5G-Technologie

Die Abkürzung „5G“ steht für die „fünfte Generation“ der Mobilfunkkommunikation. Mit dem Buchstaben „G“ werden die einzelnen Generationen der Mobilfunktechnologien bezeichnet, die eingeführt wurden oder noch eingeführt werden. 5G kann im Millimeterwellenbereich, d. h. bei sehr hohen Frequenzen von 24 bis 100 GHz betrieben, werden. Das bei diesen Wellenlängen für 5G zur Verfügung stehende Spektrum erlaubt, Daten weitaus schneller zu übertragen, als es heute möglich ist.
Weitere wichtige Leistungsmerkmale der 5G-Technologie sind die erweiterte Nutzung der MIMO-Antennentechnik („Massive MIMO“), die optimierte Implementierung der Beamforming-Technologie zur direkteren Übertragung der Signale an die einzelnen Endnutzer sowie das Network-Slicing als intelligenter Aufteilung der Ressourcen in Abhängigkeit von den bereitgestellten Diensten und Anwendungen. Die breite Palette der Änderungen an der Technologie und Infrastruktur, die 5G erfordert, bietet den Nutzern, den Unternehmen und den Serviceprovidern einerseits erhebliche Vorteile, stellt sie andererseits aber auch vor große Herausforderungen.

Wie schnell ist 5G?

Der Umstieg auf die 5G-Technologie und der damit in Zusammenhang stehende Durchbruch bei den Datenraten ist etwa mit einem Sprung aus der Zeit der Pferdekutschen in die Ära transkontinentaler Flüge zu vergleichen.

Netzbetreiber, die Erprobungen der 5G-Datenrate durchgeführt haben, melden Geschwindigkeiten von bis zu 70 Gbit/s. In von der Industrie finanzierten Simulationen wurden ebenfalls beeindruckende Ergebnisse erzielt. Hier erhöhten sich die Datenraten für 4G-Nutzer von 71 Mbit/s im Millimeterwellenbereich auf 1,4 Gbit/s für 5G-Nutzer.

Die deutliche Geschwindigkeitssteigerung der 5G-Technologie wird von einer drastischen Verkürzung der Latenzzeiten begleitet. Dieser Parameter ist für neue Technologien, wie selbstfahrende Autos und virtuelle Roboterchirurgie, die auf eine verzögerungsfreie Kommunikation angewiesen sind, ausschlaggebend. Im Unterschied zu den 20 Millisekunden (ms), die für 4G typisch sind, können bei 5G Latenzzeiten im Bereich von 1 ms erwartet werden.

Welche Reichweite hat 5G?

Die hohen Datenraten bei den mmWave-Frequenzen gehen allerdings zu Lasten der Reichweite. Entsprechende Tests mit 5G-Diensten haben eine Reichweite von etwa 500 Metern ab dem Sendemast ergeben. Das bedeutet, dass für den reinen SA-Betrieb eine sehr große Anzahl von MIMO-Antennen-Arrays benötigt würde. Da Millimeterwellen zudem keine Hindernisse durchdringen können, verkürzt sich die Entfernung weiter, denn diese Hindernisse müssten bei der Netzplanung für Mobilfunknutzer mit eingerechnet werden. 

Die eingeschränkte Reichweite der 5G-Technologie hat einen Trend zu anpassbareren 5G-Architekturen ausgelöst, sodass die Basisstation in neue logische Elemente aufgegliedert wird. Diese erlauben, das Netz flexibel bereitzustellen, indem man die verfügbaren Gebäude nutzt, um einige Funktionen mit minimalem Platzaufwand lokal zusammenzufassen und gegebenenfalls weitere funktechnische Anforderungen entsprechend zu berücksichtigen.

Angesichts der vorhersagbaren Reichweitenprobleme kann es möglich sein, dass 5G-Netze auf absehbare Zeit nicht auf LTE oder Low-Band-5G verzichten und nur die Nutzer, die sich in Nähe der Antennen befinden, das gesamte Leistungspotenzial ausschöpfen können. Hier bieten sich die Kleinzellen-Technologie und andere kreative Alternativen zur traditionellen Basisstation an, um 5G-SA-Netze wirtschaftlich betreiben zu können. 

Die Auswirkungen der 5G-Technologie auf Verbraucher und Unternehmen

Während die anhaltende Nachfrage der Verbraucher und Unternehmen nach immer höheren Datenraten, nach mehr Sicherheit und nach zusätzlichen Anwendungen die Notwendigkeit von 5G erhöht, sind sich viele Nutzer nicht bewusst, welche Auswirkungen diese neue Technologie in den kommenden Jahren auf ihren Alltag haben wird.

Die auffälligste und unmittelbarste Folge für den Verbraucher ist die exponentiell höhere Streaming-Kapazität. Traditionelle WLAN-Systeme im Wohnbereich, die über verdrillte Doppeladern (Twisted Pair, TP) oder Koaxialkabel mit dem Internet verbunden sind, könnten in einigen Fällen direkt an 5G angeschlossen werden, da die Datenraten denen der meisten Glasfasernetze entsprechen.

Auf die Geschäftswelt wird die 5G-Technologie langfristig massive Auswirkungen haben. Chip-, Modem- und Telefonhersteller bereiten sich bereits auf den unvermeidlichen Umstieg vor. Andere Branchen, wie Banking, die Automobilindustrie und die Landwirtschaft, werden erheblich von der Entwicklung des Internets der Dinge (IoT) profitieren. Einfach alles, angefangen bei Geldautomaten bis zu Beregnungsanlagen, könnte letztendlich Teil eines umfassenden Netzwerks aus „intelligenten“ Produkten werden.

Die größten Auswirkungen könnte 5G jedoch auf die Gesundheitsindustrie haben. Milliarden von tragbaren Geräten (Wearables) senden Daten an den Haus- oder Krankenhausarzt und erlauben die effizientere Übertragung großer Datendateien zwischen den einzelnen Dienstleistern.

Die Auswirkungen der 5G-Technologie auf Serviceprovider

Obgleich sich die Serviceprovider beim Aufbau der für 5G benötigten Infrastruktur gegenseitig überbieten, könnte man den trotzdem Eindruck bekommen, dass hier nach dem Prinzip „Eile mit Weile“ vorgegangen wird, da die Telefonhersteller mit der erwarteten Markteinführung von 5G-Produkten deutlich zurückliegen.

Einige Anbieter nutzen die Installation von Massive-MIMO-Antennen an vorhandenen Sendemasten, um die Lücke zwischen LTE und 5G zu schließen. In der Bereitstellungsphase intensivieren die kürzere Reichweite von 5G im mmWave-Bereich sowie die höhere Anzahl von Antennen den Wettbewerb zwischen den Anbietern und haben kostensenkende Innovationen zur Folge.

Das IoT ändert die Art und Weise, wie Serviceprovider mit Kunden interagieren. Beispielsweise benötigen einige Anwendungen für mehrere Geräte möglicherweise eine geringere Bandbreite, sodass sich der Schwerpunkt vom Messen des Datenverbrauchs auf die Erlebnisqualität (QoE) insgesamt verlagern könnte. Für industrielle Anwendungen, wie die Robotertechnik, könnte die Zuverlässigkeit der Dienste für die Kunden der wichtigste Wertfaktor sein. Vielleicht führt das breite Anwendungsspektrum der 5G-Technologie auch zu einem stärker differenzierten Angebot von Diensten.

Vor- und Nachteile der 5G-Technologie

Wie bei nahezu allen großen technologischen Fortschritten werden die offensichtlichen Vorteile zumindest teilweise durch einige negative Folgen wieder aufgehoben. Obgleich die 5G-Technologie bereits seit mehreren Jahren gründlich getestet wird, lassen sich die tatsächlichen Vor- und Nachteile vielleicht erst dann abschätzen, wenn der Übergang bereits in vollem Gange ist.

Vorteile von 5G

Die höhere Datenrate und kürzere Latenzzeit von 5G sind offensichtliche und wichtige Vorteile gegenüber 4G und allen vorhergehenden Mobilfunkgenerationen. Ein weiterer systembedingter Vorteil der 5G-Technologie besteht darin, dass aufgrund der geringeren Abmessungen und der präziseren  Richtwirkung der MIMO-Antennen, die die Einführung von 5G begleiten, eine viel größere Anzahl von Geräten unterstützt wird.

Die optimierte Netzarchitektur von 5G ermöglicht eine reibungslosere Übergabe (Handover) der Verbindungen, wenn sich der Nutzer von einer Funkzelle zur nächsten bewegt. Die allgemeine Erlebnisqualität verbessert sich also, weil weniger Datenübertragungen unterbrochen und weniger Signale verloren gehen.

Probleme und Risiken der 5G-Technologie

Genauso wie die systembedingten Vorteile von 5G liegen auch viele der offensichtlichen Probleme im Wechsel zu höheren Frequenzen und in dem Verhalten von Funksignalen im mmWave-Bereich begründet. In diesem Zusammenhang sind vor allem die kürzere Reichweite und die mangelnde Durchdringung von Hindernissen zu nennen.

Doch reagieren diese hohen Frequenzen nicht nur empfindlich auf Hindernisse, wie Gebäude und Bäume, sondern auch auf die Luftfeuchte und auf Regen. Daher wird die bereits begrenzte Reichweite zusätzlich durch ungünstige Wetterbedingungen beeinträchtigt. Auch wenn sich mehr Antennen als logische Lösung für die kurze Reichweite anbieten, sind die sich daraus ergebenden ästhetischen und umweltrelevanten Fragestellungen ein weiterer möglicher Anlass zur Sorge.

Andere Nachteile von 5G beziehen sich auf die damit verbundenen Kosten. Dabei sind die Antennen-Arrays nur ein Kostenfaktor bei der Bereitstellung dieser Netze. Der Wartungs-, Fehlerdiagnose- und Reparaturaufwand für die Arrays steigt proportional zur Anzahl der vorhandenen Installationen an. Obgleich die mmWave-Antennen für die Mobiltelefone bereits entwickelt sind, kann deren Komplexität dazu führen, dass sich die Preise auch bei einer Serienproduktion nur unwesentlich senken lassen, sodass die Kosten in Form höherer Nutzungsentgelte an den Verbraucher weitergegeben werden.

Das Beamforming und die kleineren Zellen für 5G erlauben, die Netzabdeckung in viel kleinere Versorgungssegmente aufzuteilen, als es bei den Vorgängertechnologien möglich war. Da diese Segmente sich gegenseitig beeinflussen, müssen sie präzise konfiguriert und optimiert werden, um die Versorgung der Kunden mit einer hohen Datenrate zu gewährleisten, ohne die Mobilität unter den verschiedenen Nutzungsbedingungen einzuschränken.

Die Planung, Einführung, Verwaltung und Optimierung sowie der Betrieb einer flexibleren Netzarchitektur in einer virtualisierten Infrastruktur stellt die Netzbetreiber vor neue Herausforderungen und erfordert zudem eine neue Fachkompetenz.

Die 5G-Technologie von VIAVI

5G ist eine wahrhaft wegweisende Technologie – und genauso bahnbrechend sind ihre Auswirkungen auf die Serviceprovider und Nutzer. Daher sind Testlösungen, die mit dieser Entwicklung Schritt halten und gleichzeitig flexibel auf die sich ändernden Standards und Bereitstellungsstrategien reagieren, unverzichtbar, um diese neue Technologie erfolgreich auf den Markt bringen zu können. Innovative Tester können die Lücke zwischen den bereits bekannten Mobilfunkgenerationen und den neuen Anforderungen der 5G-Technologie schließen.

CellAdvisor 5G

Analysatoren für Basisstationen

Testlösungen zur Installation, Inbetriebnahme und Wartung von 5G-Basisstationen müssen die höhere Komplexität dieser neuen Technologie umfassend berücksichtigen. Der CellAdvisor 5G von VIAVI bietet in einem umfassenden und vielseitigen Leistungspaket wichtige Analysefunktionen, wie die Validierung des Beamforming für Massive MIMO und die Echtzeitanalyse des mmWave-Spektrums. Er unterstützt Tests an Glasfaser-, Koaxialkabel- und Luftschnittstellen nicht nur für 5G, sondern auch für frühere Mobilfunkgenerationen. Die 5G-Beam-Analyse ermittelt die individuelle Beam-ID, den Leistungspegel sowie den Signal-/Rauschabstand (SNR). Weiterhin erstellt der Cell Advisor 5G eine 5G-Streckenkarte, die es erlaubt, die Signalstärke der Sendekeule (Beam) in Echtzeit grafisch abzubilden und die tatsächliche Netzabdeckung zu prüfen.

Ausbau und Optimierung des 5G-Netzes

Viavi TM500

In der Planungs- und Ausbauphase der neuen Architektur sind gründliche Tests erforderlich, um den Erfolg kommerzieller 5G-Netze sicherzustellen. Je eher die Tests einsetzen, desto eher lassen sich eventuelle Probleme beheben. Auch wenn die Tests mitunter komplex sind, muss die Ausführung nicht schwierig sein. 

VIAVI stellt Mess- und Prüftechnik zur Verfügung, die es erlaubt, die Leistung des 5G-Netzes zu optimieren und nachzuweisen, sodass sie den aktuellen und zukünftigen Anforderungen der 5G-Technologie gerecht wird. Diese Werkzeuge ermöglichen die Analyse, den Ausbau und die Validierung der Leistung und des Potenzials einer breiten Vielzahl von Netzfunktionen und Geräten, um die Effizienz und die Sicherheit des Netzbetriebs zu verbessern.

Der TM500 von VIAVI ist als Branchenstandard beim Ausbau und Testen von Basisstationen über HF anerkannt. Er umfasst ein skalierbares Testsystem zum Validieren der Leistung des 5G-Netzes, wie es von den Endnutzern wahrgenommen wird, über mehrere Zellen und verschiedene Funkzugangstechnologien hinweg. Der TM500 ermittelt die Gesamtleistung des Netzes, angefangen beim HF-Zugang bis zum Core-Netz (Packet Core). Er beschleunigt den Ausbau von 5G-Netzen und erweist sich als ein für die Industrie unverzichtbarer Tester, da die Signaldichte, die steigende Anzahl von MIMO-Antennen und die immer höheren Datenraten ständig neue Anforderungen an das Testen der Netze stellen. Mit konfigurierbaren Verkehrs- und Kanalbedingungen, die Kapazitätstests für anspruchsvolle Nutzergeräte unterstützen sowie eine herausragende Mobilität und Skalierbarkeit ermöglichen, ist der TM500 bereits auf die nächsten 5G-Teststufen vorbereitet.

Emulation des 5G-Core-Netzes

TeraVM – 5G Core EmulatorTeraVM ist eine virtualisierte Testlösung für die Anwendungsemulation und Sicherheitsbewertung, die sicherstellt, dass hochgradig optimierte Netze und Dienste mit minimalem Risiko bereitgestellt werden können. TeraVM wurde mit der ersten NFV-Testlösung auf den Markt gebracht und gewährleistet die lückenlose Überprüfung von Anwendungsdiensten sowie von drahtgebundenen und drahtlosen Netzen.

Die Software erlaubt die umfassende Emulation des RAN- und Core-Netzes und bietet sich als Komplettlösung für den Ausbau von 5G-Netzen an. In Verbindung mit dem TM500 führt TeraVM sowohl im Standalone(SA)- als auch im Non-Standalone(NSA)-Modus umfangreiche 5G-Wraparound-Tests aus.

Der TeraVM Core Emulator berücksichtigt die neuesten 3GPP-Standards und vereinfacht daher die Entwicklung von 5G-RAN-Netzen.

VIAVI hilft Ihnen, sich mit der 5G-Technologie vertraut zu machen!

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