LTE und die Auswirkung auf die OSS Systemlandschaft

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1 LTE und die Auswirkung auf die OSS Systemlandschaft WHITEPAPER

2 Versionsführung Version Datum Autor Änderung Christian Schäfer, Bernd Müller Christian Schäfer, Bernd Müller Erster Entwurf Update Bernd Müller Update Christian Schäfer, Bernd Müller Update Copyright P Solutions & Consulting AG. Alle Rechte vorbehalten. Dieses Dokument ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung unter Verwendung fotomechanischer oder elektronischer Systeme, vorbehalten. Geschützte Warenzeichen, Gebrauchsnamen etc. sind im Text nicht ausgewiesen. Das Fehlen einer solchen Kennzeichnung bedeutet nicht, dass es sich um einen freien Namen im Sinne der Waren- und Markenzeichengesetzgebung handelt. Haftungsbeschränkung Die Informationen in diesem Dokument sind sorgfältig geprüft und insofern als verlässlich anzusehen. Trotzdem kann keinerlei Garantie dafür übernommen werden, dass die in diesem Dokument spezifizierten Informationen fehlerfrei sind. Die 7P Solutions & Consulting AG behält sich das Recht vor, die hier enthaltenen Informationen jederzeit ohne Vorankündigung zu ändern. 7P Solutions & Consulting AG Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 2 von 32

3 Vorwort If telecom network operators want to innovate, they first need to massively simplify their IT and network operations (KPN Mobile 's CTO Erik Hoving auf der Messe Management World 2011 in Dublin [1]). Dieses Dokument soll die Auswirkungen auf die OSS (Operational Support System) Systemlandschaft der Netzbetreiber aufzeigen, die durch die Einführung des nächsten Mobilfunkstandards (LTE/4G) entstehen werden und dabei das Optimierungspotential durch Anpassung benötigter Prozesse und Anwendungen vorstellen. Kurzfassung Wettbewerbsdruck und Tariferosion erfordern erhöhte Rentabilität des Netzbetriebs der Mobilfunkanbieter. Ein Ausbau des neuen Mobilfunkstandard LTE ist für Netzbetreiber die effizienteste Investition um den steigenden technischen Anforderungen gerecht zu werden. Die Integration von LTE in den laufenden Netzbetrieb erfordert diverse Anpassungen existierender Prozesse und Anwendungen der NPS & OSS Systemlandschaft. Nur ein optimierter Integrationsprozess unterstützt den kostensenkenden Anspruch von LTE. Konsequente Einführung der LTE SON Funktionalitäten beschleunigt die Netzintegration und erhöht die Leistungsfähigkeit des Netzbetriebs. SEVEN PRINCIPLES verfügt im Bereich LTE-OSS-Integration über umfassende Expertise in der Beratungsdienstleistung und bietet hauseigene Lösungen an, die eine reibungslose Netzintegration in einem Multivendor-Umfeld ermöglichen. Zielgruppe Dieses Dokument richtet sich an Betreiber von Mobilfunknetzen, die LTE als nächste Mobilfunktechnologie aktuell einführen bzw. einführen werden. Es dient als Überblick über die Herausforderungen, die auf die Netzbetreiber während der Integration der neuen Systemtechnik zu kommen. Christian Schäfer Bernd Müller Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 3 von 32

4 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung LTE Überblick LTE Technik Neue Herausforderungen Herausforderung 1: vielfältige Anbindungsoptionen Herausforderung 2: Migration der Anbindung existierender Netze Herausforderung 3: geteilte Zuständigkeiten für das Transportnetz Herausforderung 4: aggressiver Zeitplan Herausforderung 5: erhöhte Komplexität des Netzbetriebes Herausforderung 6: erforderliche organisatorische Adaptionen an neuen Standard OSS Struktur OSS Aufgaben im RAN OSS in der IT-Landschaft OSS und LTE Deployment OSS im Lebenszyklus eines LTE Netzes LTE Einbindung in OSS und Prozesse eines Netzbetreibers SON (Self Organizing Networks) OSS Optimierungspotential durch SON enb Plug und Play Funktionalität Automatische Nachbarschaftsbeziehung Unterstützungsleistungen Ausblick Glossar Referenzen Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 4 von 32

5 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Globale Entwicklung des mobilen Datenverkehrs... 6 Abbildung 2: Entwicklung HSPA & LTE... 7 Abbildung 3: operative Ausgaben und Einsparungen bei der Migration zum SRAN... 8 Abbildung 4: Übersicht Mobilfunknetze Abbildung 5: Detailübersicht RAN-Interfaces Abbildung 6: Entwicklung der RAN-Zugangsnetze Abbildung 7: Handover-Szenarien Abbildung 8: etom Übersichtskarte Abbildung 9: OSS Struktur Abbildung 10: OSS Landscape Abbildung 11: OSS und LTE Deployment Abbildung 12: Meilensteine Abbildung 13: Netz-Lebenszyklus Abbildung 14: SON-Beispiel Prozess für enb Inbetriebnahme Abbildung 15: SON Hauptfunktionen Abbildung 16: Vereinfachung durch SON Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Anforderungen durch den LTE Rollout und optimierende Maßnahmen Tabelle 2: Einführung der SON-Funktionalitäten Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 5 von 32

6 1 Einleitung Betreiber von Mobilfunknetzen stehen bereits seit einiger Zeit in einem hart umkämpften Wettbewerb um die Endkunden. Getrieben von der stetig steigenden Nachfrage der Datendienste, dramatisch wachsenden Datenmengen und dem hohem Kostendruck aufgrund erodierender Datentarife, müssen die Mobilfunknetzbetreiber Lösungen finden, die den profitablen Betrieb ihrer Netze gewährleisten. So hat sich beispielsweise nach der Cisco VNI Studie [8] der mobile Datenverkehr der Vodafone Group in Europa vom ersten auf das zweite Quartal 2009 um 115% erhöht und nochmal um 88% vom zweiten Quartal 2009 auf das zweite Quartal Die Prädiktion des globalen mobilen Datenverkehrs aus demselben Dokument zeigt ein jährliches durchschnittliches Wachstum (CAGR) von 92% für den Beobachtungszeitraum bis 2015 (siehe Abbildung 1 unten). Abbildung 1: Globale Entwicklung des mobilen Datenverkehrs 1 Ein möglicher Ansatz, diesen Anforderungen zu genügen, ist die Einführung von LTE (Long Term Evolution). LTE ist der neue, effizientere 4G Mobilfunk-Standard des 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Technisch betrachtet basiert dieser Standard auf der Grundlage von GSM und UMTS, der heutigen 3GPP Familie von zellular aufgebauten Netzwerken. Durch LTE werden die Datenraten signifikant gesteigert und die Latenzzeiten verbessert. Im Gegensatz zu der damaligen Einführung des UMTS Standards gewinnt der Ausbau von LTE sehr schnell an Fahrt. Hierzu folgendes Zitat 2 von Alan Hadden, Präsident der GSA (Global Mobile Suppliers Association): 1 Quelle: Cisco Visual Networking Index [8] 2 Quelle: GSA (http://www.gsacom.com/news/gsa_334.php4) Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 6 von 32

7 LTE is the fastest developing mobile system technology ever. The number of operators investing in LTE has increased 98% since June 2010, while the number of firm deployment commitments has more than doubled (107%) in the same period. We have again raised our market outlook and forecast at least 91 LTE networks will be in commercial service by end Die nachfolgende Grafik verdeutlicht die rasante Entwicklung. Abbildung 2: Entwicklung HSPA & LTE 3 3 Quelle: GSA(http://www.gsacom.com/news/gsa_315.php4) Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 7 von 32

8 Im Unterschied zu alternativen Technologien wie z.b. WIMAX, ist LTE die von Mobilfunknetzbetreibern ausgewählte Technologie, die im Gegensatz zum Ausbau bestehender Standards (2G/3G) kostengünstiger ist und den Migrationspfad von UMTS über HSPA zu 4G ermöglicht. Mit der Einführung von UMTS wurde ein zusätzliches und separates Mobilfunknetz aufgebaut, bestehend aus weiterem Equipment und einem separaten Zugangsnetz. Damit verbunden entstanden erhöhte Kosten für den Netzbetrieb. Bei der Einführung von LTE können diese operativen Mehrausgaben durch ein neues Design der Basisstationen gesenkt werden, dem sogenannten SRAN (Single RAN), welches Module aller Technologien (2G/3G/4G) enthält. Dieser Ansatz und damit der Ausbau von LTE, führt erst mal zu einer Erhöhung der Investitionskosten (CAPEX). Gegenüber dem kapazitiven Ausbau bestehender Netze, wird sich dieser Ansatz jedoch aus Sicht von Netzbetreibern langfristig rentieren und somit Einsparung einbringen. Der operative Aufwand (OPEX) während der Einführung einer neuen Technologie und die Migration existierender Technologien, nehmen hingegen zusätzlich zu. Um Einsparungen gegenüber dem operativen Mehraufwand der Integration sowie der Migration zu erzielen, ist es unabdingbar die Anwendungen und Prozesse für den Betrieb bei den Mobilfunknetzbetreibern anzupassen. Abbildung 3: operative Ausgaben und Einsparungen bei der Migration zum SRAN Die Integration von LTE bedarf einer sorgfältigen Organisation der notwendigen Schritte, um die Eingriffe im bestehenden Netz mit höchster Effizienz durchzuführen. Ein elementarer Bestandteil dieses komplexen Gefüges von benötigten Anwendungen und Prozessen ist hierbei das Betriebsunterstützungssystem, allgemein mit OSS (Operational Support System) bezeichnet. Dieses Dokument soll die Aspekte des OSS für den erfolgreichen Rollout und Betrieb von LTE Netzen aus Sicht der Mobilfunknetzbetreiber beleuchten. Wie so oft, soll auch hier die spezifische Ausgangslage der Netzbetreiber berücksichtigt werden. Trotzdem soll ein generischer Best-Practice Ansatz der LTE-Integration in eine bestehende OSS-Systemlandschaft aufgezeigt werden. Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 8 von 32

9 Der nächste Abschnitt dieses Dokuments erläutert kurz die LTE Technologie, während in den darauf folgenden Abschnitten auf die Rolle des OSS in einem LTE Netz eingegangen wird. Anschließend werden dann Lösungsansätze einer effizienten LTE-Integration aufgezeigt. 2 LTE Überblick 2.1 LTE Technik LTE bezeichnet den vom 3GPP spezifizierten Standard, der die Weiterentwicklung nach UMTS-/HSPA-basierten Netzen umfasst. LTE wird oft als 4.Generation (4G) bezeichnet, obwohl LTE in der Rel.8 die IMT-Advanced 4 Anforderungen für 4G nicht erfüllt. Wesentliche Motivationen und Treiber der LTE Entwicklung waren nach Angaben des 3GPP: Bedarf der Wettbewerbsfähigkeit der 3GPP Systeme in der Zukunft Hohe Datenrate und Dienstqualität (QoS) auf Nutzerseite Für Paketvermittlung optimiertes System Kostenreduktion (CAPEX /OPEX) Geringe Komplexität Weitgehendste Vereinheitlichung der TDD/FDD Technologien Der signifikanteste Wandel in der Topologie des LTE-Zugangsnetzes (EUTRAN - Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) ist eine flache Hierarchie, die auf die bei GSM und UMTS eingesetzten Controller im RAN verzichtet. Abbildung 4verdeutlicht die Entwicklung der Zugangsnetze seit GSM. Weiterhin kann LTE in einem weiten Frequenzbereich eingesetzt werden. In Europa wurde hierfür u.a. der 800MHz Frequenzbereich der analogen Fernsehsignalübertragung für LTE freigegeben (EDD - European Digital Dividend). Damit kann die Breitbandversorgung auch ländlicher Gebiete, abseits von DSL Versorgung, realisiert werden. Da LTE ein rein paketorientierter Standard ist, gibt es im LTE Kernnetz (EPC Evolved Packet Core) keinen leitungsvermittelten Anteil mehr. Funktional übernehmen getrennte Knoten die Paketvermittlung und Signalisierungsaufgaben. Seitens der verwendeten Übertragungslösung gibt es ebenfalls Neuerungen. Hier spezifiziert die 3GPP das IP- Protokoll für den Transport, darunter wird in der Regel Ethernet-basiert übertragen. Damit folgt auch der LTE Standard dem allgemeinen Trend in der Telekommunikation zur konvergenten Ethernet/IP Datenübertragung für Daten- und Sprachdienste. Der Forderung der Mobilfunknetzbetreiber nach Aufwandsoptimierung des Netzbetriebs soll mit der Realisierung von SON (Self Organizing Network) Funktionalitäten Rechnung getragen werden. 4 Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 9 von 32

10 Die folgenden beiden Abbildungen illustrieren die Co-Existenz der aktuellen Mobilfunktechnologien 2G, 3G und LTE. Abbildung 4: Übersicht Mobilfunknetze GSM RAN Core BTS Abis BSC A; Gb GSM-CN Abis BTS UMTS RAN NodeB Iub RNC Iu-ps; Iu-cs UMTS-CN NodeB Iub Iur RNC Iu-ps; Iu-cs LTE RAN RAN internal Interface enodeb S1-U, S1-MME RAN Core Interface X2 EPC Abbildung 5: Detailübersicht RAN-Interfaces enodeb S1-U, S1-MME Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 10 von 32

11 2.2 Neue Herausforderungen Mit der Einführung von LTE in den Netzbetrieb stellen sich den Netzbetreibern diverse neue Herausforderungen. Es werden neue zusätzliche Zellstandorte aufgebaut, die wiederum höhere Übertragungskapazitäten ermöglichen und damit neue Übertragungsanbindungen benötigen. Dabei müssen auch die Anbindungen existierender Netze migriert werden. Diese Herausforderungen und auch zusätzliche Nutzerdienste, die provisioniert und administriert werden müssen, führen zu einem zusätzlichen und komplexeren Aufwand im Netzmanagement. Hier werden die Netzbetreiber einige organisatorische Anpassung durchführen müssen, um diesen Herausforderungen bestmöglich entgegen zu treten. Einige dieser zu erwartenden Herausforderungen werden in den folgenden Unterkapiteln adressiert. In Kapitel 4 werden dann potentielle Lösungen für diese Aufgaben vorgestellt. Alle diese Lösungen müssen den Anspruch der Technologieeinführung innerhalb des Budgets sowie des Zeitplanes erfüllen, also kosteneffizient und zeitsparend sein Herausforderung 1: vielfältige Anbindungsoptionen LTE ist der erste 3GPP Mobilfunkstandard, der von Beginn an auf eine rein IP-basierte Anbindung der Netzelemente setzt. Dies erlaubt einerseits eine weite Anzahl von Optionen für das Zugangsnetz sowie eine effektivere Netzausnutzung. Andererseits steigen die Anforderungen an die LTE Netzelemente an Bandbreite sowie Qualität, Sicherheit und Verfügbarkeit des Netzes. Für den Planungsprozess des Netzes erfordert dies eine enge Verzahnung zwischen den Anforderungen der Knoten und den entsprechenden Dimensionierungen und Konfigurationen des unterliegenden Zugangsnetzes. Seitens der Nutzerdaten ist absehbar, dass es zu einer Ablösung des reinen Best-Effort Verkehres kommen wird. Damit muss auch das Zugangsnetz die hieraus resultierenden Priorisierungen der Nutzerdaten-Ströme unterstützen können. Durch vorgegebene Ausbauszenarien der Regulierungsbehörde BNetzA müssen die priorisierten ländlichen Gebiete (sogenannte weißen Flecken ohne DSL-Versorgung) vorrangig zu den städtischen Gebieten mit Breitband versorgt werden. Dadurch ergeben sich eine Vielzahl neuer zu realisierender Topologien von zu realisierenden Richtfunkanbindungen bis hin zur Integration dieser Anbindungen in bestehende Metro-Ethernet Netze. Nachfolgend sind die Eckdaten zur Anbindungen der einzelnen Mobilfunktechnologien aufgezeigt: Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 11 von 32

12 Komplexität + GSM Circuit-switched (PDH/SDH) Fokus: Sprachübertragung Geringer Planungsaufwand für Sicherstellung der Dienstqualität Permanente Ressourcenbelegung geringe Effizienz UMTS Cell-switched (ATM) Fokus: Sprach- und Datenübertragung Mittlerer Planungsaufwand für Sicherstellung der Dienstqualität Statistisches Multiplexing bei starrer Zellgröße mittlere Effizienz LTE Packet switched (IP/Ethernet) Fokus: Datenübertragung Erhöhter Planungsaufwand für Sicherstellung der Dienstequalität Statistisches Multiplexing bei variabler Paketgröße hohe Effizienz - + Effizienz Abbildung 6: Entwicklung der RAN-Zugangsnetze Herausforderung 2: Migration der Anbindung existierender Netze Im Zuge der Konvergenz der Zugangsnetze sind Betreiber bestrebt, die paketvermittelte Übertragung auch für die bestehenden 2G und 3G Netze zu nutzen. Hierbei wird die jeweils verwendete Übertragungstechnik emuliert. Der Vorteil liegt in einer einheitlichen Übertragungstechnik sowie Bündelungs- und Skalierungsgewinnen. Auch hier entsteht ein erhöhter Planungs- und Provisionierungsaufwand, insbesondere bei den erhöhten Qualitätsanforderungen für die Leitungsemulation über IP Herausforderung 3: geteilte Zuständigkeiten für das Transportnetz Durch den Wechsel der Transporttechnologie von SDH/ATM zu IP basierter Übertragung und dem enorm gestiegenen Bandbreitenbedarf in der Netzanbindung gehen Mobilfunkbetreiber auch Partnerschaften mit Betreibern von Datennetzen ein. Eine optimale Provisionierung von Übertragungsstrecken erfordert in diesen speziellen Anwendungsfällen ein unternehmensübergreifendes Konfigurationsmanagement, das Ende-zu-Ende eingesetzt werden kann Herausforderung 4: aggressiver Zeitplan Im Vergleich zu der Einführung existierender Mobilfunkstandards ist der LTE Netzausbau bereits zu einer sehr frühen Phase weit fortgeschritten. Dies ist teilweise der Wettbewerbssituation der Netzbetreiber geschuldet. Weitere Treiber hierfür sind regulatorische Auflagen und der gestiegene Bandbreitenbedarf der Endkunden. Insbesondere in Deutschland hat die Versorgung der weißen Flecken mit LTE als DSL-Ersatzprodukt bevorzugt zu erfolgen. Dazu hat die Regulierungsbehörde BNetzA bestimmte Zeitpläne vorgesehen. Auswirkungen dieses ambitionierten Rollouts sind der unmittelbare Bedarf eines industrialisierten Prozesses und der dazugehörigen technischen Lösungen. Aufgrund bereits steigender kommerzieller Nutzerzahlen wirken sich Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 12 von 32

13 ebenfalls Fehler beim aktuellen Rollout-Prozess stärker aus als in einem Netz, das sich erst im eingeschränkten Testbetrieb befindet Herausforderung 5: erhöhte Komplexität des Netzbetriebes In der Regel besteht ein Mobilfunknetz aus Komponenten mehrerer Hersteller, z.b. kann der EPC Lieferant vom EUTRAN Lieferanten abweichen bzw. der Hersteller des Transportnetzes ein anderer sein. Häufig werden auch innerhalb eines Subsystems verschiedene Hersteller gewählt. Dies führt zu sehr komplexeren Szenarien, da jeder Hersteller einen eigenen NEM (Network Element Manager) bereitstellt, der in die bestehende Tool- und Prozesskette der Netzbetreiber eingebunden werden muss. Eine weitere Komplexität entsteht bei der Planung der durchzuführenden Netzübergänge, die es ermöglichen die Verbindungen auch beim Wechsel der Technologien (z.b. 3G LTE) aufrecht zu erhalten. Dabei gibt es mehrere Möglichkeiten wie die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Technologien durchgeführt werden müssen. Für die Initiierung des Netzübergangs spielt die Kommunikation des UE (User Equipment) mit dem Netz eine bedeutende Rolle. Abhängig von der Richtung des Übergangs, d.h. Quell- und Zieltechnologie, teilt entweder das Netz dem UE die Nachbarschaften mit, oder umgekehrt. Durch die Einführung von LTE ist der Bedarf an zu planenden Nachbarschaften nochmals angestiegen. Hierfür sind nicht nur die Nachbarschaften innerhalb einer Technologie zu planen (intra-rat), sondern auch solche, die Handover- Szenarien zwischen verschiedenen Technologien (inter-rat) und den entsprechenden Frequenzbändern (intra/inter-frequency) ermöglichen sollen. Zusätzlich zu den schon existierenden Handover- Szenarien, kommen nun durch die Einführung der LTE Technologie noch folgende Szenarien zusätzlich hinzu: LTE 2G LTE 3G 2G LTE 3G LTE LTE LTE inter- und intra frequency Dabei ist die Komplexität noch deutlich höher als durch diese Szenarien dargestellt wird. Mobilfunkbetreiber setzen in der Regel mindestens zwei Hersteller für eine Technologie ein. Dieser Faktor führt zu einer Verdoppelung der Handover-Szenarien. Bei LTE werden verschiedene Frequenzen eingesetzt (z.b. 800MHz, 1800MHz & 2600MHz), die die Komplexität zusätzlich erhöhen. Abbildung 7 zeigt beispielhaft nur einige der möglichen Handover-Szenarien zwischen aktuellen und der neuen LTE Technologie und damit die Komplexität in Mobilfunknetzen. Dabei gehen generell folgende Faktoren ein: Hersteller Technologien Frequenzen Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 13 von 32

14 Abbildung 7: Handover-Szenarien Herausforderung 6: erforderliche organisatorische Adaptionen an neuen Standard Durch die Einführung von LTE werden, innerhalb der Organisation des Netzbetriebes und der bestehenden Prozesse, auch folgende LTE-Eigenschaften Einfluss nehmen: Die Forderung nach einem selbstorganisierenden Netzwerk (SON Self Organizing Networks) erfordert Umstellungen der Planungsprozesse und Anwendungen. Definitionen von Key Performance Indicators (KPI) in LTE müssen auf Vergleichbarkeit zu KPIs der bestehenden Netze geprüft werden.kpis werden aus Countern berechnet. Diese Counter sind in unterschiedlichen Technologien nicht zwangsläufig identisch, hieraus ergibt sich das Risiko unterschiedlicher KPI Implementierung in verschiedenen Performance Management Systemen. Definitionen der Alarme müssen auf Vergleichbarkeit geprüft werden, d.h. auch hier sollten die Definitionen in unterschiedlichen Technologien vergleichbar sein. Die Sicherheitsanforderungen müssen überarbeitet werden, da das Zugangsnetz eine geschützte IP- Anbindung der LTE-Netzelemente erfordert. Im Zugangsnetz ist es nicht mehr möglich RAN-Protokolle zu tracen, da diese bereits in der Basisstation (enb) terminieren. Außerdem schränkt die IPSec-Verschlüsselung weitere Tracemöglichkeiten auf dem Interface S1 zwischen enb und EPC ein. Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 14 von 32

15 3 OSS Struktur Nach dem ISO/OSI Network Management Model [7] lassen sich generell die klassischen Aufgaben des OSS anhand des Akronyms FCAPS erklären. FCAPS ist die Abkürzung und steht für: Fault Management (Fehlermanagement) Configuration Management (Konfigurationsmanagement) Accounting Management (Abrechnungsmanagement) Performance Management (Leistungsmanagement) Security Management (Sicherheitsmanagement) Diese Aufgaben beschreiben notwendige Kernfunktionalitäten des OSS. Sie sind aus heutiger Sicht im Sinne einer geforderten OSS-Integration in die globale Architektur der Geschäftsprozesse der Netzbetreiber aber nicht mehr hinreichend. Aus diesem Grund ist das vom TeleManagement Forum (TM Forum) erarbeitete Frameworx Programm [6] aufgesetzt worden, welches der Nachfolger des NGOSS Programmes ist. Ziel von Frameworx ist ein dienstorientierter Ansatz für die Durchführung des Geschäftsbetriebes. Frameworx besteht aus folgenden Bestandteilen: Business Process Framework (etom) Information Framework (SID) Application Framework (TAM) Integration Framework Jedes Unternehmen verfolgt Best Practice Ansätze und Standards, auch in der sich schnell verändernden und weitläufigen Telekommunikationsbranche. Die am weitesten verbreitete und akzeptierte Reihe von Normen in diesen Sektor werden im etom (Enhanced Telecom Operations Map) Modell abgebildet. etom hat den Fokus auf innovativen Technologien wie Breitband- und Internet-bezogene Dienste. Die klassischen OSS Aufgaben nach FCAPS lassen sich insbesondere in der etom Übersicht wiederfinden (siehe Abbildung 7). Das Modell besteht aus drei Prozessgruppen, wobei die Kernaktivitäten des OSS in der Operations-Prozessgruppe abgebildet sind. Die Anforderungsketten von Kunde in Richtung Technik, sowie die Realisierungskette von Strategie bis Billing werden bei etom in einer Matrix miteinander verknüpft. Damit bietet das etom Modell eine Fokussierung aller operativen Vorgänge im Netz auf Kundenbedürfnisse und Geschäftsziele. Bezogen auf die Integration einer neuen Technologie wie LTE, können mit dem etom Ansatz die benötigten Prozesselemente für die Netzeinführung lückenlos in die Wertschöpfungskette des Netzbetreibers und seiner Partner eingebunden werden. Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 15 von 32

16 Abbildung 8: etom Übersichtskarte OSS Aufgaben im RAN Auf der Ressource Management Ebene des etom Modells besteht das OSS in der Regel aus verschiedenen Komponenten, die teilweise herstellerspezifische Funktionen übernehmen. Bezogen auf LTE sind hier die herstellerspezifischen NEM (Network Element Manager) zu nennen, mit denen die LTE Netzelemente (enbs) administriert werden. Bekannte Synonyme für NEM sind auch OMC (Operation Maintenance Center) und EMS (Element Management System). Network Element Manager administrieren in der Regel Netzelemente eines Herstellers und eines funktionalen Bereiches, z.b. im UMTS RAN die NodeB und den RNC. Transportknoten werden ebenfalls über eigene Element Manager administriert. Abbildung 9 zeigt die hierarchische OSS-Struktur aus Sicht der 3GPP. 5 Quelle: TM Forum [5] Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 16 von 32

17 Network Management System (NMS) Network Element Manager (NEM) Network Element Manager (NEM) Network Element (NE) Network Element (NE) Network Element (NE) Network Element (NE) Abbildung 9: OSS Struktur Ein NMS (Network Management System) steht übergreifend mit einer Vielzahl von Network Element Managern in Verbindung und ermöglicht so eine konsolidierte Sicht auf das ganze Netz sowie eine konsistente Provisionierung hersteller- und technologie-übergreifend. LTE bringt neue Netzwerktechnologien und Netzelemente in die Netze der Mobilfunkbetreiber mit. Die folgende Liste stellt die zu administrierenden LTE-Knoten innerhalb ihrer Domäne dar: EUTRAN - enb EPC - S-Gateway - PDN-Gateway - MME - PCRF - HSS Transport - DHCP Server - Security Gateway - Edge Router - Aggregation Router - Core Router - Richtfunk-Netzelemente Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 17 von 32

18 Damit stehen die Netzbetreiber vor der nächsten Herausforderung, da sich die Komplexität wieder weiter erhöht. Für die Einführung jedes dieser Netzelemente muss ein entsprechender NEM des jeweiligen Herstellers implementiert werden. In den folgenden Abschnitten wird auf die Aspekte des OSS während der Integrationsphase eines LTE-Netzes, sowie auf die Rolle von OSS Systemen in dem weiteren Lebenszyklus des LTE Netzes eingegangen. 3.2 OSS in der IT-Landschaft Zur Planung, Integration und zum Betrieb eines Mobilfunknetzes sind eine Vielzahl von Anwendungen nötig, die einen speziellen Bereich abdecken. Die nachfolgende Liste zeigt beispielhaft nur einige der Aufgaben, die durch spezifische Anwendungen unterstützt werden: Bestellung Standortbeantragung bei der BNetzA Funknetzplanung Richtfunkplanung Transportplanung Konfigurationsmanagement Location Based Services Inventarisierung Standortverwaltung Schnittstellen zu externen Anwendungen Da jede dieser Anwendungen jeweils nur eine Teilfunktionalität abdeckt, ist eine saubere Synchronisierung untereinander notwendig, um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten. Die mit steigender Anzahl von Anwendungen wachsende Komplexität erfordert einen erhöhten Bedarf an Konsistenzprüfungen. Benötigte Schnittstellen ergeben sich unter anderem aus dem verwendeten Prozess (siehe nächster Abschnitt), diese können untereinander sowohl bidirektional als auch unidirektional sein. Da sich Mobilfunknetze und Technologien evolutionär entwickeln, ist bei den meisten Netzbetreibern die entsprechende Tool-Landschaft im Laufe der Jahre gewachsen und wird neuen Anforderungen kontinuierlich angepasst. Dieser Ansatz ist begründet in der Wahrung der getätigten Investitionen und der Stabilität der bewährten Anwendungen und Prozesse. Mitunter kann dieser Ansatz aber auch zu einer Situation führen, die eine Analyse und Neubewertung der Tools und Prozesse erfordert. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn es stark überlappende Aufgabengebiete zweier Anwendungen oder gar fehlende Eigenschaften einer Anwendung gibt. Umorganisationen wie z.b. die Auslagerung des operativen Netzbetriebes können auch Modifikationen der Toollandschaft nach sich ziehen. Gliedert z.b. ein Netzbetreiber seinen operativen Betrieb aus, müssen Prozesse und Schnittstellen der existierenden Lösung überprüft werden, hinsichtlich ihrer Eignung für die angedachte Arbeitsteilung. Bedarfsweise können Anpassungen an der Toollandschaft nötig werden. Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 18 von 32

19 Nachfolgende Übersicht abstrahiert die OSS-Systemlandschaft: Planning & Inventory Tools Communication Bus Fault Management Configuration Management Accounting Management Performance Management Security Management OSS Layer OSS Tools NBI (Northbound Interface) NEM Vendor A NEM Vendor B NEM Vendor C NEM Layer BTS 2G RAN NodeB 3G UTRAN enodeb 4G EUTRAN Network Layer Abbildung 10: OSS Landscape 3.3 OSS und LTE Deployment LTE erlebt momentan eine sehr steile Wachstumsphase im Feld, die die Geschwindigkeit des damaligen UMTS Netzausbaus wesentlich übertrifft. Dies liegt insbesondere in Deutschland an den Bedingungen der versteigerten Mobilfunkfrequenzen, in denen eine regional spezifizierte Gebietsversorgung als Auflage zur Vermeidung von Vertragsstrafen, zu bestimmten Stichtagen festgeschrieben ist. Der Aufwand eines schnellen LTE Netzaufbaus kann nur mit einem industrialisierten Prozess effektiv gemeistert werden. Das OSS muss in den Prozess eingebunden sein, da z.b. fehlende oder fehlerhafte Konfigurationen direkte Auswirkungen auf den Zeitpunkt der kommerziellen Verfügbarkeit des Netzes haben. Sieht man sich die Topologie eines Mobilfunknetzes an, so machen die Basisstationen den größten Anteil der auszurollenden Netzelemente aus. Gleiches gilt für die Anbindung der Netzelemente über das Transportnetz. Dies spiegelt sich auch im Prozess wieder, der im Wesentlichen den Massenausbau der enbs und ihrer Anbindung abbildet. Die nötigen Schritte bis zur kommerziellen Inbetriebnahme einer enb und ihrer Anbindung gestalten sich im Groben wie folgt: Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 19 von 32

20 Planung Standortplanung Radio Parameter Planung Transport Parameter Planung Nachbarschaftsplanung Installation Hardware Installation Herstellen der Anbindung Aufsetzen der gesicherten Verbindung Inventarisierung Integration OSS Integration SW Aktualisierung Abnahmetest Kommerzielle Inbetriebnahme Abbildung 11: OSS und LTE Deployment Je nach Organisation kann die Verantwortlichkeit für die einzelnen Schritte beim Netzbetreiber, bei dem Systemlieferanten oder einem externen Dienstleister wie z.b. einem Systemintegrator liegen. Der Einführungsprozess sollte Meilensteine beinhalten, die es erlauben, den Status für jedes einzelne Netzelement zu verfolgen. Nachfolgende Übersicht zeigt potentielle Meilensteine: Planung Installation Integration Planungstools Provisionierungs - und Konfigurationstools Start Standortbedarf identifiziert Standortwahl beendet Funknetzplanung beendet Anbindungsplanung beendet Standort bereit zur Installation Standort installiert OSS Anbindung integriert enodeb provisioniert Akzeptanztest erfolgreich Kommerzielle Inbetriebnahme Abbildung 12: Meilensteine 3.4 OSS im Lebenszyklus eines LTE Netzes Generell lässt sich der Lebenszyklus eines Mobilfunknetzes in vier Phasen gliedern und wie folgt darstellen. Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 20 von 32

21 Plan&Design Integrate Monitor& Optimize Operate Text Abbildung 13: Netz-Lebenszyklus In jeder dieser Phasen hat das OSS unterschiedliche Aufgaben: 1. Planung und Entwurf Hauptergebnis dieser Phase ist neben einer Dokumentation die Bereitstellung von Daten zur Netzkonfiguration. Deshalb müssen die Ergebnisse dieser Phase hinreichend umfangreich sein, um die Erstellung von Provisionierungsdaten des kompletten Netzes im nächsten Schritt zu ermöglichen. Da sich die Anforderungen je nach Hersteller selbst innerhalb eines technischen Bereichs unterscheiden können, ist dies sowohl Hersteller- als auch bereichsabhängig. OSS Aufgabe zu dieser Phase ist die Bereitstellung einer Datenstruktur zur konsolidierten Speicherung der geplanten Konfigurationsdaten sowie Funktionalitäten zur Konsistenzprüfung dieser Daten. 2. Integration In dieser Phase werden Netzelemente zunächst in ihren Subnetzen integriert und getestet, um danach das Netz Ende-zu-Ende zu integrieren. Zu der erfolgreichen Integration müssen die Konfigurationsdaten im jeweiligen Element Manager vorliegen und konsistent untereinander sein. Dies betrifft z.b. Adressierungen, Nachbarschaften und weitere Schnittstellenparameter. Die geforderte Konsistenz geht hier über Subsystem- und Herstellergrenzen hinweg. So müssen z.b. IP- Adressbereiche sowohl in den enbs und dem EPC als auch in der Transportplattform konsistent gesetzt werden. Im OSS sind die verwendeten Funktionalitäten im Konfigurationsmanagement (CM) angesiedelt. Insbesondere durch verschiedene SON Features wie die Plug & Play Funktionalität lässt sich der Aufwand während der Integrationsphase stark reduzieren. 3. Betrieb In der Betriebsphase dient das OSS im Wesentlichen der Performance- und Fehleranalyse (PM und FM). Im Performance Management (PM) werden Zähler in den Netzelementen vom Element Manager ausge- Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 21 von 32

22 wertet. Verschiedene Zähler werden zu Key Performance Indicators (KPIs) aggregiert. KPIs sind z.b. Datenraten, Fehlerraten, Erfolgsraten etc. Da die KPIs oft bereits in den Element Managern generiert werden, ist zu beachten, dass eine Vergleichbarkeit über Hersteller- und Technologiegrenzen gewährleistet ist. Für das Fehlermanagement (FM) werden in den Netzelementen Alarme definiert, die im Auslösefall zum Element Manager gesendet werden. Die Konfiguration dieser Alarme wird ebenfalls im Element Manager vorgenommen. Auch hier ist auf Vergleichbarkeit der Alarme von verschiedenen Element Managern zu achten. Um eine Korrelation von Alarmen aus verschiedenen Systemen vornehmen zu können, sind die Bezeichnungen der Netzelemente konsistent zu verwenden. 4. Monitoring & Optimierung Im Laufe des Betriebes eines Netzes zeigt eine Analyse von Performance Daten, ob korrektive Maßnahmen notwendig sind. Neben einer Auswertung von Anwendungsdaten lassen sich auch die Zähler und KPIs des OSS hierzu heranziehen. Korrektive Möglichkeiten können bestehen aus Netzerweiterungen, Modifikationen der Standorte sowie der Optimierung von Parametern. Netzbetreiber sind bestrebt, Aufwände für die Optimierung niedrig zu halten. Hierzu können die SON Features wie die automatische Nachbarschaftsbeziehung entscheidend beitragen. Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 22 von 32

23 4 LTE Einbindung in OSS und Prozesse eines Netzbetreibers Eine erfolgreiche Adaption des OSS für die Einbindung von LTE erfordert in jedem Fall eine sorgfältige Analyse der existierenden Prozesse und Anwendungen des Netzbetreibers. Prozesse und Anwendungen sollten aufeinander abgestimmt sowie in der Lage sein, die Anforderungen der Neueinbindung zu erfüllen. Untenstehende Tabelle gibt einen Überblick, wie den Anforderungen begegnet werden kann. Tabelle 1: Anforderungen durch den LTE Rollout und optimierende Maßnahmen Anforderung Vielfältige EUTRAN und EPC Anbindungsoptionen Migration der Anbindung von Knoten existierender Netze Geteilte Zuständigkeiten für das Transportnetz Aggressiver Zeitplan Erhöhte Komplexität des Netzbetriebes Erforderliche organisatorische Adaptionen an LTE Maßnahme Konsistente Planungsdatenhaltung für LTE und Transportnetz Anpassungsfähigkeit der Lösungen für die Transportnetzplanung und Konfiguration Schnittstellen zwischen bestehender Transportkonfiguration existierender Netze und Planung für neues Anbindungsnetz Klare Zuweisung von Zuständigkeiten im Prozess Definition Schnittstelle Unterstützung durch Konfigurationsdatenhaltung Optimierung der Prozess- und Anwendungs-Architektur Vereinfachung durch Nutzung von SON-Features Definition sinnvoller Meilensteine zeitnahe Integration von SON Features Verwendung konsistenter Konfigurationsdatenhaltung Rückführung von SON Parametern in Konfigurationsdatenhaltung Anforderungsmanagement Analyse vorhandener Prozesse und Anwendungen Anpassungen an Tools und Prozessen Die Liste der Maßnahmen zeigt deutlich, dass eine konsolidierte Konfigurationsdatenhaltung ein zentraler Bestandteil einer optimierten OSS Integration ist. Eine solche Lösung sollte folgende Eigenschaften haben: Unterstützung des LTE Objektmodells Unterstützung existierender Standards 2G (GSM) und 3G (UMTS) Flexible Adaption an Transportlösung(en) Konfigurierbare Schnittstellen zu Planungstools Konfigurierbare Workflows Unterstützung von Planung in Zeitscheiben Konsolidierung mehrerer paralleler Planungsinputs Konsolidierung des Netz-Iststands aus mehreren Subnetzen Generierung differentieller Konfigurationsaufträge Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 23 von 32

24 4.1 SON (Self Organizing Networks) Die Migration Richtung 4G und speziell der LTE Rollout ist wichtiger Meilenstein in der Evolution der Mobilfunknetze. Die Einführung dieser neuen LTE Technologie soll nicht nur die Datenraten erhöhen, sondern auch die Automatisierung des Netzmanagements. Die Effizienzsteigerung in der Automatisierung wird erstmals bei LTE durch SON erreicht. SON wurde in den 3GPP Releases 8-10 spezifiziert und erfüllt die Erwartungen der NGMN Alliance. Dieses Konzept soll die Komplexität in Mobilfunknetzen minimieren. Dabei wird die Konfiguration und Parametrisierung der Netzelemente (z.b. LTE-Basisstationen, Gateways, etc.) stark vereinfacht. Das Gesamtnetzwerk soll sich selbst organisieren und optimieren und damit die Kosten (OPEX) durch weniger manuelle Eingriffe senken, die bei der Einführung und dem Betrieb dieser Technologie entstehen. Der ganze SON Prozess basiert auf dem Plug and Play Ansatz und definiert die automatisierte Konfiguration und Optimierung. Dadurch wird die eigene Netzumgebung überwacht und entsprechend dynamisch angepasst. Durch diese Automatisierung wird gleichzeitig auch die Produkteinführungszeit (time to market) neuer Dienste verkürzt und damit die Kundenzufriedenheit gesteigert. Bei den Mobilfunknetzbetreibern erfolgt bisher die Provisionierung und Konfiguration der Basisstationen durch eigenes Personal oder durch externe Dienstleister bzw. durch die Hardwarehersteller im Auftrag der Netzbetreiber. Daher ist die Inbetriebnahme von LTE Basisstationen (enbs) derzeit noch ein hochgradig manueller Prozess, der folgende Aufwände umfasst: Planung und Weitergabe dieser Daten an Auftragnehmer Generierung der Konfigurationsdaten physikalischer Transfer der Konfigurationsdaten zum jeweiligen Standort und die dortige Inbetriebnahme manueller Prozess Planung der Daten Übergabe Plandaten an Auftragnehmer Generierung Konfiguration Installation am Standort Konfiguration am Standort Testing Reporting Qualitätschecks Betrieb SON Prozess Planung der Daten E2E Plug und Play Prozess Testing Reporting Qualitätschecks Betrieb Abbildung 14: SON-Beispiel Prozess für enb Inbetriebnahme Durch die Einführung von SON soll die gesamte OSS-Tool-Kette im Netz für die Inbetriebnahme automatisiert werden. Für diese Realisierung sind allerdings große Änderungen an den unterstützenden OSS-Tools notwendig. Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 24 von 32

25 Die Anforderungen von SON beschreiben somit die Automatisierung innerhalb der NPS-/OSS-Landschaft, um eine weitgehend automatisierte Ende-zu-Ende Bereitstellung der Inbetriebnahmeinformationen zu erreichen und damit die Prozesskette von Planung bis zu enb-netzelementen zu schließen. 4.2 OSS Optimierungspotential durch SON SON Funktionalitäten werden durch 3GPP und NGMN vorangetrieben. Im 3GPP sind diese unter TR zusammengefasst (siehe [4]). Größtenteils werden durch SON automatische Funktionen spezifiziert, die das Netz hinsichtlich Kapazität, Abdeckung, Energieverbrauch und Robustheit optimieren. Darüber hinaus vereinfachen diese Features Aufgaben, die üblicherweise Aufwand während der Netzaufbauphase und dem Netzbetrieb bedeuten. Die Funktionalitäten werden phasenweise mit den 3GPP Releases eingeführt und auf die Erfordernisse im Lebenszyklus der entstehenden LTE Netze abgestimmt (siehe Tabelle 2). Die wichtigsten SON Features für die Optimierung des LTE Rollout Prozesses sind kurz in den nachfolgenden Abschnitten beschrieben. Tabelle 2: Einführung der SON-Funktionalitäten LTE Release Rel-8 Rel-9 Rel-10 SON-Funktionalitäten Automatische Inventarisierung Automatischer Software-Download Automatische Nachbarschaftsbeziehung Automatische Zuweisung der Physical Cell ID (PCI) Zuverlässigkeit der UE-Mobilität (Mobility Robustness)/Handover Optimierung RACH Optimierung Load Balancing Optimierung Inter-Cell Interference Coordination (ICIC) Optimierung von Abdeckung und Kapazität Erweiterte Inter-Cell Interference Coordination Detektierung und Kompensation ausgefallener Zellen Self-Healing Funktionalitäten Minimierung von Drive Testing Aktivitäten Energieeinsparungen Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 25 von 32

26 Self Planning Self Maintenance Increase Performance & Reduce Effort Self Config Self Testing & Self Healing Self Optimisation & Self Tuning Abbildung 15: SON Hauptfunktionen Die konsequente Einführung selbstoptimierender Funktionalitäten bedeutet aber auch einen Wandel der bisherigen Prozesse für die Netzoptimierung. Waren bisher die Eigenschaften des Netzes (Parameter, Antenneneinstellungen, etc.) Gegenstand der Optimierung, ist es nun der Optimierungsalgorithmus selbst, der erst durch sinnvolle Parametrisierung zu optimalen Ergebnissen führt (siehe Abbildung 16). Dafür ist es aber notwendig, dass die aktuellen Daten aus dem Wirknetz gewonnen werden um eine Beurteilung der Optimierung durchführen zu können. Weiterhin werden durch SON Features bisher nicht parametrisierbare Funktionalitäten dynamisch angepasst (z.b. Interferenz, Last). Eine Überwachung dieser neuen Funktionalitäten erfordert ebenfalls Anpassung der Prozesse und Applikationen. Klassische Optimierung SON-basierte Optimierung Implementierung der Optimierung Analyse des Systems Implementierung der SON Parameteränderungen Analyse der SON- Optimierung Planung der Optimierung Planung der geänderten SON Parameter Abbildung 16: Vereinfachung durch SON Whitepaper 2011 SEVEN PRINCIPLES AG Seite 26 von 32

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