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The Future starts already now: 4G jetzt oder 5G später?

2020 soll es soweit sein: 5G, die fünfte Mobilfunkgeneration, soll weltweit kommerziell eingeführt werden. Bis dahin dauert es nicht mehr lang, dennoch stehen viele Unternehmen derzeit vor der Frage, ob es klüger ist, mit entsprechenden Anwendungen noch zu warten oder ob es bereits heute Lösungen dafür gibt.

Um zu beurteilen, ob Entwicklungen besser jetzt oder erst nach dem 5G-Startschuss realisiert werden sollten, ist es notwendig, einen genaueren Blick auf die Ziele zu werfen, die mit dem neuen Standard erreicht werden sollen. Sie betreffen vor allem drei Themenschwerpunkte:

  • eMBB - enhanced Mobile BroadBand. Datenübertragungsraten von bis zu 20GBit/s ebnen den Weg für den digitalen Lifestyle von Endverbrauchern. Zudem ist eMBB Voraussetzung für Anwendungen, die einen hohen Bedarf an Bandbreite haben, wie z.B. High Definition Videos sowie Virtual und Augmented Reality.
  • mMTC - massive Machine Type Communications adressiert die Herausforderungen der stabilen und allgegenwärtigen Netzabdeckung in städtischen Gebieten mit einer sehr hohen Verbindungsdichte von MTC-Geräten. Die MTC-Geräte zeichnen sich aus durch eine Batterielebensdauer von mehr als 15 Jahren und niedrigen Hardware-Kosten, wie es für Smart City oder Smart Agriculture Anwendungen notwendig ist. Maßgebliches Ziel von 5G ist die Unterstützung von einer Million solcher Verbindungen auf einem Quadratkilometer.
  • uRLLC - ultra-Reliable and Low Latency Communications. Latenzzeiten unter 1ms sind Voraussetzungen für zuverlässige und zeitkritische Anwendungen, wie autonomes Fahren, Car-to-Car-, Car-to-Everything-Kommunikation, oder Predictive Maintenance auf Cloud-Computing-Basis.

Network-Slicing

Eine andere grundlegende Neuerung, die 5G mit sich bringen wird, ist die Netzwerk-Trennung (Network-Slicing). Damit können die drei Kernbereiche eMBB, mMTC sowie uRLLC mit ihren unterschiedlichen Anforderungen nebeneinander innerhalb derselben physikalischen Netzwerke bestehen, ohne sich gegenseitig zu stören. Network Slicing ist eine Form von virtueller Netzwerk-Architektur, welche mit den gleichen Prinzipien wie Software Defined Networking (SDN) sowie Network Functions Virtualisation (NFV) arbeitet. SDN und NFV sind beides Technologien, die sich bereits unter LTE implementieren lassen, um die Flexibilität sowie Skalierbarkeit innerhalb eines Netzwerkes zu erhöhen. Dabei wird die Hardware und Software voneinander entkoppelt und ermöglicht so, weitere Netzwerkinfrastrukturen zu programmieren. Somit können verschiedene Endgeräte über dasselbe Funkzugangsnetz (Radio Access Network, RAN) in ein Netzwerk eintreten, dann aber in verschiedene virtuelle Netzwerke hinsichtlich ihrer Anwendungsfälle aufgeteilt werden. In diesen bleiben sie bis hin zum Netzwerk-Provider oder dem Rechenzentrum, in dem die Inhalte und Anwendungen gehostet werden. (Bild 1) Auch wenn SDN und NFV innerhalb von LTE-Netzwerken bereits implementiert werden können, so erlaubt erst das Network Slicing unter 5G, wirklich alle Dienste über ein und dasselbe physikalische Netzwerk laufen zu lassen - vom Notrufdienst, der auf ein immer verfügbares, stabiles und zeitkritisches Netz angewiesen ist, bis hin zum Privatanwender, der im Straßencafé sitzt und im WWW die neuesten Nachrichten liest.

Vieles schon heute möglich

Unter 4G, bzw. mit LTE, LTE-Advanced sowie LTE-Advanced-Pro, wurden also bereits grundlegende Technologien geschaffen, die ganz oder teilweise in 5G einfließen. Sie bilden die Basis für die Einführung der neuen Mobilfunkgeneration und unterstützen schon heute einige 5G-Ziele komplett oder zumindest zu weiten Teilen.

Hinsichtlich eMBB können unter 4G mittels Carrier Aggregation (CA) bereits mehrere Trägerkomponenten zusammengeführt werden, um so eine breitere Datenleitung zu schaffen. Das multiple Antennen-Verfahren Massive-Multiple Input Multiple Output (M-MIMO) ermöglicht mehr Datenstränge gleichzeitig, License Assisted Access (LAA) macht das unlizenzierte Frequenzspektrum oberhalb von 5GHz nutzbar.

Für die Umsetzung von mMTC hat das 3GPP Release 13/14 mit LTE-M (auch bekannt unter eMTC / enhanced Machine Type Communications) und NB-IoT bereits die Basis geschaffen. Beide Technologien im LTE-Category-0-Bereich können mit weiteren Features aufwarten, wie z.B. mit dem Power Saving Modus (PSM) oder der extended Discontinuous Reception (eDRX). Diese Funktionen können Geräte periodisch aufwecken, um sehr kleine Datenmengen zu versenden, und danach sofort wieder in den Sleep-Modus versetzen. Dadurch "schlafen" die Geräte die meiste Zeit und verlängern die Batterielebensdauer deutlich. Eine erhöhte Abdeckung, wie sie mit mMTC ebenfalls angestrebt wird, stellt Maximum Coupling Loss (MCL) bereits sicher.

Zur Reduzierung der Latenzzeiten - ein Ziel im Rahmen von uRLLC - enthält das 3GPP Release 12 schon Anforderungen dazu. Wesentliche Verbesserungen sind jedoch erst mit der Einführung von 5G zu erwarten.

LTE Cat. 18, LTE-M und NB-IoT als erster Schritt Richtung 5G

Das heißt: Schon heute können Unternehmen ihre Entwicklung von IoT-Lösungen starten. Für die Realisierung von eMBB, d.h. höheren Datenübertragungsraten, steht z.B. die LM960 Mini PCIe-Karte von Telit zur Verfügung (Bild 2). Die LTE-Advanced-Category-18-Lösung ermöglicht Downlink-Geschwindigkeiten von bis zu 1,2Gb/s mit dem 4x4 MIMO-Modus. Dank CA kann sie bis zu fünf Trägerkomponenten unterstützen, für eine bessere Durchdringung in Gebäuden sorgt LAA.

Für mMTC-Anwendungen bietet Telit die ME910C1 LTE-Cat.-M1/NB1-Familie (Bild 3). Sie kombiniert LTE-M und NB-IoT und sorgt mit Features wie PSM (Power Saving Mode) und eDRX für hohe Energieeffizienz, MCL erhöht die Abdeckung.

Fazit

Mit 5G sind noch viele Technologien und Verbesserungen zu erwarten, die essenziell sind für Anwendungen im uRLLC-Bereich, wie Connected Cars oder Autonomes Fahren. Für Anwendungen im Rahmen von eMBB und mMTC empfiehlt es sich hingegen, sofort mit der Entwicklung zu starten. Passende Lösungen stehen von verschiedenen Herstellern bereits zur Verfügung. Bei der Auswahl erhalten Entwickler kompetente Unterstützung durch die Spezialisten aus dem Rutronik Funk-Bereich. So verlieren Unternehmen keine Investitionen bis zum Start von 5G im Jahr 2020, können ihre Anwendungen schon heute IoT-fähig gestalten und dennoch morgen von 5G profitieren.

Endspurt Richtung 5G:

  • Dezember 2017: Der erste Teil der Spezifikation - 5G NSA (Non-Standalone Operation) - wird fertiggestellt. Mit ihm können 5G-Mobilfunkerweiterungen auf Basis von 4G-Kernnetzen arbeiten.
  • Juni 2018: Der zweite Teil der 5G NR (New Radio) Spezifikation - 5G SA (Standalone Release 15) - steht zur Verfügung. Ihr Kern besteht aus einer neuen End-to-End Netzwerk-Architektur, die besonders kurze Latenzen mit bis zu unter 1ms ermöglicht. 5G SA wird auf einem eigenen 5G Kern aufliegen.
  • Jetzt: Beide Teile zusammen schaffen Möglichkeiten für neue Entwicklungen und Geschäftsmodelle, die eine neue Ära der umfassenden Vernetzung einläuten.

 

 

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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Image 1: Peaceful coexistence: Network slicing distributes applications to various virtual networks to ensure eMBB, mMTC, and uRLLC can be used simultaneously.
Bild 1: Friedliches Nebeneinander: Damit eMBB, mMTC und uRLLC gleichzeitig nutzbar sind, verteilt Network-Slicing die Anwendungen auf verschiedene virtuelle Netzwerke.