Das globale Rennen um den Einsatz von 5G-Netzen hat beispiellose Anforderungen an die physische Infrastruktur gestellt, die Daten von Mobilfunkstandorten zu Kernnetzen transportiert. Während sich ein Großteil der öffentlichen Aufmerksamkeit auf Funktürme, kleine Zellen und die Frequenzzuweisung konzentriert, ist die wahre Voraussetzung für die Geschwindigkeit, Kapazität und geringe Latenzzeit von 5G die optische Netzwerkinfrastruktur, die ihr Rückgrat bildet. Ohne ein robustes, hochleistungsfähiges Glasfasertransportsystem wären selbst die fortschrittlichsten 5G-Funkgeräte nicht in der Lage, ihre Versprechen von Gigabit-Geschwindigkeit, ultrazuverlässiger Konnektivität und Unterstützung von Millionen von IoT-Geräten pro Quadratkilometer zu erfüllen.

Optische Netzwerke, die hauptsächlich aus Glasfasern bestehen, die Informationen als Lichtimpulse übertragen, sind seit langem die Grundlage für die Fern- und Metropolkommunikation. Die Einführung von 5G hat sie jedoch von einer passiven Transportschicht in eine aktive, programmierbare und tief integrierte Komponente des drahtlosen Zugangsnetzwerks verwandelt. Dieser Artikel erklärt, wie die optische Infrastruktur jede Schicht von 5G unterstützt - von Backhaul und Midhaul bis Fronthaul und Kern - und warum fortgesetzte Investitionen in Glasfaser für die nächste Generation der mobilen Konnektivität unerlässlich sind.

Die grundlegende Rolle der optischen Faser in 5G

Da sich Licht viel schneller bewegt als elektrische Signale in Kupfer und über große Entfernungen fast keine Signaldegradation erfährt, bietet Glasfaser zwei für 5G entscheidende Attribute: immense Bandbreite und extrem niedrige Latenz. Ein einzelnes Faserpaar kann jetzt mehrere Terabit Daten pro Sekunde mit Wellenlängenmultiplex (WDM) tragen, das das Licht in Dutzende oder sogar Hunderte von verschiedenen Wellenlängen aufteilt, die jeweils als unabhängiger Datenkanal fungieren.

5G erfordert ein Transportnetzwerk, das Fähigkeiten in einer Größenordnung von mehr als 4G LTE bewältigen kann. Während ein typischer 4G-Zellenstandort eine Backhaul-Kapazität von 1 Gbps oder weniger benötigen könnte, kann eine 5G-Makrozelle, die dichte städtische Gebiete bedient, 10 Gbps oder mehr erfordern. Kleine Zellen, die in Clustern eingesetzt werden, erfordern gemeinsam eine noch höhere Gesamtkapazität. Nur optische Fasern können wirtschaftlich skaliert werden, um diese Bedürfnisse zu erfüllen. Darüber hinaus erfordern die extrem niedrigen Latenzanforderungen von 5G-Anwendungen - wie autonome Fahrzeugkoordination, Fernchirurgie oder industrielle Automatisierung - Roundtrip-Verzögerungen unter 5 Millisekunden, die ohne die nahezu Geschwindigkeit der Lichtübertragung der Faser unmöglich sind.

Kupferbasierte Verbindungen wie DSL oder Koaxialkabel können diese Geschwindigkeiten oder Latenzen über Entfernungen von mehr als einigen hundert Metern nicht unterstützen. Daher ist jeder 5G-Bereitstellungsplan - ob für einen dichten städtischen Mikrozellencluster, einen Vorort-Makrostandort oder einen ländlichen festen drahtlosen Zugangsknoten - letztlich auf eine Glasfaser-Backhaul-Verbindung angewiesen. Die Verschiebung ist so grundlegend, dass der Begriff "Faser-zu-dem-Turm" (FTTt) zu einer Standardanforderung für 5G geworden ist.

Vergleich von Faser mit alternativen Backhaul-Technologien

Drahtlose Alternativen wie Mikrowellen- und Millimeterwellen-Punkt-zu-Punkt-Verbindungen können manchmal temporäre oder ergänzende Backhauls bereitstellen, aber sie leiden unter Line-of-Sight-Einschränkungen, Kapazitätsbeschränkungen und Anfälligkeit für Regenübergänge. Satellite Backhaul, während es mit Konstellationen mit niedriger Erdumlaufbahn verbessert wird, führt immer noch Latenzprobleme und begrenzte Kapazität ein. [FLT: 0] Glasfaser bleibt das einzige Backhaul-Medium, das zuverlässig Multi-Gigabit-Kapazität, Sub-Millisekunden-Latenz und zukunftssichere Skalierbarkeit [FLT: 1] für 5G-Netzwerke liefern kann. Nach Angaben der Fiber Broadband Association haben Websites, die von Glasfaser bedient werden, einen 15% höheren durchschnittlichen Umsatz pro Benutzer und deutlich niedrigere Abwanderungsraten als diejenigen, die Kupfer oder drahtloses Backhaul verwenden.

Massive MIMO und der Fiber Backhaul Imperative

Eine der wichtigsten technologischen Innovationen in 5G ist die massive MIMO (mehrfacher Eingang, Mehrfachausgang). Anstelle von wenigen Antennen können 5G-Basisstationen Dutzende oder sogar Hunderte von Antennenelementen verwenden, die jeweils unabhängige Datenströme senden und empfangen können. Dies erhöht die spektrale Effizienz dramatisch und ermöglicht es der Basisstation, viele Benutzer gleichzeitig zu bedienen.

In einem typischen 5G-Einsatz befindet sich die Funkeinheit (RU) an der Spitze des Turms oder auf einer Straßenlaterne, die verteilte Einheit (DU) befindet sich irgendwo an der Basis des Turms oder in einem nahe gelegenen Schrank, und die zentrale Einheit (CU) kann mehrere Kilometer entfernt in einem zentralen Büro sein. Die Verbindung zwischen dem RU und der Zentraleinheit - bekannt als fronthaul - erfordert massive Datenraten. Der Common Public Radio Interface (CPRI) Standard für 4G wurde durch verbesserte CPRI (eCPRI) und andere paketierte Schnittstellen ersetzt, die den Fronthaul für 5G optimieren. Selbst bei Kompression und Paketierung kann ein einzelnes massives MIMO 5G-Funk Fronthaul-Verbindungen von 25 Gbps oder mehr erfordern. Dieses Geschwindigkeitsniveau kann nur durch optische Glasfaser unterstützt werden, oft unter Verwendung von WDM, um Faserstränge zwischen mehreren Funkgeräten zu teilen.

Kleine Zellen und Faserverdichtung

Die höheren Frequenzbänder von 5G – insbesondere das Millimeterwellenspektrum (mmWave) – haben eine sehr begrenzte Reichweite und können durch Gebäude, Bäume und sogar Regen blockiert werden. Um eine konsistente Abdeckung zu liefern, müssen die Betreiber alle 100 bis 300 Meter in städtischen Gebieten eine dichte Schicht von kleinen Zellen bereitstellen. Jede kleine Zelle benötigt ihren eigenen Glasfaser-Backhaul. Dies hat zu einem dramatischen Anstieg der Anzahl der Standorte mit Glasfaserbeleuchtung geführt. Große Carrier geben jährlich Milliarden von Dollar für die Glasfaserverdichtung aus - neue Faserrouten aufbauen, um Zehntausende von kleinen Zellen zu verbinden.

In dichten städtischen Umgebungen muss Glasfaser nicht nur entlang der Straßen, sondern auch in Gebäude, auf Dächer und in Versorgungsmasten und Straßenmöbel eingesetzt werden. Betreiber verwenden zunehmend Mikro-Trenching-Techniken, um Glasfaser schnell und mit minimalen Störungen zu legen, sowie die Nutzung bestehender Leitungs- und Luftfaserläufe. Der Prozess ist kapitalintensiv, aber unerlässlich; ein 5G-Netzwerk ohne ausreichende Glasfaser-Backhaul würde kleine Zellen an Kapazität verhungern lassen, was zu einer schlechten Benutzererfahrung führt.

Optische Transporttechnologien ermöglichen 5G

Über die einfache Bereitstellung von Glasfaserkabeln hinaus stützt sich 5G auf fortschrittliche optische Transporttechnologien, um die Nutzung dieser Faser zu maximieren. Das wichtigste davon ist Wavelength Division Multiplexing (WDM), das es ermöglicht, dass mehrere Wellenlängen (Farben) des Lichts gleichzeitig auf einer einzigen Faser reisen. Dichte WDM (DWDM) -Systeme können 80 oder mehr Kanäle auf einem Faserpaar packen, jedes trägt 100 Gbps oder mehr und bietet Gesamtkapazitäten in den Dutzenden von Terabit pro Sekunde. Dies ist entscheidend für 5G, weil es einem Faserstrang erlaubt, mehrere Zellstandorte zu bedienen, Datenverkehr zu Rechenzentren zu entladen und sich mit dem Kernnetzwerk zu verbinden, ohne dass zusätzliche Glasfaserbereitstellung erforderlich ist.

Moderne kohärente Modems verwenden fortschrittliche Modulationsformate wie 16QAM oder 64QAM in Kombination mit digitaler Signalverarbeitung, um Datenraten über 400 Gbps pro Wellenlänge hinaus zu verschieben, sogar über Entfernungen von Hunderten von Kilometern. Diese Systeme sind jetzt kostengünstig genug, um nicht nur in Langstreckennetzen, sondern auch in Metro- und sogar Zugangsnetzen für 5G-Standorte eingesetzt zu werden. Darüber hinaus ermöglichen programmierbare optische Netzwerke basierend auf flexiblem Netz und softwaredefiniertem Netzwerk (SDN) Betreibern, die Bandbreite in Echtzeit neu zu konfigurieren und sich an wechselnde Verkehrsmuster von 5G-Benutzern anzupassen.

Optisches Slicing für Network Slicing

5G führt das Konzept des Network Slicing ein – die Schaffung isolierter virtueller Netzwerke auf einer gemeinsamen physischen Infrastruktur, um verschiedene Anwendungsfälle zu bedienen (z. B. verbessertes mobiles Breitband, massives IoT, ultrazuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz). Optische Transportnetze können das Slicing durch Segmentierung auf Wellenlängenebene oder Paketebene unterstützen. Beispielsweise kann eine dedizierte Wellenlänge dem privaten 5G-Slice eines Unternehmens zugewiesen werden, wodurch eine garantierte Bandbreite und Latenz ohne Störungen durch anderen Datenverkehr gewährleistet wird. Diese Fähigkeit treibt das Interesse an optischem Network Slicing als Ergänzung zum Ende-zu-Ende-Netzwerk-Slicing in 5G an.

Optische Infrastruktur für 5G Core und Edge

5Gs Kernnetz unterscheidet sich grundlegend von 4Gs. Es basiert auf einer Cloud-nativen Architektur mit virtualisierten Netzwerkfunktionen, die auf Commodity-Servern ausgeführt werden, die oft am Netzwerkrand verteilt sind, um die Latenz zu reduzieren. Dieses Multi-Access Edge Computing (MEC) Paradigma platziert Rechen- und Speicherressourcen innerhalb von 10-20 Kilometern vom Endbenutzer, was Verbindungen mit hoher Bandbreite und geringer Latenz zwischen Edge-Rechenzentren und Funkzugangsstellen erfordert.

Optische Netzwerke sind der einzige praktische Weg, um diese Edge-Knoten miteinander zu verbinden. Ein typisches Edge-Rechenzentrum benötigt möglicherweise 100-400 Gbps-Konnektivität zu seinen unterstützenden Zellstandorten, und mehrere Edge-Rechenzentren müssen miteinander und mit zentralen Kernen verbunden sein. Dies erfordert eine dichte optische Verbindung, die oft mit DWDM- oder passiven optischen Netzwerk (PON) -Technologien implementiert wird. [FLT: 0] XGS-PON und NG-PON2 [FLT: 1] (Nächste Generation passive optische Netzwerke) werden für mobile Fronthaul und Backhaul eingesetzt und bieten symmetrische 10 Gbps oder mehr pro Teilnehmer, während die bestehende Glasfaser-zu-Haus-Infrastruktur genutzt wird. Diese Konvergenz von Festnetzen und mobilen Zugangsnetzwerken ist ein wichtiger Trend in 5G, da Betreiber versuchen, den Wert ihrer Glasfaser-Assets zu maximieren.

Bewältigung der Herausforderungen der optischen Infrastruktur für 5G

Trotz seiner klaren Vorteile steht der Einsatz der optischen Netzwerkinfrastruktur für 5G vor mehreren großen Herausforderungen. Höhe anfängliche Investitionsausgaben stehen an erster Stelle. Das Legen neuer Glasfaserkabel - ob unterirdisch, strandmontiert oder durch bestehende Leitungen - ist teuer, insbesondere in dichten städtischen Gebieten, in denen Genehmigungs-, Vorfahrts- und Baukosten hoch sind. Eine einzige Meile Glasfaserkabel kann je nach Gelände und vorhandener Infrastruktur Zehntausende von Dollar kosten.

Eine weitere Herausforderung ist power and space. Aktive optische Geräte wie WDM mux/demux Einheiten, Verstärker und kohärente Transceiver müssen in Straßenschränken, Hütten oder Notunterkünften der Basisstation untergebracht werden. Diese haben oft begrenzte Energiebudgets und Kühlfähigkeiten, die ein sorgfältiges Design erfordern, um Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Darüber hinaus bedeutet die Notwendigkeit von physischer Glasfaserverbindung zu jedem Standort für kleine Zellen, dass sich die Bereitstellungszeitlinien über Jahre erstrecken können, insbesondere in Städten, in denen Ausgrabungsgenehmigungen schwer zu erhalten sind.

Schließlich sind Sicherheits- und Widerstandsfähigkeitsprobleme. Eine abgetrennte Glasfaser kann einen ganzen Cluster von 5G-Zellen abschalten, und da optische Kabel oft in der Nähe von Straßen oder anderen Versorgungseinrichtungen installiert werden, sind versehentliche Schnitte üblich. Betreiber müssen redundante Glasfaserpfade bereitstellen, oft auf physisch unterschiedlichen Wegen, und eine automatische Schutzschaltung implementieren, um die Servicekontinuität aufrechtzuerhalten.

Innovationen reduzieren Bereitstellungsbarrieren

Glücklicherweise machen mehrere Innovationen den optischen Einsatz für 5G schneller und kostengünstiger. Bend-unempfindliche Glasfaser ermöglicht es beispielsweise, Kabel ohne Signalverlust stärker zu biegen, was sie einfacher macht, durch enge Leitungen, Gebäude-Riser und Handlöcher auf Straßenebene zu führen. Dies reduziert die Installationszeit und ermöglicht ein flexibleres Netzwerkdesign.

Mikro-Trenching hat sich als eine beliebte Methode für die Installation von Glasfaser in Gehwegen und Straßen herausgestellt. Ein schmaler Schlitz (normalerweise 1-2 Zoll breit und 6-12 Zoll tief) wird geschnitten, das Glasfaserkabel wird verlegt und der Schlitz wird mit einem schnell einrichtenden Compound gefüllt. Der Prozess kann in Tagen statt Wochen mit minimalen Verkehrsstörungen abgeschlossen werden. Einige Gemeinden benötigen jetzt Mikro-Trenching für alle neuen Glasfaser-Einsätze, um die visuellen und physischen Auswirkungen auf Straßen zu reduzieren.

Leichte Glasfaserkabel können an bestehende Strom- oder Telefonmasten angeschnallt werden, und neue Hängekabeltechniken ermöglichen längere Spannweiten zwischen den Polen, ohne dass Strukturen mit mittlerer Spannweite erforderlich sind. Dies ist besonders nützlich für ländliche 5G-Backhaul, wo die Grabenkosten unerschwinglich sind, aber Polwege existieren.

Auf der aktiven Geräteseite senken das Aufkommen von Silizium-Photonik und integrierten kohärenten Transceivern die Kosten für optische Hochgeschwindigkeitsverbindungen. Ein 400G-Kohärenzmodul, das vor wenigen Jahren Zehntausende von Dollar kostete, kostet jetzt einen Bruchteil davon, was es möglich macht, es an jedem Zellstandort einzusetzen. (SFP und QSFP) Transceiver für PON und Punkt-zu-Punkt-Glasfaser bringen optische Konnektivität zur Funkeinheit selbst, wodurch die Notwendigkeit für separate optische Transportausrüstung entfällt.

Darüber hinaus ermöglichen die Netzwerkfunktionsvirtualisierung und SDN den Betreibern, optische Ressourcen zentral zu verwalten, Wellenlängenzuweisungen zu orchestrieren und die Fehlerwiederherstellung zu automatisieren. Dies reduziert den Betriebsaufwand und ermöglicht es, die optische Schicht dynamisch zu skalieren, wenn der Datenverkehr wächst.

Die Zukunft: 6G und darüber hinaus

Mit Blick auf die Zukunft wird sich die Rolle der optischen Infrastruktur nur vertiefen. 6G, das voraussichtlich um 2030 ankommen wird, wird noch höhere Datenraten (vielleicht 1 Tbps pro Benutzer), eine Latenzzeit unter Mikrosekunden und die Integration mit Sensorik und KI erfordern. Terahertz-Frequenzen und intelligente Oberflächen werden ein unglaublich dichtes Gewebe von Funkzugangspunkten erfordern, die jeweils extreme Backhaul-Kapazität erfordern.

Darüber hinaus kann die optische Kommunikation im Freiraum (LiFi und laserbasierte Verbindungen) in ultradichten Umgebungen wie Stadien oder Fabrikhallen die traditionelle Faser für die letzten paar Meter ergänzen. Für die überwiegende Mehrheit des Transportnetzes wird Glasfaser jedoch das einzige Medium bleiben, das in der Lage ist, die erforderliche Größe zu liefern. Der Begriff "Allfaser" könnte überflüssig werden, da drahtlose Netzwerke im Wesentlichen immer mehr nur die Funkerweiterung eines Glasfaser-Backbones sein werden.

Schlussfolgerung

Optische Netzwerkinfrastruktur ist nicht nur ein unterstützendes Element der 5G-Erweiterung - sie ist der wesentliche Enabler. Von der Rückführung, die jedes Makro und jede kleine Zelle mit dem Kern verbindet, über die Fronthaul, die massive MIMO-Funkgeräte verbindet, bis hin zu den Edge-Rechenzentrumsverbindungen bietet Glasfaser die Bandbreite, geringe Latenz und Skalierbarkeit, die 5G erfordert. Während Herausforderungen wie Kosten, Bereitstellungskomplexität und physischer Raum bestehen bleiben, senken Innovationen in Glasfasertypen, Installationstechniken und optische Transporttechnologien ständig Barrieren.

Für Telekommunikationsbetreiber schafft die Investition in eine dichte, programmierbare optische Schicht heute eine Grundlage, die nicht nur die vollständige Realisierung von 5G unterstützt, sondern auch den Übergang zu dem, was als nächstes kommt, erleichtert.

Zum weiteren Lesen: ]Die Glasfaser-Breitband-Vereinigung bietet Brancheneinblicke zu Glasfaser-Breitband-Trends. Eine detaillierte technische Übersicht über den optischen Transport in 5G ist unter Light Reading verfügbar. Hintergrund zu massiven MIMO- und Glasfaseranforderungen finden Sie in Wikipedias Massive MIMO-Artikel. Für reale Anwendungsfallstudien ist das Ericsson 5G Transport White Paper eine maßgebliche Ressource.