Schwerpunkte

Mobilfunk und Campus-Netze

Aktuelle 5G-Trends

17. August 2021, 06:00 Uhr   |  Von Dr. Michael Lemke

Aktuelle 5G-Trends
© Huawei

Dr. Michael Lemke, Senior Technology Prinicpal (ICT) bei Huawei Deutschland

5G ist in aller Munde – auch dank des Netzausbaus in Deutschland. Dabei war 5G nie nur für Privatanwender konzipiert. Vor allem die Industrie profitiert von der neuen Mobilfunktechnik. Auf 5G basierende Anwendungen, z.B. mit Campus-Netzen, nehmen im IoT eine immer wichtigere Rolle ein.

Weltweit sprechen Experten im Zusammenhang mit 5G häufig vom ersten „Mobilfunkstandard für die Cloud“. Schon daran lässt sich erkennen, dass es nicht nur darum geht, künftig private Videos ruckelfrei und in hoher Qualität auf dem Mobiltelefon anschauen zu können. Die Industrie sah in der 5G-Technik von Beginn an einen auf ihre Belange erweiterten Satz von Fähigkeiten gegenüber 4G. Zwar ermöglichte 4G erstmals die massenhafte mobile Nutzung von Breitband-Anwendungen und Videoübertragungen, doch 5G steht neben der Weiterentwicklung der Mediennutzung – Stichworte: 360-°-Video, Mixed-Reality-Anwendungen, Cloud Gaming – für die Erschließung neuer Anwendungsbereiche durch Unternehmen. Konsequenterweise wurden daher stets technische Fähigkeiten gefordert, die den industriellen Einsatz von 5G in den verschiedenen Anwendungsbereichen erlauben. Eine Fortentwicklung des Breitbandangebots mit verbesserter Kostenposition bei ungebremstem Wachstum der Datenvolumina im Endkundenbereich ist gerade für die großen Mobilfunknetzbetreiber eine wichtige Voraussetzung.

5G fördert die Virtualisierung der Kernnetze

Angefangen bei höheren Datenraten im Gbit/s-Bereich dominierten insbesondere Themen wie deutlich kürzere, deterministische Latenzzeiten bis in den Millisekundenbereich, wie sie im Fertigungsumfeld notwendig sind, und Verfügbarkeiten und Zuverlässigkeiten im 99,999-%-Bereich, von denen die Anforderungen an die 5G-Technik bestimmt wurden. Aufgrund der Diversifizierung von Dienstemerkmalen und der mehrdimensionalen Koexistenz von sehr unterschiedlichen Anforderungsprofilen in einer physikalischen Netzgrundstruktur spielen flexibilisierte und dynamisierte Konzepte von logischen Subnetzen, das sogenannte Slicing, innerhalb des 5G-Standards eine viel größere Rolle als in der vorhergehenden Mobilfunkgeneration.

Folgerichtig erfolgt mit der flächendeckenden Einführung von 5G der verstärkte Einsatz beziehungsweise beschleunigte Übergang zu virtualisierten Kernnetzen auf der Grundlage von Telekommunikations- respektive Public-Cloud-Infrastrukturen. Diese bieten Skalierbarkeit und Flexibilität durch eine dynamische Allokation von Netzressourcen in verteilten Datenzentren bis hin zum sogenannten Edge Level. Nach der Fertigstellung der ersten 5G-Spezifikationen mit dem Release 15 des 3GPP (3rd Generation Partnership Program) im Jahr 2018 befinden sich die meisten Mobilfunknetze in Deutschland im Zustand der Umstellung auf 5G.

Neben dem Umbau der Funkzugangsnetze auf den Parallelbetrieb von 4G und 5G auf den herkömmlichen Mobilfunkfrequenzen – dem »Refarming« – und dem immer stärkeren Einsatz des C-Bandes im Bereich 3,4–3,7 GHz für 5G spielt insbesondere die Modernisierung der Kernnetze eine entscheidende Rolle. Erst mit der Einführung sogenannter 5G-SA-Netze (Standalone) kann das volle Potenzial des Mobilfunkstandards der fünften Generation erschlossen werden. Erst sie ermöglichen eine Kapazitätsskalierung entlang der weiterhin stark wachsenden Datennutzung, die dynamische Flexibilität von Serviceangeboten sowie die Slicing-Fähigkeit als Grundvoraussetzung für industrielle 5G-Angebote durch die Netzbetreiber. Der 5G-Standard wird ständig weiterentwickelt; mit dem Release 16 wurden wesentliche Voraussetzungen für den Einsatz im Fertigungsumfeld geschaffen.

Weiterentwicklung für industrielle Anwendungen

Ein sich entwickelndes Wirtschaftsökosystem aus 5G-IC- und -Modulherstellern erlaubt die Entwicklung eines sich ausdifferenzierenden, industriespezifischen Endgeräte-Wirtschaftsökosystems. Es deutet sich an, dass weitere Verbesserungen des 5G-Standards in Richtung genauerer Positionierungssysteme und einer höheren Uplink-Datenrate nötig sind, um industrielle Anwendungen weiterzuentwickeln.

In Bezug auf den industriellen Einsatz von 5G-Technik beim Aufbau von Campus-Netzen hat die Bundesnetzagentur im Jahr 2019 mit der Reservierung von 100 MHz im Bereich 3,7–3,8 GHz einen Vorstoß zugunsten der deutschen Industrie unternommen. Seitdem können Unternehmen autarke, das heißt nominell von den Mobilfunknetzbetreibern unabhängige Netze auf ihren Grundstücken errichten. Die Erkundung dieser neuen Möglichkeiten ist mit mittlerweile mehr als 120 Frequenzzuteilungen an interessierte Unternehmen in vollem Gange. Es bleibt der weiteren Marktentwicklung überlassen, in welchem Umfang sich Kooperationen und Netzintegrationen zwischen den Campus-Netz-Besitzern und den klassischen Netzbetreibern ausprägen. Die in Deutschland angesiedelte, global agierende 5G-ACIA (5G Alliance for Connected Industries and Automation) – ein dem ZVEI angegliederter Arbeitskreis, dessen Mitglieder sich gemeinsam dafür einsetzen, dass die besonderen Interessen der industriellen Domäne bei der 5G-Standardisierung und -Regulierung angemessen Berücksichtigung finden – hat die Grundlagen für ein vertieftes Verständnis der Anforderungen und der Kooperationsmöglichkeiten und auch der Lücken im existierenden Standard geschaffen.

In der Industrie wird derzeit auch Open RAN als Möglichkeit des Baus von Mobilfunk- und insbesondere auch Campus-Netzen diskutiert. Diktiert wird die Diskussion von der Hoffnung, Flexibilität und Kontrolle über die Bereitstellung von Netzdiensten zu erlangen und das Anbieter-Wirtschaftsökosystem weiter zu diversifizieren. Am Ende entscheidet der Markt, in welchem Umfang und in welchen Einsatzgebieten sich dieser Ansatz als sinnvoll und vielversprechend erweist.

Antennen-Arrays und Massive MIMO für hohe Datenraten

Die technischen Entwicklungen rund um 5G sind noch lange nicht ausgereizt. Die Multiple-Input/Multiple-Out- (MIMO) Technik beispielsweise, eine in der WiFi-Kommunikation und in 3G-, 4G- und 4G-LTE-Netzwerken etablierte Funkkommunikationstechnik zum gleichzeitigen Senden und Empfangen mehrerer Datensignale über denselben Funkkanal, steht auch in 5G-Netzwerken vor dem Durchbruch. Das Konzept des Massive MIMO verwendet eine hohe Zahl an Sende- und Empfangsantennen, um den Übertragungsgewinn und die spektrale Effizienz zu erhöhen. Zusammen mit Antennentechniken wie Beam Forming und Beam Steering gehört es zu den Schlüsseltechniken, um die von 5G versprochenen Durchsatz- und Kapazitätssteigerungen zu ermöglichen. Verständlich also, dass MIMO auch auf dem diesjährigen Mobile World Congress in Barcelona im Mittelpunkt stand.

Obwohl Massive MIMO auf TDD-Bändern (Time Division Duplex) bereits erfolgreich im Einsatz ist, kämpft Massive MIMO bei FDD (Frequency Division Duplexing) mit den Herausforderungen, Geräteabmessungen, Gewicht und Leistung in Einklang zu bringen. Gerade Netzbetreiber, die über begrenzte oder keine hohen TDD-Bandbreiten verfügen, stehen unter Druck, ihre Kapazität zu erhöhen. Abhilfe schaffen die in Barcelona vorgestellten ersten kommerziellen FDD-Massive-MIMO-Produkte, die ein Meta Material Array und eine ultraminiaturisierte, PIM-freie Filtertechnik (PIM, passive Intermodulation) kombinieren – und das bei geringem Platzbedarf und einem wesentlichen Beitrag zur Nachhaltigkeitsdiskussion durch die beste bit/Watt-Effizienz.

In der internationalen Perspektive lässt sich feststellen, dass der Einsatz von 5G mittel- und langfristig vielversprechende neue Anwendungen über den klassischen Mobilfunk hinaus erlaubt. Die Erfolgsgeschichte 5G hat gerade erst angefangen. 
 

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