5G-Architektur

Das Hauptziel der früheren Generationen von Mobilfunknetzen bestand schlicht darin, den Nutzern schnelle und zuverlässige mobile Datendienste zur Verfügung zu stellen. 5G hat diesen Aufgabenbereich erweitert und möchte dem Endnutzer über mehrere Zugangsplattformen und mehrschichtige Netze eine breite Palette von Mobilfunkdiensten anbieten.

Im Prinzip handelt es sich bei 5G um ein dynamisches, zusammenhängendes, flexibles System aus mehreren modernen Technologien, das eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen unterstützt. 5G nutzt eine intelligentere Architektur, bei der das Funkzugangsnetz (RAN, Radio Access Network) nicht mehr davon abhängig ist, dass sich eine Basisstation in der Nähe befindet oder eine sonstige komplexe Infrastruktur vorhanden ist. 5G ebnet den Weg zu einem aufgegliederten („Disaggregation“), flexiblen und virtuellen RAN mit neuen Schnittstellen, die zusätzliche Datenzugriffspunkte schaffen.

4G & 5G Network Architecture
 

Die 5G-Architektur im 3GPP-Projekt 

Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) befasst sich mit Telekommunikationstechnologien, einschließlich mit dem Funkzugangsnetz (RAN), mit Core-Transportnetzen und Diensten. 3GPP hat eine lückenlose Systemspezifikation für die 5G-Netzarchitektur bereitgestellt, die wesentlich serviceorientierter ist, als frühere Generationen.
3GPP

Die Dienste werden den berechtigten Netzfunktionen über ein gemeinsames Framework zur Verfügung gestellt. Weitere Entwurfskriterien für die 5G-Netzarchitektur, die in den 3GPP-Spezifikationen beschrieben werden, sind die Modularität, Wiederverwendbarkeit und Autonomie der Netzfunktionen.

Spektrum und Frequenzen von 5G
Für 5G NR (New Radio) wurden mehrere Frequenzbereiche reserviert. Der Teil des Funkspektrums mit Frequenzen von 30 GHz bis 300 GHz wird als Millimeterwellen-Bereich (mmWave) bezeichnet, da die Funkwellen nur 1–10 mm lang sind. Die Frequenzen von 24 GHz bis 100 GHz werden 5G zurzeit in mehreren Regionen der Welt zugeteilt. 

Neben den Millimeter-Wellenlängen werden auch bisher kaum genutzte UHF-Frequenzen im Bereich von 300 MHz bis 3 GHz für 5G umgerüstet. Diese Frequenzvielfalt kann für jeweils ganz spezifische Anwendungen genutzt werden. Hierbei ist zu beachten, dass höhere Frequenzen auch eine größere Bandbreite ermöglichen, dafür aber die Reichweite sinkt. Die mmWave-Frequenzen sind ideal für dicht besiedelte Gebiete geeignet, für die Langstreckenkommunikation jedoch unpraktisch. Innerhalb dieser Frequenzbereiche, die 5G im hohen und im niedrigen Band zugewiesen wurden, haben die Netzbetreiber angefangen, ihre eigenen Teile des 5G-Spektrums zu belegen.

Multi-Access Edge Computing (MEC)
Das MEC, also die Verarbeitung der Daten im Mehrfachzugriff am Netzrand (Edge), ist eine wichtige Komponente der 5G-Architektur. Hierbei handelt es sich um eine Weiterentwicklung des Cloud-Computing, die die Anwendungen weg von zentralen Rechenzentren hin zum Netzrand und damit näher zum Endnutzer und zu dessen Geräten bringt. Damit verkürzt sich praktisch die Übermittlung der Inhalte (Content) zwischen Nutzer und Host und der lange Netzpfad, der die beiden früher trennte, wird vermieden. 

Diese Technologie ist zwar nicht nur bei 5G zu finden, aber sicherlich eine wichtige Voraussetzung für dessen Effizienz. Die 5G-Architektur unterscheidet sich dadurch von den früheren Mobilfunkgenerationen, dass das MEC den latenzarmen Echtzeitzugang hoher Bandbreite zu den RAN-Daten umfasst. Diese Annäherung von RAN und Core-Netz erfordert von den Netzbetreibern, neue Konzepte für das Testen und Validieren des Netzwerks zu nutzen.

5G-Netze, die auf den 5G-Spezifikationen des 3GPP-Projekts basieren, bieten sich für die Implementierung von MEC an. Diese 5G-Spezifikationen definieren die Voraussetzungen für das Edge-Computing und erlauben MEC und 5G, den Verkehr gemeinsam zu steuern. Neben der vorteilhaften Latenz und Bandbreite der MEC-Architektur ermöglicht die verteilte Rechenleistung eine höhere Anzahl von angeschlossenen Geräten, die untrennbarer Bestandteil der 5G-Bereitstellung und des sich entwickelnden Internet der Dinge (IoT) ist.  

Virtualisierte Netzfunktionen und 5G
Die Virtualisierung der Netzfunktionen (NFV) entkoppelt die Software von der Hardware, indem verschiedene Netzfunktionen, wie Firewall, Lastverteiler und Router, durch virtualisierte Software-Instanzen ersetzt werden. Damit ist es nicht mehr erforderlich, in viele teure Hardware-Komponenten zu investieren. Zudem verringert sich der Zeitaufwand für die Installation, sodass dem Kunden neue umsatzgenerierende Dienste schneller zur Verfügung gestellt werden können. 

NFV unterstützt die 5G-Infrastruktur durch die Virtualisierung von Geräten im 5G-Netz. Dazu gehört auch das Network-Slicing. Diese Technologie erlaubt, mehrere virtuelle Netze gleichzeitig zu betreiben. Durch virtualisiertes Computing, virtualisierte Speicher und Ressourcen, die an die spezifischen Anwendungen und Kundensegmente anpassbar sind, trägt NFV dazu bei, weitergehende Herausforderungen von 5G zu bewältigen. 

RAN-Architektur im 5G-Netz
Das Virtualisierung der Netzfunktionen (NFV) betrifft auch das Funkzugangsnetz (RAN), um beispielsweise die Aufgliederung (Disaggregation) des Netzes, wie sie vom O-RAN und anderen Verbänden gefördert wird, umzusetzen. Das erhöht die Flexibilität und schafft neue Wettbewerbsmöglichkeiten, stellt offene Schnittstellen zur Verfügung und ermöglicht Open-source-Entwicklungen, was letztendlich die Einführung neuer Leistungsmerkmale und Technologien beim weiteren Ausbau erleichtert. Die O-RAN-Allianz verfolgt das Ziel, anbieterneutrale Installationen mit handelsüblicher Hardware zu ermöglichen, um die Interoperabilität zu vereinfachen und zu beschleunigen. Auch erlaubt die Disaggregation des Netzes, einzelne Komponenten zu virtualisieren, sodass das Nutzererlebnis bei einem weiteren Anstieg der Kapazität skaliert und optimiert werden kann.  Die vorteilhafte Virtualisierung von RAN-Komponenten ermöglicht preiswertere Hardware und Software. Das gilt insbesondere für IoT-Anwendungen, bei denen die Anzahl der Geräte in die Millionen geht.

eCPRI-Schnittstelle
Mit ihrer Aufgliederung von Funktionen bringt die Disaggregation des Netzes weitere Kostenvorteile, insbesondere bei der Einführung neuer Schnittstellen wie eCPRI (enhanced Common Public Radio Interface). Wenn es darum geht, eine große Anzahl von 5G-Trägern zu testen, sind die HF-Schnittstellen aufgrund der rasant ansteigenden Kosten nicht mehr wirtschaftlich. Die eCPRI-Schnittstellen sind eine preiswertere Lösung, da zum Testen der 5G-Träger weniger Schnittstellen verwendet werden müssen. eCPRI soll eine standardisierte 5G-Schnittstelle werden, die beispielsweise in der O-RAN Fronthaul-Schnittstelle, wie der verteilten Einheit (Distributed Unit, DU), verwendet wird. Im Unterschied zur eCPRI wurde die CPRI für 4G entwickelt und war auch anbieterspezifisch, was viele Netzbetreiber vor Probleme stellte. 

Network-Slicing
Das Network-Slicing ist das vielleicht wichtigste Element, um das Leistungspotenzial der 5G-Architektur umfassend ausschöpfen zu können. Diese Technologie erweitert die Funktionsvirtualisierung (NFV) um eine neue Dimension, da sie es erlaubt, mehrere logische Netze gleichzeitig auf einer gemeinsamen physischen Infrastruktur zu betreiben. Mit der Einrichtung durchgehender (Ende-zu-Ende) virtueller Netzwerke, die sowohl Vernetzungs- als auch Speicherfunktionen umfassen, wird sie zu einem untrennbaren Bestandteil der 5G-Architektur. 

Die Netzbetreiber können verschiedene 5G-Anwendungsfälle mit unterschiedlichen Durchsätzen, Latenzen und Verfügbarkeitsanforderungen effektiv steuern, indem sie die im Netz installierten Ressourcen auf mehrere Nutzer („Tenants“) aufteilen.

Network-Slicing bietet Anwendungen wie IoT, wo es eine extrem große Anzahl von Nutzern geben kann, aber die insgesamt benötigte Bandbreite klein ist, deutliche Vorteile. Da jeder vertikale 5G-Anwendungsfall eigene Anforderungen stellen wird, ist das Network-Slicing ein wichtiges Entwurfskriterium für die 5G-Netzarchitektur. Diese umfassende Anpassungsmöglichkeit erlaubt, die Kosten, das Ressourcen-Management und die Flexibilität der Netzkonfigurationen zu optimieren. Darüber hinaus ermöglicht das Network-Slicing, die Probeläufe für potenzielle neue 5G-Dienste zu beschleunigen und die Zeit bis zur Markteinführung zu verkürzen. 

Beamforming
Das Beamforming („Strahlformung“) ist eine weitere wegweisende Technologie, die eine Voraussetzung für den Erfolg von 5G ist. Konventionelle Basisstationen senden die Signale in mehrere Richtungen und unabhängig von der Position der betreffenden Nutzer oder Geräte aus. Mithilfe von MIMO-Systemen (Multiple-Input, Multiple-Output), die Dutzende kleine, in Gruppen (Array) zusammengefasste Antennen enthalten, ist es möglich, Verarbeitungsalgorithmen zu nutzen, die den effizientesten Ausbreitungspfad zum jeweiligen Nutzer ermitteln. Gleichzeitig können einzelne Pakete in mehrere Richtungen ausgesendet und dann so gesteuert werden, dass sie in einer zuvor festgelegten Reihenfolge beim Endnutzer eintreffen. 

5G Beamforming

Da die Datenübertragung bei 5G im Millimeter-Wellenlängenbereich erfolgt, sind entsprechend der kleineren Antennengröße größere Ausbreitungsverluste im Freiraum zu erwarten. Durch die höheren Frequenzen und die mangelnde Durchdringung von Gebäuden steigen auch die unvermeidlichen Beugungsverluste wesentlich an. Andererseits ermöglichen die kleineren Antennen, viel größere Arrays auf der gleichen physischen Fläche zu installieren. Da jede dieser kleineren Antennen die Strahlrichtung mehrmals pro Millisekunde neu festlegen kann, ist es möglich, die Sendekeulen („Beams“) gezielt auf die Nutzer auszurichten, also ein massives Beamforming durchzuführen, und so die Bandbreiten-Herausforderung von 5G zu bewältigen. Die höhere Antennendichte beim Massive-MIMO erlaubt, schmalere Sendekeulen zu erzeugen, sodass ein hoher Durchsatz mit einer effektiveren Ausrichtung auf den einzelnen Nutzer erreicht wird.

5G-Core-Architektur

Die 5G-Core-Netzwerkarchitektur ist das Herzstück der neuen 5G-Spezifikation und ermöglicht den von 5G geforderten höheren Durchsatz. Laut 3GPP nutzt das 5G-Core-Netz eine cloudorientierte, servicebasierte Architektur (SBA), die alle Funktionen und Interaktionen von 5G, einschließlich Authentifikation, Sicherheit, Sitzungsmanagement und Aggregation des Verkehrs von den Endgeräten, umfasst. Das Core-Netz stärkt die NFV-Virtualisierung als unverzichtbares Entwurfskonzept, wobei die virtualisierten Softwarefunktionen über die MEC-Infrastruktur, auf der die 5G-Architektur basiert, umsetzbar sind.

5G Core Architecture  


Unterschiede zur 4G-Architektur
Änderungen auf der Ebene des Core-Netzes zählen zu den unzähligen Unterschieden, die mit dem Wechsel von der 4G- zur 5G-Architektur verbunden sind. Dazu gehören der Übergang zu Millimeter-Wellenlängen (mmWave), Massive-MIMO, Network-Slicing und praktisch alle anderen einzelnen Elemente des vielfältigen 5G-Ökosystems. Das 4G-Core-Netz, das als Evolved Packet Core (EPC) bezeichnet wird, unterscheidet sich wesentlich vom 5G-Core-Netz, da letzteres in bisher beispiellosem Umfang die Virtualisierung und ein cloudnatives Software-Design nutzt. 

Weitere Unterschiede sind die neue User Plane Function (UPF), die die Paket-Gateway-Steuerung und Funktionen der Nutzerebene voneinander entkoppelt, sowie die Access and Mobility Management Function (AMF), die das Sitzungsmanagement (SMF) vom Verbindungs- und Mobilitätsmanagement trennt.

Optionale 5G-Architekturen
Der Übergang von 4G zu 5G erfordert mehrere Zwischenschritte und muss sehr sorgfältig geplant werden. Kennzeichnend dafür ist der allmähliche Umstieg von der kombinierten (Non-Standalone, NSA) zur eigenständigen (Standalone, SA) 5G-Architektur. Der 5G-NSA-Standard wurde Ende 2017 verabschiedet und nutzt die vorhandenen RAN- und Core-Netze von LTE, die um einen 5G-Komponententräger (Component Carrier, CC) erweitert werden. Obwohl der NSA-Modus auf eine bereits bestehende Architektur aufbaut, erhöht sich die Bandbreite, da jetzt die mmWave-Frequenzen einbezogen sind. 

Für den 5G-SA-Modus wird die 5G-Bereitstellung von Grund auf mit der neuen Core-Netzarchitektur und sämtlichen 5G-spezifischen Geräten, Leistungsmerkmalen und Funktionen realisiert. Da der NSA-Modus ermöglicht, die neuen 5G-Mobilfunkarchitekturen schrittweise umzusetzen, stellen eine sorgfältige Planung und Implementierung sicher, dass für die Nutzer ein nahtloser Übergang gewährleistet ist.

5G Architecture Options
 

Geografische Verteilung der 5G-Architekturen

Weil der 5G-SA-Modus eine neue Infrastruktur benötigt, ist die weltweite 5G-Integration in den einzelnen Gebieten unterschiedlich weit fortgeschritten. Technisch führende Regionen, wie Nordamerika, Asien und Europa, führen 5G bereits in begrenztem Umfang ein. Andere Länder folgen dicht auf.   Da in Europa die Länder nah beieinander liegen und es sehr viele Netzbetreiber gibt, stellt die Einführung von 5G dort besondere Herausforderungen. Vor diesem Hintergrund hat die Europäische Kommission den Aktionsplan 5G für Europa geschaffen, um die Einführung zu beschleunigen und bis Ende 2020 einen Bereitstellungsplan für alle EU-Staaten auszuarbeiten.

The State of 5G Deployments

Industrienationen wie China, Japan und Indien interessieren sich stark für die praktischen und finanziellen Auswirkungen des Umstiegs zu 5G. Da die neue Infrastruktur-Hardware, die neuen Antennen und Software-Technologien ein wirtschaftlicher Glücksfall für die weltweite Elektronikindustrie, Softwareentwickler und das verarbeitende Gewerbe sind, wird eine schnelle Einführung befürwortet. Einer der größten Telekommunikationsanbieter Indiens unterstützt mit seinem gesamten Netz bereits 5G und China Mobile will bis 2020 etwa 10.000 5G-Basisstationen errichten.

Sicherheit der 5G-Architektur

5G Security

Durch die Nutzung cloudbasierter Ressourcen, durch Virtualisierung, Network-Slicing und andere neue Technologien wird die Implementierung von 5G deutliche Leistungsvorteile und eine große Anwendungsvielfalt ermöglichen. Diese Veränderungen bergen jedoch auch neue Sicherheitsrisiken und bieten zusätzliche Angriffspunkte, die die 5G-Sicherheitsarchitektur verwundbar machen.

5G baut auf den Sicherheitsverfahren der früheren Mobilfunktechnologien auf. Das Vertrauensmodell muss jetzt jedoch eine viel größere Basis berücksichtigen, da die Zahl derer, die die Dienste bereitstellen, stark ansteigt. Das IoT und das gegenseitiges Akzeptieren der Authentifizierungen (User Propagation) erzeugen eine exponentiell höhere Anzahl von Endpunkten, wobei viele Zugänge nicht mehr direkt vom Menschen überwacht werden. 

Zu den verbesserten 5G-Sicherheitsfunktionen, die in den 3GPP-Standards vorgesehen sind, gehören die einheitliche Authentifikation (Unified Authentication), um die Authentifikation von den Zugangspunkten zu entkoppeln, erweiterbare Authentifizierungsprotokolle für sichere Transaktionen, flexible Sicherheitsrichtlinien zur Berücksichtigung einer größeren Anzahl von Anwendungsfällen sowie permanente Nutzerkennungen (Subscription Permanent Identifier, SUPI), um den Datenschutz im Netzwerk sicherzustellen. 

Im weiteren Verlauf der 5G-Bereitstellung und der zunehmenden Virtualisierung leistungsrelevanter Knoten (Nodes) müssen die Netzbetreiber in der Lage sein, ihr System kontinuierlich zu überwachen und den Sicherheitsstatus jederzeit einschätzen zu können. Hier schreiben die besten Vorgehensweisen die Ende-zu-Ende-Überwachung (Monitoring) der Netzsicherheit vor, die die gesamte Systemarchitektur, alle Geräte und alle Anwendungen umfasst.

Zweifellos wird 5G die exponentielle Steigerung der Übertragungsraten ermöglichen, die die Nutzer mittlerweile von jeder neuen Mobilfunkgeneration erwarten. Jedoch ist die höhere Geschwindigkeit erst der Anfang. Die voraussichtlichen Auswirkungen auf die verschiedenen Branchen, angefangen bei der Personenbeförderung bis zur Fertigung und Landwirtschaft, werden dermaßen tiefgehend sein, dass viele 5G bereits als die nächste industrielle Revolution bezeichnen. Das Herzstück dieses Paradigmenwechsels ist die vielfältige 5G-Architektur, in der MEC, NFV, Massive-MIMO und eine cloudorientierte, servicebasierte Core-Architektur reibungslos zusammenwirken, um die zahlreichen neuen Dienste bereitzustellen. 5G-Testlösungen, die diese tiefgreifenden Änderungen angemessen berücksichtigen, werden diesen bevorstehenden Übergang zur 5G jedoch erst möglich machen. 
 

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