5G Schlüsseltechnologien

Dieser Artikel gibt einen Überblick über einige der wichtigsten neuen Technologien, die für die 5G-Netze entwickelt wurden. Um die Vision des 5G-Designs sowie die Dienst- und Leistungsanforderungen zu erfüllen, waren neue Technologien erforderlich; einige sind Erweiterungen von 4G und andere wurden explizit für 5G entwickelt.

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5G Design Anwendungsfälle

Die Leistungs- und Designziele von 5G-Netzen werden im Allgemeinen mit drei Kernzielen beschrieben.

• eMBB: Hohe Datenrate: Erweitertes mobiles Breitband ermöglicht Kommunikation mit extrem hoher Datenrate, verbesserte Mobilität und eine breitere Netzabdeckung. 5G-Netze haben eine ähnliche Leistung und ein ähnliches Nutzererlebnis wie Ethernet-Netze.
• uRLLC: Niedrige Latenzzeit, hohe Zuverlässigkeit: Ultrazuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenzzeit ist entscheidend für die öffentliche Sicherheit, das elektronische Gesundheitswesen, die medizinische Automatisierung, selbstfahrende Autos und das "taktile" Internet.
• mMTC: Internet der Dinge: Massive Machine-To-Machine Communications bietet allgegenwärtige Konnektivität für eine extrem große Anzahl von Geräten. Diese Geräte benötigen eine hohe Dichte an Netzverbindungen, Energieeffizienz für eine längere Batterielebensdauer und geringere Kosten pro Netzverbindung.

Wichtige Leistungsindikatoren (KPI)

Nachstehend finden Sie ein Diagramm mit den Zielparametern der 5G-Leistung.

Millimeterwellen-Technologie (mmWave)

Die für 5G spezifizierten Funkfrequenzen sind höher als die von 4G verwendeten Frequenzen, was Vorteile und Herausforderungen mit sich bringt. Höhere Frequenzen bieten eine größere Netzbandbreite, geringere Latenzzeiten und eine wesentlich höhere Verbindungsdichte. Höhere Frequenzen bringen aber auch Herausforderungen mit sich, da die Übertragungsdistanzen geringer sind und eine größere Anzahl kleinerer Zellen erforderlich ist.

Der Frequenzbereich des 5G-Netzes beginnt bei 5GHz. Die 5G-Netzfrequenzen werden als Millimeterwellenbandbreite (mmWave) bezeichnet und liegen bei 24 GHz und darüber. Die 4G-Frequenzen reichten von 700 MHz bis 2,5 GHz.

mmWave Vorteile

• Höherer Netzwerkdurchsatz, bis zu 20 Gbps
• Geringere Netzwerklatenz und Datenübertragungsraten
• Große Netzwerkverbindungskapazität, die mehr Geräte und Teilnehmer unterstützt
• Geringere Gemeinkosten, die die Kosten pro Netzverbindung senken sollten
• Größerer Frequenzbandbreitenbereich erhöht die Netzwerkdurchsatzkapazität

mmWave-Nachteile

• Funkwellen mit höherer Frequenz haben eine geringere Reichweite von etwa 300 Metern.
• Kleinere Zellengrößen, größere Anzahl von Antennen
• Geringes Eindringen in Hindernisse, Kunden müssen nahezu in Sichtweite sein

Voll-Duplex

Die Fortschritte in der Signalverarbeitungselektronik unterstützen jetzt die Vollduplex-Netzkommunikation auf derselben Frequenz. Frühere Technologien erforderten unterschiedliche Frequenzen für das gleichzeitige Senden und Empfangen von Daten.

Vollduplex reduziert die Funkfrequenznutzung um die Hälfte und verdoppelt die Anzahl der Geräte, die von Mobilfunkmasten unterstützt werden können.

5G-Kundenkommunikation

Das 5G-Protokoll zwischen 5G-Clients und 5G-Basisstationen muss während des Verbindungsvorgangs mehrere Details berechnen oder festlegen. Die Verbindungs-, Sicherheits- und Sitzungsverwaltung des 4G- und früheren Protokolls bleibt gleich und wird hier nicht erwähnt. Neue Anforderungen für 5G umfassen,

• Die Leistungsanforderungen für das Übertragungssignal werden berechnet, und die minimale Leistungsmenge wird verwendet, um die Leistungsabgabe des Clients zu reduzieren und die Batterielebensdauer zu verlängern.
  • Das Signal-Rausch-Verhältnis wird überwacht und die Sendeleistung angepasst, um zuverlässige Verbindungen zu gewährleisten.
• Der Standort des Client-Geräts wird beim Aufbau der Sitzung ermittelt und bei sich bewegenden Client-Geräten ständig aktualisiert.
  • Der Client-Winkel und die Entfernung werden an der 5G-Basisstation anhand der Antennengruppenarchitektur und der 5G-Sitzungsprotokolle berechnet.
  • Die geografische Position des Kunden kann anhand der Entfernung zur Antenne der Basisstation und des Winkels zur Senkrechten berechnet werden.
  • Standortbezogene Technologie
• Die von 5G berechnete Position kann für ähnliche Zwecke wie GPS-Systeme verwendet werden, jedoch ohne den Energiebedarf der GPS-Elektronik.
• Die Geschwindigkeit und der Weg der sich bewegenden Client-Geräte werden überwacht. Die Antennen der 5G-Basisstationen müssen die Bewegungen der Kunden verfolgen, um die Funkstrahlen direkt auf die Kunden zu richten.

Infrastruktur auf Basis von NFV/VNF und SDN

Eine der wichtigsten architektonischen Anforderungen für 5G-Infrastrukturen besteht darin, dass alle Kernnetzsysteme auf Softwarevirtualisierung basieren. Netzwerkinfrastrukturen umfassen traditionell physische, zweckgebundene Geräte, die weniger flexibel zu verwalten, einzusetzen und zu skalieren sind.

Network Functions Virtualization (NFV) ist eine Netzwerkarchitektur, die auf virtuellen Netzwerkfunktionen (VNF) basiert. Zu den Netzwerkfunktionen gehören Netzwerk-Routing, Paketverarbeitung, Sicherheit und viele andere.

Softwaredefinierte Netze (SDN) sind eine Virtualisierungstechnologie, die physische Netze zu virtuellen Netzstrukturen abstrahiert. Virtuelle Netzwerke erscheinen und verhalten sich wie physische Netzwerke, haben aber ähnliche Vorteile wie andere Virtualisierungstechnologien.

5G Packet Core Processing Funktionsübersicht

Das obige Diagramm zeigt eine vereinfachte Ansicht der 5G-Kernfunktionen mit NFV/SDN. Das Verkehrsmanagement einschließlich Diensten, Orchestrierung, Steuerung und Datenpaketmanagement wird als eine Reihe von VNF-verketteten Diensten implementiert.

Die physischen Netzwerkressourcen werden mit Hilfe von SDN in einem virtuellen Netzwerk-Overlay dargestellt.

Fortschritte beim 5G-Trägernetz

Die Spezifikationen für das 5G-Netz umfassen auch Fortschritte in der Netztechnologie hinsichtlich Funktionalität, Zuverlässigkeit und Leistung. Dazu gehören:

• Flache und verteilte Netzarchitekturen
  • SDN-Technologien bieten den kürzesten Weg, ohne das Carrier-Kernnetz zu durchqueren
    • 4G war hierarchisch - alle Daten wurden über das EPC-Kernnetz weitergeleitet
  • Zum Beispiel wird der 5G-Client-Netzwerkverkehr geroutet:
    • Direkt zu MEC/Cloud Edge Servern
    • Direkte Internetdienste
• Multi-RAT Internetworking (Multi-Radio Access Technology)
  • Interoperabilität mit anderen Zugangsnetzen: 3G, 4G, WiFi, Bluetooth
• Mehrfacher Zugang
  • Die Mehrwegübertragung ermöglicht es einem Gerät, mehrere Protokolle gleichzeitig zu verwenden.
    • Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Datenübertragungsraten
  • MPTCP (Multi-Path TCP), ein Gerät zum gleichzeitigen Öffnen mehrerer TCP-Sitzungen, verwendet mehrere Netzwerk-TCP-Sitzungen
  • Vorteile
    • Durchsatz, Verbesserung der Streckenkapazität und Reduzierung von Kanalfehlern
    • Verbesserung der Mobilität und Verringerung der Latenzzeit durch verbesserte Steuerung der Pfadumschaltung
    • Minimierung der HIT (Handover Interruption Time) durch RTO (Retransmission Timeout) und verbesserte Handover-Entscheidungen
• Kontextabhängige Ressourcenzuweisung
  • Berücksichtigt Echtzeit-Verkehr
  • Berücksichtigt Netzdienstarten
  • Kenntnis der Geräteeigenschaften
• Zwischenspeicherung von beliebten Inhalten
  • CDN-Dienste (Content Delivery Network) werden an den Netzrändern eingesetzt
  • Verbessert Leistung und Benutzerfreundlichkeit
  • Geringere Latenzzeiten und weniger Verkehr

Device-to-Device (D2D) Kommunikation

Die Kommunikation von Gerät zu Gerät ist ein aufkommender Trend bei "intelligenten" Systemen und IoT-Geräten, die miteinander kommunizieren und Daten und Wissen austauschen und dann potenziell auf dieses Wissen reagieren können. Fog Computing zum Beispiel basiert auf IoT-Geräten, die miteinander kommunizieren und Daten austauschen.

• 5G-Clients können direkt mit anderen 5G-Clients unter Umgehung der Betreibernetze kommunizieren
• Dadurch wird der Verkehr von den Mobilfunknetzen entlastet und die Kosten werden gesenkt.
• Zu den Anwendungsfällen gehören:
  • V2X - Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation
  • Notsignale zwischen Fahrzeugen und RSUs (Road Side Units)

Netzwerk-Slicing

Durch logische Netzscheiben werden mieter- oder dienstspezifische Netze geschaffen. Durch das Network Slicing werden durchgängig isolierte logische Netze geschaffen, beginnend mit dem mobilen Rand, über den mobilen RAN-Transport bis hin zum 5G-Kern. Tenants sind Dienstanbieter, die bestimmte Dienste über das Netz bereitstellen. Diese Mieter haben spezifische Netzwerkanforderungen wie Zuverlässigkeit, Latenz oder Bandbreite.

Für dienstespezifische Netze werden Leistungsindikatoren (Key Performance Indicators, KPI) benötigt, um einen bestimmten Geschäftsbedarf zu decken.

Netzwerk-Slicing-Beispiel mit vier logischen Netzwerk-Slices

Netzwerk-Slicing-Beispiel mit vier logischen Netzwerk-Slices

Im obigen Diagramm wurden NFV- und SDN-Technologien verwendet, um vier isolierte und unabhängige logische Netzwerke zu schaffen. Die 5G-Netzressourcen werden "gesliced", d. h. in Scheiben aufgeteilt, wobei jede Netzscheibe unterschiedliche Leistungsspezifikationen für verschiedene Anwendungsfälle oder Geschäftsanforderungen aufweist.

Mehrmandantenfähigkeit

Multi-Tenancy nutzt Network Slicing und Subscriber Awareness, um isolierte logische Netze für unabhängige Dienstanbieter zu schaffen. Mieter-Netzwerke können mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen und Service-Levels definiert werden.

Diagramm der Mehrmandantenfähigkeit in mobilen Trägerinfrastrukturen

Diagramm der Mehrmandantenfähigkeit in mobilen Trägerinfrastrukturen

Im obigen Diagramm verfügt Mieter A über ein isoliertes logisches Netz, das durch Network Slicing bereitgestellt wird. Mieter A und B nutzen eine gemeinsame physische Netzwerkinfrastruktur.

Massives MIMO

Multiple Input Multiple Output (MIMO) ist eine Technologie, bei der mehrere Antennen in einem zweidimensionalen phasengesteuerten Array angeordnet sind. Das MIMO-Antennensystem ist mit einer Basisstation verbunden, die die Übertragung und den Empfang von Funksignalen steuert.

Massive MIMO-Systeme sind größere MIMO-Systeme mit bis zu mehreren hundert Antennen.

Das Zusammenwirken mehrerer Antennen bietet mehrere Vorteile:

• Mehrere parallele Antennen haben einen höheren Gewinn
• Widerstandsfähig gegen absichtliches Stören
• Mehr Wege zum 5G-Client sorgen für eine stärkere Signalstärke
• Übertragungen können in einem Strahl auf 5G-Clients fokussiert werden, was als Beamforming bezeichnet wird und dem Client mehr Leistung bei weniger Interferenzen bietet
• Mehr parallele Antennen können eine größere Anzahl von Nutzern bedienen
• Antennen-Arrays können physische Standorte von 5G-Kunden identifizieren
• Arrays können auch mobile Clients verfolgen und den Sendestrahl auf den Client ausrichten, um die Bewegungen des Clients zu verfolgen und die Netzwerkverbindung aufrechtzuerhalten.

Massive MIMO-Systeme können große Mengen an Netzdurchsatz bewältigen und eine große Anzahl von Client-Verbindungen unterstützen, was eine zentrale Leistungsanforderung für 5G-Netze ist.

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Referenzen

5G-PPP-Ansicht der 5G-Architektur (Version 2.0) Whitepaper: https://5g-ppp.eu/wp-content/uploads/2017/07/5G-PPP-5G-Architecture-White-Paper-2-Summer-2017_For-Public-Consultation.pdf

Grundlagen der 5G-Mobilfunknetze - Wiley (2015)

3GPP TS 23.501 V15.4.0 (2018-12) - https://www.3gpp.org/DynaReport/23-series.htm

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