Bereitstellung von 5G-Netzen

Wegweisende und für 5G unverzichtbare Technologien, wie Massive MIMO, Network-Slicing, Beamforming und die Virtualisierung der Netzfunktionen (NFV), erfordern ein stufenweises Konzept der Bereitstellung von 5G-Netzen. Und sie erfordern ebenfalls erhebliche Investitionen: So wird davon ausgegangen, dass die Betreiber von Telekommunikationsnetzen im Verlauf der kommenden zehn Jahre mehr als 1 Billion US-Dollar für die Bereitstellung neuer 5G-Netze ausgeben werden. Um diese große Aufgabe bewältigen zu können, steht eine Vielzahl unterschiedlicher Strategien und Optionen zur Verfügung, von denen jede ganz spezifische Vorteile, aber auch Herausforderungen in Hinblick auf die 5G-Technologie und den Zugang zu höheren Datenraten mit sich bringt.

Das Leistungsversprechen von 5G hat den Schritt von der Theorie in die Praxis gewagt. Die nächste Generation der Mobilfunktechnologie, die seit nahezu einem Jahrzehnt geplant und entwickelt wird, hat den eingeschränkten Betrieb aufgenommen. 5G wird letztendlich höhere Übertragungsraten, kürzere Latenzzeiten und bessere Dienste ermöglichen. Die grundlegend neue Architektur, die für diesen Wandel benötigt wird, ist sowohl komplex als auch vielschichtig. 

Optionen zur Bereitstellung von 5G 

Im Verlauf des ersten neuen 5G-Bereitstellungszyklus haben die Netzbetreiber und Branchenspezialisten die sich abzeichnenden Trends geprüft. Gemeinsam gelangten sie zu der Schlussfolgerung, dass es notwendig wäre, die standardisierte Bereitstellung der 5G-Netze und -Dienste zu beschleunigen. Im März 2017 haben sich daher 45 große Anbieter der LTE-Mobilfunkbranche zusammengesetzt, um unter dem Titel „Way Forward on the Overall 5G-NR eMBB Workplan“ einen Plan zur Bereitstellung von 5G auszuarbeiten. Diese Koalition einigte sich darauf, die Einführung von 5G durch die Erprobung und Installation von nicht eigenständigen (Non-Standalone, NSA) 5G-Netzen zu fördern.

5G NR

Einige Monate danach hat das 3GPP-Projekt seine NSA-Spezifikation für die New-Radio(NR)-Technologie veröffentlicht. Dieses Konzept hatte zum Ziel, auf Grundlage der bereits vorhandenen 4G-/LTE-Netzinfrastruktur die ersten 5G-Netze in Betrieb zu nehmen. Mit dieser innovativen Option hat sich die Anzahl potenzieller 5G-Installationsszenarien deutlich vergrößert.

Allerdings ist die Entscheidung zwischen eigenständiger (Standalone, SA) und nicht eigenständiger (Non-Standalone, NSA) Installation nur eine von vielen Variablen, die bei der Ausarbeitung eines 5G-Bereitstellungsplans zu berücksichtigen sind.

Weitere wichtige Aspekte sind die Integration der Virtualisierungselemente und die Verlegung der Rechenleistung an den Netzrand (Edge Computing), sowie die Konfiguration von Fronthaul und Backhaul. Darüber hinaus stellen die Positionierung von Kleinzellen (Small Cells), die MIMO-Anwendung sowie die Zuweisung des Frequenzspektrums für jede einzelne 5G-NR-Installation ganz spezifische Anforderungen. Dieser hohe Grad der individuellen Anpassung setzt skalierbare, präzise und effiziente Testlösungen voraus, die die verfügbaren 5G-Bereitstellungsmodelle unterstützen.

5G-Bereitstellungsoptionen des 3GPP-Projekts

Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) hat mehrere Optionen zur Bereitstellung von 5G-Netzen nach dem SA- und NSA-Konzept definiert. Im Dezember 2017 wurde Release 15 der 5G-Spezifikation veröffentlicht. Dieses Release konzentrierte sich hauptsächlich auf die NSA-Optionen. Die erste SA-Spezifikation folgte im Juni 2018.

Bei der 5G-Bereitstellungsoption 1 handelt es sich einfach um das bestehende LTE mit einem Evolved Packet Core (EPC) als Kernnetz. Bei Option 2 kommuniziert New Radio (NR) bereits ohne LTE mit dem 5G-Kernnetz. Diese Standalone-Option setzt voraus, dass das Versorgungsgebiet durchgängig vom 5G-NR-Netz abgedeckt wird. Die 3GPP-Optionen 4, 5 und 7 kombinieren die vorhandene LTE-Infrastruktur mit neuen 5G-Leistungsmerkmalen. Diese Dual Connectivity (DC) ist eine effektive Möglichkeit, die besten Eigenschaften sowohl von 5G als auch von LTE zu nutzen und die Bereitstellung von 5G zu beschleunigen.

Release 15 der 3GPP-Spezifikation legte auch fest, wie die 5G-Signale zu senden und zu empfangen sind. Hier ging es insbesondere darum, eine große Bandbreite sowie eine hochzuverlässige, latenzarme Kommunikation (uRLLC) zu gewährleisten. Diese Ziele werden von den mit 5G gemachten Fortschritten, wie dem größeren Frequenzabstand der Unterträger (Sub-Carrier Spacing, SCS) und einem schnelleren Switching, gefördert. Die in Release 15 definierten Downlink-Signalformen berücksichtigten weiter das orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) von LTE. Zur besseren Flexibilität wurde OFDM im Uplink jedoch um die diskrete Fourier-Transformation (DFT) erweitert. 

Release 16 der 5G-Spezifikation des 3GPP-Projekts wurde im Juli 2020 verabschiedet. Als neue Themen wurden die 5G-Bereitstellung in nichtlizenzierten Spektrumbändern, das industrielle Internet der Dinge (IoT) und die 5G-Anbindung über Satellit behandelt. Ein weiterer Schwerpunkt von Release 16 war die Steigerung der Effizienz. Das Wakeup Signal (WUS), eDual Connectivity und weitere Innovationen haben den Stromverbrauch von 5G insgesamt verringert.

Die für Sommer 2022 erwartete Veröffentlichung von Release 17 wird neue Anwendungsfälle und Funktionen für das Network-Slicing, den NR-Betrieb bei Frequenzen ab 52,6 GHz sowie ein moderneres IoT mit uRLLC definieren. Auch wird sich das neue 3GPP-Release auf die Verbesserung der Massive-MIMO-Antennentechnologie, das integrierte Zugangs- und Backhaul-Netz (Integrated Access and Backhaul, IAB) sowie auf die Kommunikation zur Gewährleistung der öffentlichen Sicherheit, die die Erfahrungen berücksichtigt, die mit den bisherigen Installationen in diesem Bereich gemacht wurden, konzentrieren.

Option 3X zur 5G-Bereitstellung

Option 3 für die NSA-Installation von 5G umfasst die drei Versionen 3, 3A und 3X. Jede einzelne Variante nutzt die LTE-Basisstation zur Signalisierung, definiert aber geringfügig unterschiedliche Verkehrsprotokolle zwischen den Elementen. Bisher ist Option 3X am weitesten verbreitet, da die Nutzerdaten direkt in den 5G gNodeB (gNB) der Basisstation geleitet werden, was höhere Datenraten ermöglicht. Darüber hinaus gewährleistet Option 3X bei höheren Frequenzen eine robustere Netzabdeckung, sodass beim Netzübergang von LTE zu 5G praktisch keine Unterbrechungen mehr auftreten.

Fünf Schlüssel für erfolgreiche 5G-Installationen

Der Schlüssel für eine erfolgreiche Bereitstellung von 5G-Netzen besteht darin, die besten traditionellen Vorgehensweisen auf die neuen wegweisenden Technologien anzuwenden, bei denen sich 5G von den vorhergehenden Mobilfunkgenerationen unterscheidet. Dieses Grundprinzip bezieht sich auf mehrere Bereiche der Architektur, Technologie und Leistung von 5G-Netzen.

5G New Site

  1. Zertifizierung aller Glasfaseranschlüsse und Validierung der Antennenausrichtung:
    Die Bedeutung sauberer Glasfaseranschlüsse steigt durch die um ein Vielfaches größere Anzahl von Antennenanschlüssen für die Massive-MIMO-Technologie von 5G. Allerdings muss diese Gründlichkeit auch für die Installation der Koaxialkabel im Frequenzband FR1 (Sub-6-GHz) gelten. Eine Überschreitung des Dämpfungsbudgets kann direkt die Übertragungsleistung beeinträchtigen und die Inbetriebnahme verzögern. Die Ausrichtung der Antenne mit Überprüfung der Schräglage (Tilt) stellt gute Ausgangswerte zur Verfügung, um die Leistung und Netzabdeckung der 5G-Basisstation zu optimieren.
  2. Kontrolle der Trägerfrequenz, des SSB-Frequenzabstands und des Unterträger-Abstands:
    Der Synchronisierungssignalblock (SSB) von 5G, der mit dem LTE-Referenzsignal vergleichbar ist, wird verwendet, um eine Zelle zu identifizieren und mit dem spezifischen Endgerät (User Equipment, UE) zu synchronisieren. Jeder SSB ist anhand einer eindeutigen Nummer, dem SSB-Index, identifizierbar. Das UE meldet sich über den Beam, der den SSB-Index mit der größten erkannten Signalstärke besitzt, im Netz an. Daher spielt die Überprüfung der SSB-Funktion bei der Bereitstellung und Inbetriebnahme von 5G-Netzen eine kritische Rolle. Ebenfalls getestet werden sollten die Leistungsparameter und der Frequenzabstand der einzelnen Unterträger.
  3. Überprüfung des Vorliegens aller Träger und ihrer PCIs:
    Zur Bereitstellung robuster 5G-Netze sollten die Signale der einzelnen Träger sowie deren physische Zellenkennung (Physical Cell ID, PCI) kontrolliert werden. Um die Datenrate pro Benutzer zu erhöhen, verwendet 5G die Trägerbündelung (Carrier Aggregation, CA), bei der einem Trägerkanal mehrere Frequenzblöcke, die als Komponententräger (Component Carrier) bezeichnet werden, zugewiesen werden. Die bessere Auslastung durch die CA ist ein weiterer wichtiger Vorteil, der es erlaubt, die Bandbreite und der Vielfalt der Anwendungsfälle von 5G zu vergrößern. 
  4. Prüfung der Beam-Kennungen aller Träger:
    In LTE-Netzen lässt sich die Abdeckung pauschal nach Sektoren bewerten. Bei der 5G-NR-Technologie verhält sich allerdings jede einzelne von der Antenne abgestrahlte Sendekeule (Beam) wie ein separates Versorgungsgebiet. Dieses beamorientierte Konzept von 5G unterstreicht die Bedeutung einer speziellen Beam-Index-Analyse im Rahmen der Bereitstellung von 5G-Netzen.
  5. Prüfung der Reichweite der 5G-Basisstation:
    Um die für das 5G-Netz geplante Reichweite sicherzustellen, ist es erforderlich, die Netzabdeckung präzise auf einer Karte abzubilden, um den Beam-Index, die Leistung und den Signal-Rausch-Abstand (SNR) des ausgewählten Gebiets zu ermitteln. Insbesondere in Gebieten, in denen sich die Versorgungsbereiche von 5G und LTE überlappen, ist diese beste Vorgehensweise bei der Bereitstellung von 5G-Netzen aber nicht immer einfach umzusetzen. Das Dynamic Spectrum Sharing (DSS) ermöglicht den parallelen Betrieb von 5G und LTE im gleichen Frequenzbereich, um eine lückenlose Netzabdeckung und schnellere Bereitstellung von 5G zu erreichen. Die besten 5G-Tester mit Netzabdeckungskarte ermöglichen heute auch die Bewertung der Reichweite parallel genutzter LTE-/5G-Netze.

Herausforderungen bei der Bereitstellung von 5G

Angesichts der zahlreichen zur Verfügung stehenden Optionen besteht die erste Herausforderung bereits darin, sich für das passende 5G-Konzept zu entscheiden. Wegweisende 5G-Mobilfunkplattformen setzen neue Maßstäbe für Entwicklung, Produktion und Testfunktionen. Die Virtualisierung der Netzfunktionen (NFV) ist eine Voraussetzung für das Network-Slicing im Kernnetz (Core), die Verlagerung von Rechenleistung an den Netzrand (Edge Computing) sowie für weitere wichtige 5G-Signalfunktionen. Diese Technologien ermöglichen das Internet der Dinge (IoT) und Dienste auf Grundlage der künstlichen Intelligenz (KI). Standardisierung, Sicherheit und die Bereitstellung der für die virtuellen Funktionen benötigten Prozessorleistung sind nur einige wenige der zahlreichen Herausforderungen, die NFV-Entwickler zu bewältigen haben.

5G Deployment Challenges
 

Die Nutzung von Wellenlängen im Millimeterbereich (mmWave) ist ein weiteres Leistungsmerkmal von 5G, das in technischer und logistischer Hinsicht Probleme bereiten kann. Da das Signal bei diesen Wellenlängen nur eine begrenzte Reichweite hat und auch keine Gebäuden durchdringen kann, wird eine so große Anzahl von Antennen benötigt, dass man dieses Problem nur schrittweise lösen kann.

Die in (Bit/s)/Hz gemessene spektrale Effizienz ist aktuell durch das Shannon-Gesetz, das die maximale Übertragungsrate definiert, mit der Daten fehlerfrei über ein Medium übertragen werden können, begrenzt. Dieser theoretische Maximalwert liegt jedoch weiter unter dem Wert, der für die Bereitstellung von 5G erwartet und benötigt wird. Daher werden Massive MIMO und Beamforming mit Nutzung großer Gruppenantennen (Array) benötigt, um diese natürliche Grenze effektiv zu umgehen und in 5G-Netzen höhere Datenraten zu erreichen.

Antennen für 5G

 

mmWave und Massive MIMO bieten gemeinsam die Grundlage für eine erfolgreiche Bereitstellung von 5G-Netzen. Während höhere Frequenzen mehr Antennen erfordern, ermöglichen sie aufgrund der kürzeren Wellenlängen auch, die Abmessungen der Antennen selbst deutlich zu verringern. Die Installation und korrekte Ausrichtung dieser komplexen Gruppenantennen ist aber nicht einfach. 

5G-Antennenintegratoren, die ganz oben am Funkmast arbeiten, überprüfen die Konfiguration des Arrays und vergleichen die Werte mit den HF-Spezifikationen der Antennenplanung. Wenn diese Überprüfung nicht korrekt ausgeführt wird, können Funklöcher und eine mangelhafte Dienstgüte die Folge sein. Allerdings werden diese Probleme zuweilen auf eine unzureichend ausgebaute Infrastruktur der Basisstation zurückgeführt, was eine teure Fehldiagnose ist.

Daher sind zuverlässige Lösungen zur stets korrekten Ausrichtung der 5G-Antenne unverzichtbar. Der Antennenausrichter 3Z RF Vision von VIAVI erkennt Hindernisse im Übertragungspfad der Antenne und überprüft die Einstellungen für den Roll-, Neigungs- und Azimutwinkel. Mithilfe der integrierten Kamera und von Augmented-Reality(AR)-Funktionen ist es möglich, die Sichtlinie (Line-of-Sight, LOS) automatisch zu vermessen und Hindernisse zu erkennen.

 

Die Luftschnittstelle von 5G

Die Luftschnittstelle (OTA) von 5G wird nicht nur bei höheren Frequenzen betrieben, sondern setzt auch verstärkt auf das Spectrum Sharing. Flexible Unterträger-Abstände und Signalformen sowie das dynamische Zeitduplexverfahren (TDD) sind neue Elemente der 5G-Luftschnittstelle. TDD nutzt für die Übertragung im Uplink und Downlink die gleiche Frequenz, die aber in separate Zeitschlitze (Time Slot) aufgeteilt wird. Dieses Verfahren ist mit einer Verkehrsregelung vergleichbar, bei der Richtungsfahrbahnen zur Hauptverkehrszeit in Abhängigkeit von der Fahrzeugdichte abwechselnd geöffnet und geschlossen werden. TDD erlaubt, den Uplink- und Downlink-Verkehr intelligent anzupassen, um die Latenzzeit des Systems zu verringern.

Allerdings stellen die innovativen Leistungsmerkmale der 5G-Luftschnittstelle auch höhere Anforderungen an die Installation und an die Testausführung. Traditionelle Tests, wie Gated-Sweep-Messungen, können nur eine einzige Verkehrsrichtung bewerten. Insbesondere bei Verwendung des TDD-Verfahrens ist jedoch eine größere Sichtbarkeit erforderlich, um echte Signale von Interferenzen unterscheiden zu können. Die innovativen Echtzeit-Spektrumanalysatoren von VIAVI bieten erweiterte 5G-kompatible Optionen. Dazu zählen das Persistenz-Spektrum (Nachleuchtspektrum) sowie Spektrogramm-Funktionen, die detailliertere Einblicke in das überwachte Frequenzband vermitteln.

Beamforming für 5G

Die effektive Kombination von Massive MIMO, Beamforming und räumlichem Multiplex erlaubt, die Netzabdeckung von 5G zu optimieren. Das nur bei 5G-Netzen eingesetzte Beamforming wird genutzt, um das Mobilfunksignal direkt auf ein spezifisches Empfangsgerät auszurichten. Durch kreatives Zusammenfassen mehrerer Signale verbessern sich die Bandbreite und Reichweite. Ein korrektes Beamforming ist unverzichtbar, um die Netzabdeckung, insbesondere im Frequenzband FR2 (24,25–52,6 GHz), zu verbessern. Allerdings stellt das Beamforming auch neue Herausforderungen an die Überwachung, Wartung und Validierung der Antennen. 

Beamforming Basics

Die konstruktive Interferenz beschreibt die sich verstärkende Überlagerung von Wellen, die genutzt wird, um die 5G-Netzabdeckung im FR2-Band zu verbessern, indem man Signale der einzelnen Antennenelemente systematisch übereinanderlegt. Beim Beamforming werden die Phase und Amplitude jeder einzelnen Antenne optimiert, um einen insgesamt viel höheren Gewinn in der spezifischen Senderichtung zu erzielen. Die 3GPP-Standards erlauben eine gewisse Flexibilität bei der Umsetzung der Beamforming-Funktion und der Position des Signalsynchronisierungsblocks (SSB) Allerdings erhöht die in diesem Bereich fehlende Standardisierung auch die Anforderungen an die Formulierung bester Vorgehensweisen für das Testen des 5G-Beamforming. 

Lesen Sie den Blog 5G Beamforming Profile Rx von VIAVI zur präzisen SSB-Konfiguration beim 5G-Beamforming.
 

Das mittlere Frequenzband von 5G

Millimeter-Wellenlängen befinden sich im Frequenzspektrum von 30 GHz bis 300 GHz. Das untere Frequenzspektrum (Low-Band) beginnt bei unter 1 GHz. Zwischen diesen beiden Endpunkten liegen die mittleren Frequenzbänder (Mid-Band) von 1 GHz bis 2,6 GHz und 3,5 GHz bis 6 GHz. Obwohl der Schwerpunkt auf dem 5G-mmWave-Band liegt, spielen das Low-Band- und Mid-Band-Spektrum ebenfalls eine wichtige Rolle, um die Kapazität und Zuverlässigkeit von 5G zu gewährleisten. Aufgrund der sehr hohen Frequenz ist das mmWave-Band anfälliger für Signalverzerrungen und die Reichweite ist auch geringer. Da aber ein breites Frequenzspektrum zur Verfügung steht, lassen sich diese Probleme durch DSS und adaptives Beam-Switching (ABS) beheben. Beispielsweise ist es möglich, für ein Endgerät (UE) so lange eine stabilere aber niedrigere Frequenz zu nutzen, bis auch wieder bei einer höheren Frequenz eine robuste Verbindung aufgebaut werden kann. 

Bedingt durch seine große Reichweite und die Immunität gegenüber Signalverzerrungen hat das Low-Band-Spektrum für mehrere Generationen der Mobilfunk-Infrastruktur eine zuverlässige Grundlage geboten. Da die niedrige Frequenz aber auch eine geringere Datenrate und größere Latenz zur Folge hat, spielt dieses Band in Zeiten von 5G nur eine untergeordnete Rolle. 

Daher wird das Mid-Band von 5G zuweilen als das Spektrum angesehen, das genau den richtigen Kompromiss zwischen der hohen Datenrate der Millimeter-Wellenlängen und der großen Signalintegrität und Reichweite der Low-Band-Frequenzen bietet. Das gilt insbesondere für das C-Band im Bereich von 3,7 GHz bis 3,98 GHz.

Das Mid-Band übt eine solche Anziehungskraft auf die Netzbetreiber aus, dass einige von ihnen bereits 3G-Bänder für 5G umwidmen („Refarming“). 2020 hat die US-amerikanische Federal Communications Commission (FCC) zudem 280 MHz des C-Band-Spektrums an die Privatwirtschaft versteigert. Diese Maßnahmen werden dazu beitragen, mehr Mid-Band-Spektrum für einen nachhaltigen 5G-Ausbau zur Verfügung zu stellen.

Bereitstellung von 5G-Netzen

Im Unterschied zu früheren Mobilfunk-Architekturen steht 5G für eine kontinuierliche Weiterentwicklung vorhandener Netze und nicht für deren pauschalen Ersatz. Bei der Installation von LTE hatte diese „Alles oder Nichts“-Herangehensweise die Rendite vieler Netzbetreiber geschmälert. Die schrittweise Bereitstellung der 5G-Netze, bei der 5G-Elemente auf der Architektur der Vorgängergeneration aufsetzen, wird als intelligentes Konzept angesehen, um den Investitionsaufwand und das finanzielle Risiko zu verringern. 

Die servicebasierte 5G-Architektur (SBA) und das Network-Slicing im Kernnetz stärken vorhandene Anwendungsfälle und schaffen gleichzeitig neue Möglichkeiten. Die Bereitstellungsoptionen von 5G sind von den Geschäftsanforderungen und den Präferenzen des Netzbetreibers abhängig. 

Es wird davon ausgegangen, dass „enhanced Mobile Broadband“ (eMBB) kurzfristig das am häufigsten genutzte Anwendungsprofil von 5G sein wird. Netzbetreiber, die die Vorteile der „massive Machine-Type Communication“ (mMTC) oder „ultra-Low Latency Communication“ (uRLLC) für sich nutzen möchten, passen ihre 5G-Bereitstellungsstrategien entsprechend an. Außerdem ist das Bereitstellungsmodell von der Verdichtung und der Reichweite der geplanten Anwendungsfälle sowie von dem Spektrum abhängig, das jedem einzelnen Netz zugewiesen wird. 

5G für kommerzielle Anwendungen

Schätzungen zufolge wird die Anzahl der 5G-Teilnehmer bis Ende 2022 weltweit die Marke von 1 Milliarde erreichen, wobei bis dahin mehr als 1000 5G-Endgeräte auf dem Markt angeboten werden sollen. Die Anzahl neu eingeführter 5G-Netze steigt weltweit weiter an. Gleichzeitig erhöht sich der Anteil der über 5G aufgebauten Verbindungen. Bis 2023 wird dieser Wert in Nordamerika die 50-%-Marke überschreiten. Diese jährlichen Steigerungsraten sind ein deutlicher Ausdruck des starken Wettbewerbs zwischen den kommerziellen Netzbetreibern, die auf den 5G-Markt drängen. Mit der Veröffentlichung von Release 17 der 5G-Spezifikation des 3GPP-Projekts sollte sich dieses Tempo weiter erhöhen.

Ähnlich wie die branchenweite Kooperation zur Standardisierung der 5G-Architektur ist eine fortgesetzte Zusammenarbeit zwischen den Netzbetreibern, den Herstellern von Chipsets, Infrastruktur-Komponenten und Endgeräten sowie den Regulierungsbehörden erforderlich, um den Erfolg kommerzieller 5G-Netze zu sichern. Angesichts der breiten Palette von Anwendungsfällen für 5G-Dienste gehören weitere Branchen, wie Automobil (einschließlich selbstfahrender Fahrzeuge), Medizinprodukte, Landwirtschaft und Luft- und Raumfahrt zu der wachsenden Koalition von Interessenten. 

Das O-RAN im 5G-Netz

Die Open-RAN-Architektur (O-RAN) des offenen Funkzugangsnetzes (RAN) hat einen Weg zur Standardisierung, Weiterentwicklung und Anwendungsvielfalt von 5G aufgezeigt. Das O-RAN-Konzept basiert auf der Interoperabilität der 5G-RAN-Elemente, einschließlich von White-Box-Hardware und Open-Source-Software. Dieser Übergang vom herstellerabhängigen RAN-Modell zum offenen RAN fördert den Wettbewerb, die Effizienz und Innovationen im 5G-New-Radio(NR)-Netz.

Die O-RAN ALLIANCE wurde 2018 von einer Gruppe von Netzbetreibern mit dem Ziel gegründet, für 5G eine offenere RAN-Infrastruktur zu schaffen. Dabei hat sie es sich zum Prinzip gemacht, sowohl auf Ebene der Komponenten als auch des Netzes insgesamt, intelligente Funktionen einzubetten. Das O-RAN fördert die 5G-Bereitstellung, da die Netzbetreiber in die Lage versetzt werden, disaggregierte und herstellerunabhängige Lösungen zu entwickeln. Auch wird die Einstiegsbarriere für neue 5G-NR-Innovatoren gesenkt und die Time-To-Market (TTM) verkürzt.

Private 5G-Netze

Die wachsende Nachfrage nach 5G-Privatnetzen ist ein wichtiger Gegenpol zum stärkeren Ausbau kommerzieller 5G-Netze. Das vom 3GPP-Projekt als nichtöffentliches Netz (Non-Public Network, NPN) bezeichnete private 5G-Netz ist nur für die Nutzung durch ein Privatunternehmen oder eine Behörde vorgesehen. Private 5G-Netze sind im Prinzip die lokalen Netze (LAN) der nächsten Generation. 

Mit einer Latenz von weniger als 1 Millisekunde, einem extrem hohen Durchsatz und einer Verfügbarkeit von 99,9999 % bieten private 5G-Netze gegenüber Ethernet-LAN oder LTE-Privatnetzen eindeutige Vorteile. Dazu zählen eine 10-mal höhere Gerätedichte als bei LTE sowie verbesserte Sicherheitsprotokolle. Angesichts dieser beeindruckenden Leistungsmerkmale sind private 5G-Netze ideal für die Kommunikation in den Bereichen Smart Manufacturing (Industrie 4.0), Gesundheitswesen, Internet der Dinge (IoT) und öffentliche Sicherheit geeignet.

Die Bereitstellung privater 5G-Netze kann als eigenständige Implementierung oder in Verbindung mit dem Funkzugangsnetz (RAN) und dem Kernnetz (Core) eines kommerziellen Netzes erfolgen. Unternehmen, die private 5G-Netze installieren möchten, könnten sich in Abhängigkeit von ihrer Größe und den Ressourcen für eine oder auch für beide Optionen entscheiden. Viele 5G-Installationen in Unternehmen sollen vorhandene private WLAN-Netze ersetzen oder stärken.

5G-Netze und Glasfaser

Auch wenn in Zusammenhang mit 5G zumeist von der Mobilfunktechnologie die Rede ist, verdient die Glasfaser als Übertragungsmedium die gleiche Aufmerksamkeit. Trotz der Fortschritte, die mit der IAB-Technologie gemacht wurden, um Teile des verfügbaren mmWave-Spektrums für den Backhaul zu nutzen, wird ein hoher Prozentsatz des 5G-Backhaul-Netzes weiter auf Glasfaserkabel basieren. Die Verbindung zwischen dem Kernnetz der nächsten Generation (NGC) und den aktiven NR-Antennen wird ebenfalls über Glasfaser hergestellt.

Angesichts der großen Anzahl von Anschlüssen, die für 5G-Fronthaul- und 5G-Midhaul-Anwendungen benötigt werden, hat sich die PON-Architektur als praktische Option bewährt. Schließlich lässt sich ein passives optisches Netz (PON) mühelos skalieren, um sich an steigende Durchsatzanforderungen anzupassen. Da alle Glasfaser- und PON-Anschlüsse überprüft werden müssen, sind moderne Glasfaser-Testlösungen für die saubere Installation der optischen Übertragungsstrecken auch bei 5G-Netzen unverzichtbar.


PON Architecture

Bereits ein Staubteilchen mit einer Größe von nur einem Tausendstel Millimeter kann dazu führen, dass die Installation des Netzes nicht abgeschlossen werden kann, weil die Funkeinheit kein ausreichendes Signal erhält. Weitere vermeidbare und häufige Installationsfehler sind lockere Steckverbindungen, vertauschte RX-/TX-Fasern sowie der Ausfall des Funksystems. Jedes einzelne dieser Probleme hat möglicherweise Funklöcher, einen mangelhaften Durchsatz und letztendlich unzufriedene Kunden zur Folge.

Hier kann eine VFL-Rotlichtquelle eine große Hilfe sein und bei einem Signalausfall mühelos Fehlerstellen aufzeigen. Die gründliche Überprüfung der optischen Leistungspegel sowie detaillierte Dämpfungsmessungen mit einem OTDR tragen dazu bei, dass Installationsprobleme bei Glasfasern unverzüglich erkannt und behoben werden, sodass die 5G-Basisstation termingerecht in Betrieb genommen werden kann.

 

Testlösungen zur Bereitstellung von 5G-Netzen

5G stellt an alle Elemente der Mobilfunkinfrastruktur, darunter an das Management von Glasfaserkabeln, Funkzugangsnetz (RAN), Transportnetz und Ressourcen, neue Anforderungen. Heute erfordert jede Bereitstellungsphase von 5G spezielle Testlösungen, um die fehlerfreie Installation zu gewährleisten. Zu diesem Zweck haben die Netzbetreiber spezielle Vorgehensweisen ausgearbeitet. Den größten Erfolg bieten häufig umfassendere Glasfasertests mit OTA-Verifizierung, Beam-Analyse sowie Reichweiten- und Durchsatzmessungen, denn eine einzige mangelhafte Basisstation kann bereits die Einführung des gesamten Netzes ernsthaft verzögern.

 

In der Phase der Verifizierung und Validierung neuer 5G-Netzelemente können Testlösungen, die in der Lage sind, das Verhalten des 5G-Kernnetzes und der Nutzer im Labor praxisgerecht zu simulieren, dabei helfen, noch vor der Aktivierung der 5G-Signale die Einhaltung der 3GPP-Spezifikationen und der Dienstgüte sicherzustellen. Der Netzwerktester TM500 erlaubt dem Techniker, das Nutzererlebnis im 5G-Netz vollständig einzuschätzen. Darin eingeschlossen sind simulierte Wechselwirkungen mit anderen Nutzern und typisches Geräteverhalten, wie das Absenden von E-Mails und Streaming-Prozesse auf Mobilgeräten. Auch unterstützt der TM500 eine große Anzahl von Endgeräten (UE) pro Zelle/Träger, um die verfügbare Kapazität zu bewerten.

In der Phase der Bereitstellung, Aktivierung und Skalierung der Technologie erfordern das Frequenzspektrum und die Interferenz der 5G-Signale im mmWave-Band eine präzise und zuverlässige HF-Charakterisierung und -Konformitätsprüfung. Die portable Testlösung CellAdvisor 5G kombiniert die Echtzeit-Spektrum- und Interferenzanalyse mit der 5G-Beam-Analyse. Damit bietet sich dieser Tester für die Validierung der Leistung der Massive-MIMO-Technologie und der von der Antenne abgestrahlten Sendekeule (Beam) an. Zudem erlaubt der CellAdvisor 5G, Glasfasern zu testen und Faserendflächen zu prüfen, was seine Vielseitigkeit für die Bereitstellung von 5G-Netzen weiter erhöht. 

CellAdvisor 5G

Auch in der Phase der Betriebssicherung (Assurance), Optimierung und Monetarisierung spielen Tests weiterhin eine wichtige Rolle. Nach der Inbetriebnahme der Netze muss insbesondere die Erlebnisqualität (QoE) der Nutzer gewährleistet werden. Moderne Anwendungen, wie IoT und autonomes Fahren, schaffen zwar attraktive Möglichkeiten der finanziellen Verwertung (Monetarisierung), lassen aber sehr wenig Spielraum für Fehler. Daher sind skalierbare Plattformen zur Echtzeit-Datenerhebung, wie NITRO Mobile, unverzichtbar für das Erfassen, Lokalisieren und Analysieren mobiler Ereignisse, um aussagekräftige Einblicke in das Nutzererlebnis zu gewinnen.

Gelegentlich wird die Bereitstellung von 5G auch als Merkmal der „sechsten technologischen Revolution“ bezeichnet. Damit würde man die Entwicklung der 5G-Technologie von der Bedeutung her mit der Dampfkraft, dem Fließband oder dem Computer gleichsetzen. 

Dieser historische Wert, den die Einführung von 5G hiermit erhält, hat eine rasante Weiterentwicklung der Infrastruktur sowie einen Paradigmenwechsel eingeleitet. Viele der weltweit besten Ingenieure und Wissenschaftler zählen zu den wichtigsten Befürwortern dieses Wandels. Infrastruktur-Experten sind sich bewusst, dass die breite Palette von Anwendungsfällen sowohl eine umfassende Standardisierung als auch eine hohe Flexibilität erfordern, die möglicherweise nur schwer parallel zu realisieren sind. Die besten 5G-Tester, die die neuen Infrastruktur-Spezifikationen berücksichtigen und eine große funktionale Vielseitigkeit bieten, sind und bleiben unverzichtbare Komponenten für den weiteren Ausbau der 5G-Netze.

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