Rechenzentren sind bereits seit geraumer Zeit Kernthemen der Mobilfunkbranche. Diese Entwicklung betrifft sowohl 4G- als auch die 5G-Netze. Doch die Evolution schreitet fort - und zwar weg von virtualisierten Workloads hin zu Containern und Cloud-nativen Architekturen und Applikationen.

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Cloud-native Anwendungen werden als leichtgewichtige Container und als lose gekoppelte Microservices konzipiert.
Cloud-native Anwendungen werden als leichtgewichtige Container und als lose gekoppelte Microservices konzipiert.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Klassische Radio Access Networks (RANs) bestehen aus Antennen, Basisstationen (Baseband Units – BBUs) und Controllern. Sie zählen damit zu den kostenintensivsten Komponenten in einem Mobilfunknetz. Zudem benötigen sie spezielle Hard- und Software. Diese Nachteile überwinden virtualisierte RAN (vRAN)-Lösungen. Sie lösen deshalb in immer stärkerem Maße die proprietären, hardwarebasierten Radio Access Networks ab.

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Das vRAN basiert auf der Network Functions Virtualization (NFV), die die typische Hardware-basierte Netzwerkarchitektur in eine Software-basierte Umgebung überführt; ein Bedarf an Hardware-Beschleunigung in irgendeiner Form könnte aber immer noch bestehen. Prinzipiell werden einige Steuerfunktionen der BBU auf virtuellen Maschinen (VMs) bereitgestellt, die auf „Commercial-Off-The-Shelf“ (COTS)-Servern in einem Edge-Rechenzentrum laufen. Es erfolgt somit eine Disaggregation in zwei Bereichen: erstens eine Separation von Hardware und Software und zweitens ein Functional Split der Basisstation.

4G und 5G als Edge-Anwendungsfälle

Der Edge-Computing-Trend betrifft sowohl 4G als auch 5G. Zu den zentralen Vorteilen des Edge Computing zählen: Zero-Touch-Provisioning, Multi-Cluster-Management, geringer Footprint, hohe Skalierbarkeit, verteilter Speicher oder automatisierter Betrieb. Ein vRAN oder disaggregiertes RAN kann als ein spezifischer Use Case oder Workload eines Edge-Rechenzentrums gesehen werden.

Bei der Edge-Implementierung gibt es einige Unterschiede zwischen 4G-LTE und 5G, gerade hinsichtlich der Aufteilung der Funktionalitäten der Basisstationen zwischen dem Antennenstandort und den Edge-Rechenzentren.

In 4G-LTE-Netzen ist der herkömmlich Status quo ein Distributed RAN mit Baseband Units auf der Antennenseite, das heißt die volle Funktionalität der Basisstationen ist verteilt auf die einzelnen Antennenstandorte. Die Konsequenzen sind beträchtliche Kosten, mögliche Funkstörungen und hoher Energieverbrauch. Bei einem Edge-Ansatz erfolgt dann ein Übergang von einem Distributed RAN mit den BBUs zu einem zentralisierten vRAN. Dabei wird ein Teil der Funktionen der Basisstationen in virtualisierten BBUs (vBBUs) im Edge-Rechenzentrum zentralisiert, das heißt, es erfolgt ein Base-Station-Split.

In 5G hingegen gibt es bei der Disaggregation bei der Edge-Implementierung eine dreigliedrige Aufteilung in Radio Units (RUs auf Antennenseite), Distributed Units (DUs) und Centralized Units (CUs). Die CUs sind als Distributed Cloud mit einem geringen Platzbedarf konzipiert und die DUs übernehmen Aufgaben wie Realtime-Verarbeitung, Unterstützung des Precision Time Protocol (PTP), Hardwarebeschleunigung mittels Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), Smart Network Interface Cards (Smart NICs) und Application-Specific Integrated Circuits (ASICs).

Von virtualisierten zu containerisierten Workloads

Am Edge nutzen Betreiber von Mobilfunknetzen bereits Network Functions Virtualization und etwa Red Hat OpenStack mit verteilten Knoten für Software-defined Wide Area Networks (SD-WAN) und mobile Anwendungen. Die Einführung von vRANs mit dem Einsatz von virtuellen Maschinen auf Standardservern in einem Edge-Rechenzentrum kann aber nicht der letzte Schritt sein, sondern ist ein guter erster Schritt.

Es hat sich vielfach gezeigt, dass die heutigen Virtual Network Functions (VNFs) wie gerade auch vRANs die Erwartungen hinsichtlich Funktionalität, einfacher Implementierung oder Verwaltung nicht erfüllen können. Der nächste Schritt muss deshalb die Nutzung Cloud-fähiger Anwendungen oder noch besser Cloud-nativer Anwendungen sein. Und diese Entwicklung zeichnet sich in der Telekommunikationsbranche gegenwärtig ab, etwa mit der Nutzung von Cloud-nativen Applikationen auf Kubernetes-basierten Container-Plattformen wie Red Hat OpenShift für 5G Core (5GC), Edge und RANs.

Cloud-native Anwendungen werden als leichtgewichtige Container und als lose gekoppelte Microservices konzipiert. Aus der Sicht der Netzbetreiber gehören zu den zentralen Vorteilen solcher Anwendungen die geringeren Entwicklungskosten, die einfacheren Upgrades und Modifizierungen sowie die Möglichkeit einer horizontalen Skalierung. Außerdem wird so ein Vendor Lock-in vermieden.

Die Cloud-native Applikationsentwicklung charakterisiert im Wesentlichen die Service-basierte Architektur (SBA), die API-basierte Kommunikation und die Container-basierte Infrastruktur. Die Service-basierte Architektur ist im 5G-Standard definiert.

Cloud-native Anwendungen skalieren horizontal

Service-basierte Architekturen wie Microservices ermöglichen den Aufbau modularer, lose gekoppelter Dienste. Die Services werden über leichtgewichtige, Technologie-agnostische APIs bereitgestellt, die die Komplexität und den Aufwand beim Deployment sowie bei der Skalierung und Wartung reduzieren. Cloud-native Anwendungen basieren zudem auf Containern, die einen Betrieb über verschiedene Umgebungen hinweg ermöglichen.

Die Containertechnologie nutzt die Funktionen des Betriebssystems, um die verfügbaren Rechenressourcen auf mehrere Anwendungen aufzuteilen und um gleichzeitig zu gewährleisten, dass die Anwendungen sicher sind. Cloud-native Anwendungen skalieren außerdem horizontal, dadurch können weitere Anwendungsinstanzen einfach hinzugefügt werden – oft durch Automatisierung innerhalb der Containerinfrastruktur. Durch den geringen Overhead und die hohe Dichte können zahlreiche Container innerhalb derselben virtuellen Maschine oder desselben physischen Servers gehostet werden.

Cloud-native Architektur als Basis des 5G-Network-Slicing

Es zeichnet sich ab, dass der Übergang zu 5G immer mehr zu einer Transition zu Containern und Cloud-nativen Netzwerkapplikationen wird. Das heißt, es findet eine Evolution von virtualisierten Workloads zu containerisierten Workloads statt. Virtualisierung wird es aber noch jahrelang geben – in der einen oder anderen Form.

Die Vorteile des Cloud-nativen Ansatzes zeigen sich gerade bei den Hauptanwendungsfällen von 5G und damit beim Network Slicing, das heißt der Bereitstellung mehrerer virtueller Netz-werke auf einer gemeinsamen physischen Infrastruktur.

Bei 5G können prinzipiell folgende drei Use-Case-Szenarien unterschieden werden:

  • eMBB – Enhanced Mobile Broadband: hohe Datenübertrügungsraten und Unterstützung extremer Traffic-Dichte
  • mMTC – Massive Machine-Type Communications: Optimierung von M2M- und IoT-Anwendungen durch Vernetzung einer großen Anzahl an Geräten, etwa bei Smart-Home- oder Smart-City-Modellen
  • URLLC – Ultra-Reliable and Low-Latency Communications: Unterstützung kritischer Anwendungen mit niedriger Latenz, etwa in Bereichen wie Predictive Maintenance, Connected Car oder Augmented und Virtual Reality.

Für die 5G-Netzwerktransformation und die optimale Unterstützung dieser Technologien und Anwendungsfälle ist ein virtualisiertes RAN eine Schlüsselkomponente – und zwar eine, die Container-basiert und Cloud-nativ ist. Gerade die Cloud-native Architektur ermöglicht minimale Einstiegskosten pro Slice und die kosteneffiziente Skalierung auf Tausende von Slices aller verschiedenen Größen.

Datenverarbeitung und Rechenleistung näher an den „Endbenutzer“ bringen

Es ist unbestritten, dass 5G dank höherer Datenraten und extrem niedriger Latenzzeiten eine neue Generation von Services ermöglichen wird. Um ihre Vorteile vollständig nutzen zu können, müssen Telekommunikationsunternehmen aber die Datenverarbeitung und Rechenleistung näher an den „Endbenutzer“ bringen.

Der Endbenutzer kann dabei letztlich auch ein Smartphone, ein Connected Car oder ein Roboter in einem Produktionsprozess sein. Die Aufgabenstellung zeigt klar, dass sowohl Edge Computing als auch Cloud-native-Fähigkeiten aktuell im Mittelpunkt der Aktivitäten von Mobilfunkbetreibern stehen.

Einige Mobilfunkanbieter haben bereits kommerzielle, wenn auch lokal begrenzte 5G-Umgebungen aufgesetzt, und in nächster Zeit werden zahlreiche neue Projekte dazukommen. vRAN, Edge Computing und Cloud-native Modelle sind dabei die entscheidenden Technologietreiber und Open-Source-Lösungen bilden vielfach die elementare Infrastrukturplattform – wie eben auch Red Hat OpenShift.

Timo Jokiaho ist Global Telco Partner Technologist bei Red Hat.
Timo Jokiaho ist Global Telco Partner Technologist bei Red Hat.
(Bild: Red Hat)

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