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5G - Quantensprung für High-Speed-Übertragung

5G ist längst in aller Munde, inzwischen sind auch erste Netze aufgebaut und erste Tests durchgeführt. Doch was für Vorteile bringt 5G tatsächlich mit sich? Wie wird sich die zellulare Infrastruktur verändern? Und was ist mit LTE? Müssen alle Designs nun direkt auf 5G portiert werden?

Um zu beurteilen, ob und wann Unternehmen auf 5G setzen sollten, empfiehlt sich ein Blick auf die drei Kernbereiche von 5G. Da sie unterschiedliche Anwendungsbereiche abdecken, versprechen sie verschiedene Verbesserungen:

eMBB (Enhanced Mobile BroadBand) ist mit Datenübertragungsraten von bis zu 20 Gbit/s auf digitale Lifestyle-Anwendungen und Anwendungen mit einem hohen Bedarf an Bandbreite zugeschnitten, z.B. HD-Videos sowie Virtual und Augmented Reality. Hier sorgen die High-Speed-Datenraten für ultraschnelles Laden von Websites; Video Streaming läuft damit unterbrechungsfrei.

mMTC (Massive Machine Type Communications) bietet in städtischen Gebieten mit einer sehr hohen Verbindungsdichte von MTC-Geräten eine allgegenwärtige, stabile Netzabdeckung. In der finalen 5G-Entwicklungsstufe soll eine Million solcher Verbindungen pro Quadratkilometer unterstützt werden, d.h. unzählige Geräte können in derselben Funkzelle gleichzeitig Daten senden und empfangen, ohne sich gegenseitig zu stören. Damit sind Verbindungsprobleme in einem vollen Stadion oder Festival Vergangenheit.

uRLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communications) liefert mit Latenzzeiten von unter 1 ms die Voraussetzungen für zeitkritische Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit wichtig - wenn nicht gar entscheidend - ist. Damit werden autonomes Fahren, Car-to-Car- und Car-to-Everything-Kommunikation sowie Predictive Maintenance auf Cloud-Computing-Basis erst möglich.

Neue Infrastruktur für 5G

Die ersten eMBB-5G-Produkte nach dem 3GPP Release 15 sind bereits auf dem Markt. Die avisierten 20 Gbit/s lassen sich mit den meisten von ihnen jedoch nicht realisieren. Auf den bestehenden LTE/Sub-6-GHz-Bändern (Frequency Range 1, FR1) steht in der Regel nicht genug Bandbreite zur Verfügung. Deshalb werden für 5G neue Bänder benötigt: die mmWave-Ultra-High-Frequenzbänder von 24 bis 100 GHz (FR2).

Sie erfordern eine komplett neue Mobilfunk-Infrastruktur, denn ein LTE-Funkturm deckt einen Umkreis von mehreren Quadratkilometern ab. Die mmWave-Signale reichen dagegen nur max. einen Kilometer weit - und zwar nicht wie die LTE-Signale gleichmäßig rundum, sondern nur in einer Richtung.

Trotzdem starten schon viele Unternehmen ihre 5G-eMBB-Projekte. Das liegt am 5G-Frequenzband n78 (3,3 bis 3,8 GHz). Auf diesem lassen sich private bzw. firmeneigene Mobilfunknetze errichten, sogenannte Campus-Netzwerke. Damit können sich Unternehmen weitestgehend unabhängig machen von Mobilfunkanbietern - und sichern sich bei der Umsetzung der Smart Factory einen Vorsprung.

Long Term Evolution macht seinem Namen alle Ehre

Sind mit der Einführung des neuen 5G-NR- (New Radio) Standards die bestehenden LTE-Designs obsolet? Die Sorge kommt nicht von ungefähr, schließlich überschneiden sich viele 5G-FR1-Frequenzbänder mit denen von LTE. Es kann jedoch Entwarnung gegeben werden: Mit Technologien wie DSS (Dynamic Spectrum Sharing) können sich unterschiedliche Standards, z.B. LTE und 5G, dasselbe Frequenzband teilen.

Zudem unterstützt 5G-NR auch In-Band-LTE-IoT - also LTE-M und NB-IoT. Der Name Long Term Evolution (LTE) wird halten, was er verspricht. Neueste LTE-M- und NB-IoT-Lösungen sind bereits mit Konformität zum 3GPP-Release 14 verfügbar. Mit jedem neuen 3GPP-Release werden beide Technologien weiterentwickelt, bis sie schließlich - Stand heute mit dem 3GPP-Release 16 - zu 5G mMTC werden. Das bedeutet: LTE-IoT-Geräte, die heute mit LTE-M und NB-IoT arbeiten, können unter 5G-NR einfach weiter betrieben werden. Das gilt sowohl für den Einsatz in reinen 5G-Netzwerken (Stand Alone, SA), bei denen 5G-NR auf einem 5G-Kernnetz läuft, als auch für den Einsatz in der Non-Stand-Alone-Variante (NSA), bei der 5G-NR auf einem 4G/EPC- (Evolved Packet Core) Kernnetz läuft.

Somit können nicht nur bestehende LTE- und LTE-IoT-Designs nahtlos unter 5G weiterfunken - es wird sogar empfohlen, bereits heute mit einer LTE-M-/NB-IoT-Lösung für mMTC-Anwendungen zu starten, um später den Anschluss nicht zu verlieren.

Komponenten für die ersten Schritte

Wer sofort mit 5G starten will, findet bereits entsprechende Komponenten bei Rutronik: Für die Realisierung von eMBB unterstützt die 5G/LTE-Karte FN980m von Telit als eine der ersten bereits das 5G-3GPP-Release 15 mit den Frequenzen unter 6 GHz FDD und TDD sowie mmWave, LTE, WCDMA und GNSS. Unter 5G lassen sich damit bis zu 5,5 Gbit/s im Downlink und 2,7 Gbit/s im Uplink realisieren, unter 4G immer noch 2,4 Gbit/s im Downlink und 211 Mbit/s im Uplink. Mit dem Standard-Formfaktor M.2 (NGFF) und einem Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C eignet sie sich für drahtlose Festnetzzugänge mit hoher Sendeleistung, Firmen-Router und -Gateways, Indoor- und Outdoor-Endgeräte (Customer Premises Equipment, CPE), Video-Übertragung und -Überwachung. In der Variante FN980 ist die Karte auch als reine 5G/LTE-Sub-6-GHz-Lösung verfügbar.

Speziell für mMTC-Anwendungen hat Telit seine xE310-Familie um das Modul ME310G1 erweitert. Durch Unterstützung des 3GPP-Release 14 Cat M1/NB2 mit Power Saving Mode (PSM) und Extended Discontinuous Reception (eDRX) ermöglicht es IoT-Applikationen mit geringem Energieverbrauch bzw. langer Batterielebensdauer. Es ist ideal für Anwendungen mit Tausenden oder Millionen von IoT-Geräten, bei denen neben Energieeffizienz niedrige Kosten wichtiger sind als High-Speed-Datenübertragung, z.B. medizinische Geräte, Fitness Tracker, Industrie-Sensoren, Smart Meter und ähnliche. Mit einem maximalen Koppelverlust (Maximum Coupling Loss, MCL) von bis zu 15 dB/20 dB bietet das Modul zudem eine höhere Abdeckung und damit eine bessere Durchdringung in Gebäuden als frühere zelluläre LTE-Standards.

Auch Nordic Semiconductor hat mit dem SiP- (System in Package) Modul nRF9160 eine Lösung für LTE-M und NB-IoT (3GPP Release 13) im Programm. Das äußerst kompakte, hochintegrierte SiP ist für den globalen Betrieb vorzertifiziert. Im 10 mm × 16 mm × 1 mm großen Gehäuse bringt es die Applikations-MCU, eine ARM-Cortex-M33-CPU mit den Sicherheitstechnologien ARM TrustZone und ArRM CryptoCell, das LTE-Modem, ein RF Front End sowie Power Management mit. Für das Asset Tracking mit exakter Positionsbestimmung gibt es eine Variante mit GPS-Unterstützung. Mit vielen digitalen und analogen Schnittstellen sowie Peripheriegeräten ist das nRF9160 ideal für die Geräteanbindung ans Internet per Mobilfunk, für Logistik- und Asset Tracking, Smart Metering, Smart City, Smart Infrastructure, Smart Agriculture, Wearables und Medical.

Antennen für 5G-Anwendungen

Auch Antennen für 5G finden sich bereits im Rutronik-Portfolio: Mit dem Frequenzspektrum von 698 bis 6000 MHz eignet sich die Ultrabreitband-Dipolantenne der Serie W3554 von PulseLarsen nicht nur für 5G-Anwendungen, sondern auch für 2G, 3G und 4G sowie für GNSS, WiFi, Bluetooth, Bluetooth Low Energy, ZigBee und die ISM-Bänder 868, 915, 2400 und 5000 MHz. Die PCB-Antenne misst nur 30 mm × 120 mm × 0,2 mm.

Die kompakte 5G-SMD-Antenne W3415 von PulseLarsen deckt alle Sub-6-GHz-Bänder (4G und 5G) ab - und das bei einer Größe von nur 40 mm × 7 mm × 3 mm. Mit mehreren Antennen auf einem Board lässt sich durch MIMO (Multiple Input Multiple Output) 5G optimal nutzen. Dabei wird eine Antenne als Haupt- und eine als Diversitätsantenne verwendet.

Stromversorgung, Computing und weitere 5G-Aspekte

Für den Aufbau eines eigenen Campus-Netzes gibt es spezielle 5G-Netzteile von FSP. Sie eignen sich zur Versorgung von Base Stations, Access Networks, Data Center oder einzelner Netzwerkteilnehmer. Durch das erweiterte und überarbeitete Portfolio des Herstellers gehört die Notwendigkeit, Netzteile selbst zu entwerfen, jetzt der Vergangenheit an.

Auch für die Informationsverarbeitung im Netzwerk kann Rutronik mit Produkten von Asus, Advantech und Intel kundenspezifische Lösungskonzepte entwickeln. Sollte das große Portfolio des Distributors einmal nicht alle Kundenbelange abdecken, kann Rutronik als Mitglied der 5G-Campus-Allianz zudem auf zahlreiche Partnerfirmen zurückgreifen.

Fazit

Für eine globale 5G-Netzabdeckung wird sich die zellulare Infrastruktur stark verändern, vor allem auch durch Campus-Netzwerke. Treibende Kraft für diesen Wandel sind die Verbesserungen durch die 5G-Anwendungsprofile. Wer heute bereits auf LTE baut, braucht vor 5G keine Angst zu haben: LTE wird auch unter 5G Bestand haben.

 

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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Figure 1:Ideal for high data transfer rates—Telit’s FN980m data card
[Translate to German:] Figure 1: Ideal for high data transfer rates—Telit’s FN980m data card