5G testen

Während die Einführung der 2. Mobilfunkgeneration (2G) in den 1990er-Jahren nur das Übermitteln von Textnachrichten ermöglichte, unterstützte 3G bereits die Datenübertragung. Auf diesen Leistungsmerkmalen baute die 4G-LTE-Plattform auf und bot mehr Bandbreite, eine höhere Übertragungsrate sowie eine größere Zuverlässigkeit.

Heute fördern wichtige Innovationen wie selbstfahrende Autos das „Internet der Dinge„ (IoT) und die virtuelle Realität (VR), den nächsten Technologiewechsel. So wird 5G eine exponentielle Vergrößerung der Bandbreite und eine entsprechende Verringerung der Latenzzeit ermöglichen, um die zuvor genannten Innovationen zu unterstützen.

Mit bis zu 100 Mal höheren Datenraten als bei bestehenden Mobilfunkverbindungen und Latenzzeiten im Bereich von nur 1 Millisekunde wird 5G sogar das Leistungspotenzial der aktuell eingesetzten Glasfaserkabel übersteigen. Um den erfolgreichen Übergang zu fördern, werden zurzeit 5G-Testverfahren entwickelt und abgestimmt, damit die von den Endnutzern geforderte unterbrechungsfreie Leistung zur Verfügung gestellt werden kann. Die Prüf- und Messtechnik, Software, Protokolle und Verfahren, die für alle 5G-Bereitstellungsphasen benötigt werden, bilden in ihrer Gesamtheit die Grundlage für die sich entwickelnde 5G-Testtechnologie.

Warum 5G-Tests wichtig sind

Da 5G mehr als nur eine schrittweise Modernisierung bestehender Kommunikationsstandards darstellt, müssen die Testverfahren die dieser Technologie innewohnende Komplexität berücksichtigen. Die erwarteten Verbesserungen sind nur möglich, wenn mehrere Elemente nahtlos und harmonisch miteinander funktionieren. Ein Ausfall auf einer Ebene könnte sofort zu unzufriedenen Endnutzern führen. Für die Vorhersage und Aufrechterhaltung dieser optimalen Leistung sind innovative und robuste 5G-Testverfahren unverzichtbar. 

  • New Radio (NR)
    5G New Radio

    5G NR bezeichnet den neuen OFDM-basierten Mobilfunkstandard, der LTE als De-facto-Standard für den Betrieb von 5G ablösen wird. Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) hat den vorläufigen NR-Standard im Dezember 2017 veröffentlicht. Das NR-Spektrum wird Frequenzen von unter 6 GHz bis 100 GHz umfassen. Ein Großteil dieses breiten Spektrums wird aus nicht mehr genutzten 2G-, 3G- und PCS-Frequenzbändern für den Bereich unter 6 GHz bestehen. Die erste Anwendung, die es zu standardisieren gilt, wird das Mobilfunk-Breitband sein. Zusätzliche Leistungsmerkmale, wie Massive Machine-Type Communications (MMTC) und Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC) werden später eingeführt.

  • Millimeter-Wellenlängen

    Das ultrahohe Frequenzspektrum, das die vom NR definierte obere Grenze von 100 GHz beinhaltet, wird als Millimeter-Wellenlängenbereich (mmWave) bezeichnet. Große Mengen verfügbarer Bandbreiten von Hunderten MHz bei höheren Frequenzen bedeuten eine höhere Übertragungsrate. Der mmWave-Bereich, der sich von 24 GHz bis 100 GHz erstreckt, wird eine wichtige Rolle beim Testen und Bereitstellen von 5G spielen. Obwohl die Übertragungsrate höher ist, verkürzt sich die Reichweite deutlich. Zudem beeinträchtigen physische Hindernisse, wie Gebäude und Wände, das Signal, wohingegen niedrigere Frequenzen diese Objekte mühelos durchdringen.

  • Massive MIMO

    MIMO (Multiple Input, Multiple Output) bezeichnet eine Mehrantennentechnologie, die genutzt werden kann, um die Datenrate (räumliches Multiplexing) zu erhöhen, anstatt die Robustheit zu verbessern. Ein System, das eine viel größere Anzahl von Funkantennen an Mobilfunkmasten zu Gruppen (Arrays) zusammenfasst, wird als Massive MIMO bezeichnet. Bei hohen Frequenzen sind die Funkwellenlängen so kurz, dass ein viel kompakterer Antennen-Array bereits einen Massive-MIMO-Betrieb ermöglicht. Massive MIMO hilft, einige der mit Millimeter-Wellenlängen verbundenen Nachteile zu überwinden, indem Datenströme parallel übertragen werden sowie das Empfangsgerät in die Lage versetzt wird, diese Ströme wieder zu einer einzelnen Nachricht zusammenzusetzen.

  • Beamforming

    Eine weitere moderne Technologie, die für erfolgreiche Implementierungen und Tests von 5G als unverzichtbar gilt, ist das Beamforming. Hierbei handelt es sich um eine Methode, bei der ein Algorithmus Mobilfunksignale zu einem gerichteten Strahl fokussiert. Dieses Konzept bietet eine Möglichkeit, physische Hindernisse, die die hochfrequenten Übertragungen stören könnten, zu vermeiden und kann sogar Übertragungen strategisch direkt auf den Endnutzer ausrichten. Der Einsatz von Massive MIMO wird diese Personalisierung durch die Verbreitung von integrierten Arrays aus 100 und mehr einzelnen Antennen fördern.

  • Network Slicing

    Das Konzept des Network Slicing bezeichnet die intelligente Ausnutzung einzelner Teile des Spektrums in Abhängigkeit vom konkreten Bedarf des einzelnen Gerätes oder der einzelnen Anwendung. Beispielsweise benötigt ein selbstfahrendes Auto für eine sichere Fahrt möglicherweise eine extrem geringe Latenzzeit, während IoT-Anwendungen eine große Anzahl von Geräten umfassen können, die nur einen sehr geringen Durchsatz erfordern. Das Mobilfunknetz kann die Ressourcen intelligent konfigurieren, um den Verkehrsfluss und die Auslastung zu optimieren.


    Network Slicing

Herausforderungen beim Testen von 5G-Netzwerken

Die Infrastruktur von 5G basiert auf einer Kombination aus mmWave, MIMO und Beamforming, die zugleich das Tor zu einer fantastischen Leistungssteigerung öffnet. Die größere Komplexität, die diese Innovationen hervorrufen, kann jedoch das Testen von 5G-Netzwerken vor erhebliche Herausforderungen stellen. MIMO bedeutet im Prinzip (viel) mehr Antennen, was die Testlast erhöht, wenn man sicherstellen möchte, dass alle integrierten Antennen voll funktionsfähig sind. Aufgrund der 5G-Architektur und der hohen Packungsdichte sind physische Messanschlüsse für jede einzelne Antenne nicht mehr realisierbar.

Zusätzliche Hürden birgt die Nutzung von mmWave und Beamforming bei ultrahohen Frequenzen. Da diese Frequenzen weitaus stärker durch umgebungsbedingte Ausbreitungsverluste beeinträchtigt werden, sind Over-The-Air(OTA)-Tests möglicherweise weniger gut reproduzierbar und auch komplizierter auszuführen. Da leitungsgebundene Tests ohne separate Anschlüsse jedoch nicht realisierbar sind, werden OTA-Tests häufiger erforderlich sein.

Auch lassen sich die Kanäle bei 5G komplizierter emulieren, da sich die Anzahl der benötigten HF-Kanäle exponentiell erhöht, während bei 3G und 4G lediglich ein linearer Anstieg zu verzeichnen war. Damit die Prüf- und Messtechnik für 5G einsetzbar ist, muss sich die Elektronik rasant weiterentwickeln, um dieser kritischen Anforderung gerecht zu werden. Kreative Lösungen, die den Einsatz von Prüfkammern und anderer kostenintensiver Testelemente weitestgehend vermeiden, ohne den Testumfang und die Genauigkeit zu beeinträchtigen, sollten weiter untersucht werden.

Bereitstellungsphasen von 5G

Die Bereitstellung von 5G ist ein komplexer und anspruchsvoller Prozess, der eine sorgfältige Planung und reibungslose Ausführung erfordert. In jeder einzelnen Phase sind optimierte 5G-Testsysteme die beste Voraussetzung für eine erfolgreiche Bereitstellung. In vielen Fällen werden diese Phasen auch verdichtet werden und sich überlappen.

  • 5G-Bereitstellungsphase 1: Verifizieren und Validieren der Technologen

    Die robuste Verifizierung und Validierung (V&V) ist eine Voraussetzung für die erfolgreiche Einführung von 5G. Diese Phase umfasst das Verifizieren virtualisierter Netzwerkfunktionen und Netzwerkdienste, um deren sofortige Qualität und Zuverlässigkeit nach Inbetriebnahme des Netzwerks zu garantieren.

    Benötigt werden skalierbare 5G-Testsysteme mit integrierten Datendiensten, um die Gesamtleistung des Netzwerks zu ermitteln und in 5G-Felderprobungen das tatsächliche Nutzerverhalten zu simulieren. Eine weitere unverzichtbare Komponente von 5G V&V zum Emulieren und Messen von Millionen von Datenströmen ist eine Software, die die Last-/Kapazitätstests und Ermittlung von Referenzwerten (Benchmarking) verbessern kann.
    5G Pain Points

  • 5G-Bereitstellungsphase 2: Bereitstellen, Aktivieren und Skalieren

    Für die eigentliche Inbetriebnahme von 5G wird eine zuverlässige Mess- und Prüftechnik benötigt, die die Aktivierung und Skalierung des Netzwerks erst ermöglicht. Analysatoren für Basisstationen, die das Spektrum und die Interferenzen von 5G-Signalen im Millimeter-Wellenlängenbereich analysieren, spielen in dieser Bereitstellungsphase eine wichtige Rolle. Software zum Überwachen und Sichern der Netzwerkleistung sowie zum Verifizieren von Dienstgütevereinbarungen (SLA) kann die Aktvierung, Leistungsüberwachung und Fehlerdiagnose von 5G verbessern.

    Zudem haben moderne Glasfaser-Tests mit der Einführung von 5G nichts an ihrer Bedeutung eingebüßt. So ist es beispielsweise möglich, zentrale Funkzugangsnetze (C-RAN) über Glasfaserkabelstrecken gemeinsam an den Standorten von Basisbandmodulen (BBU) in großer Entfernung zu den Antennen zu positionieren. Auch kann die C-RAN-Architektur helfen, die Funkressourcen in Echtzeit zu koordinieren.

  • 5G-Bereitstellungsphase 3: Sichern, Optimieren, Verwerten

    5G-Netzwerke bieten grenzenlose Möglichkeiten der finanziellen Verwertung (Monetarisierung). Zudem dreht sich bei 5G alles um eine Neustrukturierung von Geschäftsabläufen und nicht nur um die Neustrukturierung von Netzwerken. Abo-Gebühren für ultraschnelles Mobilfunk-Breitband, mobile HD-Videos, VR-Spiele und breitgefächerte IoT-Anwendungen stehen für einige wenige der neuen Umsatzströme.

    Alle diese Anwendungen erfordern jedoch eine herausragende Erlebnisqualität (QoE) des Kunden, um am Markt bestehen zu können. Eine Plattform zur Echtzeit-Datenerhebung, die über den gesamten Netzwerk-Lebenszyklus hinweg mit virtuellen Agenten verbunden ist, bietet eine effektive Möglichkeit, die Herausforderungen der 5G-Verkehrsdichte direkt zu bewältigen und dadurch die QoE dauerhaft zu sichern und zu optimieren.

5G Deployment Challenges

Beste Testverfahren für 5G

Obgleich das 3GPP-Projekt den vorläufigen Standard für 5G NR bereits veröffentlicht hat, gibt es noch viele Bereiche, die einer genaueren Abstimmung bedürfen. Das Release von 2017 hat sich mit dem Non-Standalone(NSA)-Modus befasst, wobei die einzelnen Spezifikationen des 5G Standalone (SA) Modus noch ausgearbeitet werden müssen, da bisher keine Einigkeit über die LTE-Abdeckung als Basistechnologie erzielt wurde.

Letztendlich ist die Standardisierung die Voraussetzung, um präzise 5G-Testmodelle zu entwickeln, die wiederum einheitlichere Testverfahren ermöglichen. Da der LTE-Standard heute weltweit anerkannt ist, sollte man bei den besten Testverfahren für 5G eine ähnliche Entwicklung zu erwarten.

Angesichts des sehr großen Frequenzbereichs und der bandbreitenintensiven Dienste der 5G-Technologie werden sich auch diese besten Testverfahren mit der Technologie, den Tools und den Anwendungen weiter entwickeln.

Vorbereitung auf die 5G-Revolution

Die technologischen Fortschritte, die 5G ermöglichen wird, galten einst als reine Science-Fiction. Selbstfahrende Autos, VR-Spiele, die „Smart City“ und das IoT sind nur einige wenige der futuristischen Innovationen, die bereits einen großen Vorsprung haben, da sie auf die große Bandbreite und die kurzen Latenzzeiten von 5G vorbereitet sind. Wie bei allen funktionellen Verbesserungen wird das grenzenlose Potenzial von 5G eine große Kreativität freisetzen und einen kontinuierlichen Strom neuer Anwendungen zur Folge haben.

Aufgrund der hohen Frequenzen von 5G werden die ersten Bereitstellungen vielleicht nur lokal begrenzt an Orten erfolgen, an denen massive physische Hindernisse vermieden werden können. 5G-Sender werden näher am Boden als frühere Mobilfunkgenerationen installiert sein, sodass sich mehr Technik in Bodenhöhe befinden wird, um die Qualität der Daten sicherzustellen.

Mit der zunehmenden Verbreitung von 5G-Netzwerken und der sich abzeichnenden Formulierung der Anforderungen für den SA-Modus wird die Nachfrage nach innovativer und wirtschaftlicher Mess- und Prüftechnik für 5G weiter ansteigen. Diese leistungsstarken und doch vielseitigen Geräte werden die größte technologische Revolution des 21. Jahrhunderts im Hintergrund begleiten.


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Die Entwicklung von 5G: Neue Maßstäbe für Mobilfunknetze

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Dieses Webinar von IHS Markit untersucht das Leistungspotenzial aktueller Netzwerke und erläutert, warum 5G unverzichtbar ist, um die industriellen Herausforderungen zu bewältigen, an denen 4G scheitert.

Preparing Transport Networks for 5G

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Unser CTO erläutert, wie VIAVI den Weg zu 5G ebnet.

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Mit der Weiterentwicklung der Netzwerke zu LTE-Advanced und 5G reichen die bisher verwendeten Taktungs- und Synchronisationsverfahren möglichweise nicht mehr aus.

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