Wegbereiter für das
Yottabit-Zeitalter

Auf dem Mobile World Congress, der vor einiger Zeit in Barcelona stattfand, machten Texas Instruments und seine Kunden eine Reihe von Ankündigungen im Zusammenhang mit Kleinzellen. U.a. wurden neue Kleinzellen-Designs von NSN und Purewave vorgestellt. Letzteres enthält die 802.11-WiFi-Lösung von Quantanna, einen von Airspan entwickelten Wireless-Backhaul-Baustein und ein neues System-on-Chip (SoC) von TI ebenfalls für Backhaul-Anwendungen. Da sich alle diese Ankündigungen auf Kleinzellen bezogen haben, ist es sinnvoll, sie gemeinsam zu beschreiben. Die Überschrift soll dabei hervorheben, dass wir Kleinzellen als unerlässlich für die Kapazitätserweiterung der drahtlosen Netze betrachten.

Unsere These bezüglich der Kleinzellen gründet sich auf zwei Fakten. Der erste ist der steigende Bandbreitenbedarf der Anwender. Jeder, der in der Mobilfunkbranche tätig ist, kennt die Statistiken über die scheinbar nicht zu stillende Nachfrage der Konsumenten. Das verfügbare Spektrum ist dagegen begrenzt und dementsprechend kostbar. Zu den Exponaten, die auf dem MWC am meisten beeindruckten, gehörte ein 4K-Fernsehgerät mit über 60″- Bildschirmdiagonale. Es gab ein Video wieder, das mit einem Mobiltelefon aufgenommen und an das TV-Gerät gestreamt wurde. Bei der Suche nach Anwendungen, die den Bandbreitenbedarf nach oben treiben, wird man also schnell fündig. Wenn es um Bandbreitensteigerung geht, spricht man häufig über das Aufstocken von einigen hundert Megabit pro Sekunde auf Gigabits pro Sekunde. Meist geht es dabei um die Kapazität des Netzwerkzugangs einer einzigen Basisstation. Wählt man dagegen eine ganzheitlichere Sichtweise, so ist es ohne weiteres vorstellbar, dass die Datenmengen in bestimmten Teilbereichen der Netzwerke nach oben offen sind. Dies soll durch den Begriff ‚Yottabit‘ symbolisiert werden, der mit 1.024Bit ein für die meisten Menschen sicherlich unvorstellbares Datenvolumen bezeichnet. Wenn also nicht absehbar ist, wann die Zunahme des Bedarfs an Netzwerkkapazität enden wird, gibt es auch keinen Grund, hier ein Limit zu setzen. Die erste These lautet also kurzgefasst: Die Netzwerke müssen wachsen – und zwar noch eine ganze Weile. Die zweite These hat damit zu tun, was wir mit dem verfügbaren Frequenzspektrum anfangen können. Die bisher eingerichteten 3G- und 4G-Netze basieren üblicherweise auf Outdoor-Makrozellen, die größere geografische Bereiche und einige hundert oder tausend Nutzer abdecken. Meist gliedern sich diese Funkzellen in drei bis sechs Sektoren mit jeweils eigenen Funkelementen. Es handelt sich hier um eine bestens erforschte Technik, mit der es gelungen ist, die wichtigen Märkte nahezu lückenlos abzudecken. Dieses Vorgehen ist sinnvoll, wenn es darum geht, neue Teilnehmer zu akquirieren. Inzwischen hat die Penetrationsrate in vielen Märkten jedoch beinahe die Sättigung erreicht, sodass die Betreiber ihren Fokus vermehrt auf die Kundenbindung und eine bessere Nutzererfahrung verlagern. Medienzentrierte und ortsbasierte Anwendungen leben ebenso wie Social-Networking-Applikationen von der verfügbaren Bandbreite. Zum Anheben der Netzwerkkapazität bieten sich mehrere Optionen an. Am zielführendsten ist es, den Einzugsbereich der einzelnen Zellen zu verkleinern oder das bestehende Makrozellen-Netzwerk durch kleinere Zellen zu ergänzen. Auch wenn die Einrichtung von Kleinzellen langsamer erfolgt als von vielen Analysten erwartet, steht außer Zweifel, dass Kleinzellen in großer Zahl installiert werden.

Wie klein ist eine Kleinzelle?

Die Antwort auf diese grundlegende Frage lautet einfach: Eine Kleinzelle ist – zumindest in den nächsten Jahren – größer als man vielleicht denkt. Kleinzellen traten vor einigen Jahren in Gestalt der Femtozellen auf den Plan. Ihre Zielgruppe waren private Nutzer, die in zu großer Entfernung von einer Makrozelle wohnten, um zuverlässig mit hohen Datenraten versorgt zu werden. Selbstverständlich können diese Kleinstzellen nicht die Bandbreite bieten, mit denen die Betreiber bei Unternehmen und Outdoor-Zellen aufwarten müssen. Die Definition einer Kleinzelle ist deshalb etwas weiter gefasst. Es gibt nach wie vor die Privatnutzung von Femtozellen. Wenn man aber von betreiberseitig installierten Kleinzellen spricht, wird ein größerer Teilnehmer-Pool zugrunde gelegt, der von acht bis 16 Teilnehmern für Kleinunternehmen bis zu 32 oder 128 Teilnehmern im Fall der sogenannten Pico-Basisstationen reicht. Am oberen Ende des Kleinzellen-Segments findet sich die komplette Single-Sector-Outdoorzelle für einige hundert Teilnehmer, die als Metro- oder Mikro-Basisstation bezeichnet wird. Erfolgsentscheidend bei den von Betreibern installierten Kleinzellen ist die betriebliche Gleichwertigkeit mit dem Makro-Netzwerk. Das heißt: Kleinzellen decken weniger Teilnehmer oder ein kleineres Gebiet ab als eine typische Makrozelle mit drei bis sechs Sektoren, müssen aber in Bezug auf Durchsatz, Latenz, Scheduling und Statistik das Performance-Niveau der größeren Zellen bieten. Anders gesagt: die Nutzererfahrung darf nicht vom Zellentyp abhängen, und die Betriebs- und Instandhaltungs-Effizienz des hybriden Netzwerks darf nicht beeinträchtigt werden. Auch wenn es auf den ersten Blick nicht einleuchtet, sind die Anforderungen, die in der Praxis an die Verarbeitungsleistung einer Kleinzelle gestellt werden, nicht besonders gering – speziell bei Outdoor-Kleinzellen. Wegen ihres kleineren Einzugsbereichs müssen sie nämlich unter Umständen deutlich mehr Übergangs-Traffic verarbeiten als Makrozellen, die einen größeren Bereich abdecken. Gleichzeitig müssen sie einen vielfältigen Mix von Mobilitätsmustern unterstützen mit Teilnehmern, die im Auto oder zu Fuß unterwegs sind. Der Rechenaufwand für die Scheduling-, Joining- und Handoff-Abläufe kann somit fast das Niveau von Makrozellen erreichen. Die Betreiber werden es deshalb in einigen Fällen vorziehen, den sehr mobilen Traffic im übergeordneten Makrozellen-Netz zu belassen, um den Kleinzellen einen Teil des Handoff-Aufkommens abzunehmen. Davon unberührt bleiben jedoch die Funktionen für Statistikerfassung und Netzwerkkoordination. Die Hersteller müssen sich also für beide Szenarien rüsten. Etwas anders sind die Verhältnisse bei Indoor-Kleinzellen, die keine schnelle Mobilität unterstützen müssen und mit größter Wahrscheinlichkeit Ethernet als Backhaul-Medium vorfinden. Die Backhaul-Technik ist für Indoor- und Outdoor-Kleinzellen gleichermaßen eine Herausforderung. Wie erwähnt, wird eine Indoor-Kleinzelle sehr wahrscheinlich Ethernet für den Backhaul nutzen, und auch ihre Stromversorgung dürfte über den Ethernet-Anschluss erfolgen. Folglich legt die Power-over-Ethernet-Technik (PoE+) fest, wie viel Leistung die Kleinzelle insgesamt aufnehmen darf. Bei den Outdoor-Lösungen gibt es dagegen verschiedene Backhaul-Optionen:

• • Glasfaser
• • Ethernet
• • Drahtlos mit direkter Sichtverbindung
• • Drahtlos ohne direkte Sichtverbindung
• • LTE Relay

Welche Option hier gewählt wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die Verfügbarkeit von Leitungsverbindungen, die Geländeverhältnisse und regionale Vorschriften spielen ebenso eine Rolle wie der Kapazitätsbedarf. Zellen mit mehr Kapazität benötigen eine entsprechend leistungsfähigere Backhaul-Verbindung, um auf dem Niveau der Makrozellen zu bleiben.

Die Rolle von TI

Texas Instruments ist schon seit Jahren auf dem Kleinzellenmarkt aktiv. Im vergangenen Jahr stellte das Unternehmen mit dem TCI6630K2L die dritte SoC-Generation für Kleinzellen-Anwendungen vor und kündigte den Baustein AFE7500 als zugehöriges Analog-Front-End an. Auf dem diesjährigen MWC stellte TI das SoC TCI6631K2L vor, mit dem sich energieeffiziente (PoE+) Wireless-Backhaul-Lösungen realisieren lassen. Die Bausteine TCI6616 und TCI6618 von TI tragen die Hauptlast der kommenden 3G/4G-Makronetzwerke. Abgerundet wird das Portfolio durch das SoC TCI6636K2H, das zwischen dem TCI6630K2L und dem TCI6616/18 positioniert ist und im Kleinzellen-Segment die ideale Plattform für Single-Sector-/High-End-Produkte bildet. Alle genannten Bausteine basieren auf der preisgekrönten Multicore-Architektur ‚KeyStone‘ von TI, die mit ARM-Cores und DSP-Cores sowie Radio-, Packet- und Security-AccelerationPacs ausgestattet ist. Zusammen ergeben diese Elemente eine skalierbare, programmierbare Plattform für eine Vielzahl drahtloser Netzwerk-Anwendungen. Die Wahl der KeyStone-Architektur als einheitliche Plattform bürgt für die Skalierbarkeit und Wiederverwendbarkeit der Software – beides wichtige Kriterien für die Hersteller von Basisstationen. Hersteller können den Betreibern damit eine Palette von Produkten präsentieren, deren einheitliches Look and Feel zahlreiche installations- und betriebsbezogene Aspekte vereinfacht.