5G-Netzwerkarchitektur
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.
Bei 5G handelt es sich also um ein dynamisches, kohärentes und 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.
Die 5G-Architektur im 3GPP-Projekt
Die Dienste werden den berechtigten Netzfunktionen über einen gemeinsamen Rahmen (Framework) zur Verfügung gestellt. Weitere Entwurfskriterien für die 5G-Netzwerkarchitektur, 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) sind mehrere Frequenzbereiche reserviert werden. 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 sind der 5G-Technologie in mehreren Regionen der Welt zugewiesen worden.
- Neben den Millimeter-Wellenlängen sind auch bisher kaum genutzte UHF-Frequenzen im Bereich von 300 MHz bis 3 GHz sowie Frequenzen im C-Band von 3,7 bis 3,98 GHz neu für 5G vorgesehen.
- Diese vielfältigen Frequenzen können an die Anforderungen der jeweils gewünschten Anwendung angepasst werden. Höhere Frequenzen bieten eine größere Bandbreite bei kürzerer Reichweite.
Die Millimeterwellen-Frequenzen eignen sich ideal für dicht besiedelte Gebiete, sind für die Langstreckenkommunikation jedoch unpraktisch.
Innerhalb der für 5G vorgesehenen Frequenzbereiche haben die Netzbetreiber begonnen, ihre eigenen Teile des 5G-Spektrums zu belegen.
MEC
Das Multi-Access Edge Computing (MEC), also die Verarbeitung der Daten im Mehrfachzugriff am Netzrand (Edge), ist eine wichtige Komponente der 5G-Architektur. Hierbei handelt es sich um einen Ableger des Cloud-Computing, der die Anwendungen weg von zentralen Rechenzentren hin zum Netzrand und näher zum Endnutzer und zu dessen Geräten verlagert. Damit verkürzt sich praktisch die Übermittlung der Inhalte (Content) zwischen Nutzer und Host und der lange Netzwerkpfad, 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.
- Das MEC gewährleistet den latenzarmen Echtzeitzugang hoher Bandbreite zu den RAN-Daten, worin sich die 5G-Architektur von den früheren Mobilfunkgenerationen unterscheidet.
- 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 Internets der Dinge (IoT) ist.
- Diese Annäherung von RAN- und Core-Netzen erfordert von den Netzbetreibern, neue Konzepte für das Testen und Validieren des Netzwerks zu nutzen.
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 das 5G-Ökosystem 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) wird durch die Aufgliederung (Disaggregation) des Netzes, wie sie von O-RAN und anderen Verbänden unterstützt wird, ermöglicht.Die Open-RAN-Architektur vereinfacht die anforderungsgerechte Bereitstellung neuer RAN-Funktionen und -Technologien, indem offene Schnittstellen und Open-Source-Entwicklungen gefördert werden. Diese Weiterentwicklung steigert die Flexibilität und schafft neue Möglichkeiten für den Wettbewerb.
Die O-RAN ALLIANCE verfolgt das Ziel, anbieterneutrale Installationen mit handelsüblicher Hardware zu ermöglichen, um die Interoperabilität zu verbessern. Auch erlaubt die Disaggregation des Netzes, mehr Komponenten zu virtualisieren, sodass das Nutzererlebnis bei einem weiteren Anstieg der Kapazität skaliert und verbessert werden kann. Das virtualisierte RAN ist unverzichtbar, um in dem sich rasant entwickelnden Ökosystem der IoT-Anwendungen die Kosten für die Hardware und Software unter Kontrolle zu halten.
eCPRI
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 sich schnell vervielfachenden Kosten nicht mehr wirtschaftlich. Die ursprünglich für 4G entwickelte CPRI-Schnittstelle war in vielen Fällen noch anbieterspezifisch und daher für die Netzbetreiber problematisch. Die eCPRI-Schnittstelle ist eine effizientere Lösung, da zum Testen mehrerer 5G-Träger weniger Schnittstellen verwendet werden können. eCPRI ist als Standardschnittstelle für Fronthaul-Elemente, wie die Distributed Unit (DU), im 5G O-RAN definiert worden.
Network-Slicing
Das Network-Slicing ist ein wichtiges Element, um das Leistungspotenzial der 5G-Architektur umfassend ausschöpfen zu können.
Diese Technologie erweitert die NFV um eine neue Dimension, da sie es erlaubt, mehrere logische Netze gleichzeitig auf einer gemeinsamen physischen Infrastruktur zu betreiben. Dieses Leistungsmerkmal unterstützt die 5G-Architektur durch Schaffung durchgehender (Ende-zu-Ende) virtueller Netzwerke, die sowohl Vernetzungs- als auch Speicherfunktionen umfassen.
- 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, bei denen es eine extrem große Anzahl von Nutzern geben kann, die insgesamt benötigte Bandbreite jedoch klein ist, deutliche Vorteile.
- Jeder vertikale 5G-Anwendungsfall stellt ganz eigene Anforderungen, sodass Network-Slicing ein wichtiges Entwurfskriterium für die 5G-Netzwerkarchitektur ist.
- Die Betriebskosten, das Ressourcen-Management und die Flexibilität der Netzkonfigurationen können mit Hilfe der spezifischen Anpassungsmöglichkeiten, die das Network-Slicing bietet, optimiert werden.
- Schnellere Probeläufe für potenzielle neue 5G-Dienste zu sowie eine schnellere Markteinführung werden ebenfalls durch das Network-Slicing ermöglicht.
Beamforming
Das Beamforming 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.
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 stark 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 anpassen oder neu zuweisen 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 (5G) erlaubt, schmalere Sendekeulen zu erzeugen, sodass ein hoher Durchsatz mit einer effektiveren Ausrichtung auf den einzelnen Nutzer erreicht wird.
5G-Core-Architektur
Die Architektur des 5G-Core-Netzwerks 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 mit virtualisierten Softwarefunktionen, die über die MEC-Infrastruktur, auf der die 5G-Architektur basiert, umgesetzt werden.
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 Millimeterwellen, Massive MIMO (5G), Network-Slicing und praktisch alle anderen Elemente des vielfältigen 5G-Ökosystems. Das 4G-Kernnetz, das als Evolved Packet Core (EPC) bezeichnet wird, unterscheidet sich wesentlich vom 5G-Kernnetz (Core), 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 Kernnetze von LTE als Basis, die um einen 5G-Komponententräger (Component Carrier, CC) erweitert werden. Obwohl der NSA-Modus auf eine bereits bestehende 4G-Architektur aufsetzt, erhöht sich die Bandbreite, da jetzt die Millimeterwellen-Frequenzen einbezogen sind.
Beim 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 nicht eigenständige Modus ermöglicht, alle neuen 5G-Mobilfunkarchitekturen schrittweise umzusetzen, stellen eine sorgfältige Planung und Implementierung sicher, dass für die Nutzer ein nahtloser Übergang gewährleistet ist.
Geografische Verteilung der Architekturen
Die neue Infrastruktur der 5G-Standalone(SA)-Netze erfordert eine schrittweise Integration der 5G-Netze in den geografischen Regionen. Technisch führende Regionen, wie Nordamerika, Asien und Europa, bauen 5G bereits in schnellem Tempo aus, während andere Länder weltweit dicht auf folgen. Nahezu 200 5G-Netze wurden weltweit bereits in Betrieb genommen. Schätzungen zufolge wird die Anzahl der 5G-Mobilfunkanschlüsse bis 2025 auf über 2 Milliarden ansteigen.
Da in Europa die Länder nah beieinander liegen und es sehr viele Netzbetreiber gibt, stellt die Bereitstellung von 5G dort größere Herausforderungen. Obgleich sich die Einführung gegenüber anderen Regionen verzögert, fordert die Europäische Kommission in ihrem Digital Compass, bis 2030 in allen bewohnten Gebieten 5G-Zugänge einzurichten.
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. Nach der Spektrum-Auktion vom August 2022 haben die vier größten Telekommunikationsanbieter Indiens begonnen, 5G-Dienste einzuführen, während China bis 2025 voraussichtlich 3,64 Millionen 5G-Basisstationen installiert haben wird.
Sicherheit der 5G-Architektur
Durch die Nutzung cloudbasierter Ressourcen, durch Virtualisierung, Network-Slicing und andere neue Technologien ermöglicht die Implementierung von 5G deutliche Leistungsvorteile und eine große Anwendungsvielfalt. Diese Veränderungen bergen jedoch auch neue Sicherheitsrisiken und bieten zusätzliche Angriffspunkte, die die 5G-Sicherheitsarchitektur verwundbar machen.
- 5G-Sicherheitsverfahren bauen auf früheren Mobilfunktechnologien auf. Dieses „Vertrauensmodell“ muss jetzt jedoch eine viel größere Anzahl von Akteuren, die ihre Dienste bereitstellen, berücksichtigen.
- 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.
- Verbesserte 5G-Sicherheitsfunktionen, die in den 3GPP-Sicherheitsstandards vorgesehen sind, betreffen die Unified Authentication, um die Authentifizierung von den Zugangspunkten zu entkoppeln, sowie auf öffentlichen Schlüsseln basierende Verschlüsselungsmethoden, die das Risiko des Ausspähens von Metadaten mit speziellen Softwareprogrammen („Exploits“) verringern.
- Die kontinuierliche Überwachung und Bewertung der Wirksamkeit der Sicherheitsmaßnahmen sind unverzichtbar, da die kritischen Leistungsknoten von 5G immer stärker virtualisiert werden.
- Beste Vorgehensweisen umfassen die Ende-zu-Ende-Überwachung (Monitoring) der 5G-Netzwerksicherheit, die die gesamte Systemarchitektur, alle Geräte und alle Anwendungen mit einschließt.
Zweifellos ermöglicht 5G die exponentielle Steigerung der Übertragungsraten, die die Nutzer mittlerweile von jeder neuen Mobilfunkgeneration erwarten. Jedoch ist die höhere Geschwindigkeit erst der Anfang. Die Auswirkungen auf die verschiedenen Branchen, angefangen bei der Personenbeförderung über die Produktion bis zur Landwirtschaft, sind dermaßen tiefgehend, 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 (5G) und eine Cloud-orientierte, Dienste-basierte 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.
Erfahren Sie mehr über 5G von VIAVI!
Sind Sie bereit, mit einem unserer Produkte oder Lösungen zum Testen von 5G den nächsten Schritt zu gehen?
Füllen Sie eines der folgenden Formulare aus, um: