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Dienste der nächsten Generation

Vorbereitung des Netzes auf 5G Advanced und darüber hinaus

25. September 2023, 11:00 Uhr | Autor: Jon Baldry / Redaktion: Diana Künstler

Die Geschwindigkeit der 5G-Einführung und die damit einhergehenden höheren Bandbreiten sind beeindruckend. Manch einer fragt sich jedoch, wo Neuerungen bleiben, die über einen schnelleren 4G-Dienst hinausgehen. Betreiber tun viel dafür, den Weg für die Dienste der nächsten Generation zu ebnen.

Der Artikel liefert unter anderem Antworten auf folgende Fragen:

Worauf sind „schnellere 4G"-Endnutzererfahrung zurückzuführen?
Wie haben sich 5G-Netze entwickelt?
Welche Release-Funktionen werden wann in kommerziell verfügbaren 5G-Netzlösungen in Erscheinung treten können?
Was beinhaltet die 3GPP-Spezifikation der Version 18, auch 5G-Advanced-Version genannt?
Wie lange wird es voraussichtlich dauern, bis ein Provider ein vollständiges 5G-Netz betreibt?
Wann wird es die erste 6G-Version geben?
Welche Arten von Netzaufrüstungen nehmen Betreiber schon heute vor, um das optische Transportnetz auf ein fortschrittlicheres 5G-Dienstangebot vorzubereiten?
Welche Gemeinsamkeiten sind bei sogenannten 5G-xHaul-Transportnetz-Upgrades zu beobachten?
Welche Transportoptionen stehen Netzbetreiber für optische Netzwerke zur Verfügung, um den heutigen Herausforderungen begegnen zu können?

5G hat in den letzten sechs Jahren viele Fortschritte erzielt, aber es ist auch klar, dass viele Endnutzer durch 5G eher verwirrt sind. Ursprünglich wurden weltverändernde Dienste wie Augmented-Reality-Spiele, Fernoperationen oder mit 5G verbundene Sensoren in unserer Kleidung versprochen, die uns frühzeitig vor drohenden Gesundheitsproblemen warnen. Doch bisher sind die Endnutzer zwar beeindruckt von der Geschwindigkeit der 5G-Einführung und den höheren Bandbreiten, die im Vergleich zu früheren 4G-Netzen erreicht werden, aber sie haben noch nicht wirklich etwas Neues gesehen, das über einen schnelleren 4G-Dienst hinausgeht.

Diese „schnellere 4G"-Endnutzererfahrung ist darauf zurückzuführen, dass die anfänglichen 5G-Dienste auf der NSA-Spezifikation (Non-Standalone) basierten, die Teil der anfänglichen 5G-Spezifikationen war, die vom 3GPP, der Organisation, die die globale Mobilfunknetzstandardisierung überwacht, entwickelt wurden. Diese 5G-NSA-Spezifikation war Teil von 3GPP Release 15 und ermöglichte Netzbetreibern einen schnellen Start mit 5G. Die ursprüngliche Rel-15-NSA-Spezifikation fügte den Netzarchitekturen neue 5G-Funkgeräte hinzu, behielt aber den bestehenden 4G-Kern, der die eigentlichen Dienstangebote verwaltet, und das bestehende Transportnetz bei.
Die anfängliche Einführung von 5G beinhaltete eine Menge Arbeit mit neuen 5G-Funk-/Zellstandorten und in einigen Regionen neue Frequenzen, um mehr Bandbreite für Endnutzer und eine höhere Gesamtnetzkapazität bereitzustellen. Im Wesentlichen sind 5G-NSA-Netze also nur in der Lage, schnellere 4G-Dienste und mehr Gesamtkapazität oder Nutzer im Netz zu bieten. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Netzbetreiber nicht damit beschäftigt waren, sich auf diese nächsten Schritte und fortschrittlichere Dienste vorzubereiten.

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Fortschritte bei 5G SA

Um zu verstehen, wie sich die 5G-Dienste entwickeln, muss man wissen, wo die Netzbetreiber bei der Migration zur vollständigen 5G-Standalone-Version (SA) der Rel-15-Spezifikation stehen, die auf die ursprüngliche NSA-Spezifikation folgte und den neuen 5G-Kern hinzufügte.

Wir können uns einen Überblick über die NSA- und SA-Einführung verschaffen, indem wir uns die Daten zur 5G-Einführung ansehen. Aus den von der Global Mobile Suppliers Association (GSA) im Juli 2023 veröffentlichten Daten¹ geht hervor, dass weltweit bereits 259 Betreiber 5G-Dienste kommerziell eingeführt haben, gegenüber 201 im März 2022. Innerhalb dieser Gruppe von Betreibern hatten 36 Betreiber bereits 5G SA eingeführt, im Vergleich zu 20 im März 2022. Weitere 19 Betreiber testen die Technologie derzeit. Somit haben nur etwa 14 Prozent der Unternehmen, die 5G-Netze betreiben, den Sprung zu 5G SA geschafft. Dies ist jedoch ein Anstieg gegenüber etwa 10 Prozent vor einem Jahr. Es werden also gute Fortschritte erzielt, insbesondere wenn man bedenkt, dass auch die Gesamtzahl der 5G-Netze schnell wächst.

Und wie haben sich die 5G-Standards seit dem Einfrieren der ursprünglichen NSA- und SA-Spezifikation von Release 15 des 3GPP Ende 2018 entwickelt? Mit den Releases 16 und 17² wurden die 5G-Spezifikationen weiterentwickelt, indem Funktionen für Kommunikation mit geringer Latenz, höhere Verbindungsdichte, größere Zuverlässigkeit und private Netze hinzugefügt wurden. Rel-16 wurde im Juni 2020 fertiggestellt und eingefroren und Rel-17 wurde im September 2022 fertiggestellt und eingefroren. Diese Versionen vervollständigen die zusätzlichen Funktionen und schließen die anfänglichen 3GPP 5G-Spezifikationen ab, so dass die Betreiber eine breite Palette von Diensten bereitstellen können, die die ursprünglichen Ziele von 5G erfüllen.

Es dauert in der Regel etwa 18 Monate, bis die in diesen Versionen enthaltenen Funktionen in kommerziell verfügbaren 5G-Netzlösungen erscheinen. Rel-16-Funktionen können also ab 2023 eingesetzt werden, und Rel-17-Funktionen werden voraussichtlich Anfang bis Mitte 2024 verfügbar sein.

Weiter mit 5G Advanced

Die Spezifikation der Version 18 ist bereits beim 3GPP in Arbeit und wird die erste 5G-Advanced-Version sein, wenn sie im März 2024 eingefroren wird. Natürlich sind die Veröffentlichungstermine für Standards wichtig, aber wie bereits erwähnt, dauert es seine Zeit, bis diese Funktionen entwickelt, getestet und schließlich eingeführt werden. Wir sind also noch einige Jahre davon entfernt, dass ein Betreiber ein vollständiges 5G-Netz betreibt, geschweige denn ein 5G-Advanced-Netz.

Letztendlich werden die Releases 18, 19 und 20 den kompletten Satz an 5G-Advanced-Spezifikationen ausmachen, und diese werden voraussichtlich Anfang/Mitte 2027 fertiggestellt sein. Die erste 6G-Version, Release 21, wird wahrscheinlich 2027 beginnen und sollte etwa Mitte 2028 abgeschlossen sein, obwohl das 3GPP ab 2024 erste 6G-Anforderungen bewerten und Vorstudien durchführen wird. Auch wenn einige Teile der Branche bereits über 6G sprechen, werden wir also erst gegen 2030 standardkonforme 6G-Netze sehen, wenn die Rel-21-Funktionalität ihren Weg in kommerzielle Netzwerkprodukte findet.

Heißt das, dass nichts passiert und alle nur darauf warten, dass Rel-17 in den Funktionslisten der 5G-Anbieter auftaucht? Ganz und gar nicht. Die Ausdehnung von 5G-Netzwerken mit neuen 5G-Funkgeräten, die Rel-16- und Rel-17-Funktionen über Software-Upgrades unterstützen können, schreitet schnell voran. Darüber hinaus rüsten die meisten Betreiber heute das zugrunde liegende optische Transportnetz auf, um sich auf ein fortschrittlicheres 5G-Dienstangebot vorzubereiten.

5G-gesteuerte Transportnetz-Upgrades

Netzaufrüstungen sind sehr unterschiedlich, denn kein Verkehrsnetz ist wie das andere. Das bestehende Verkehrsaufkommen variiert erheblich zwischen den Betreibern sowie zwischen ländlichen, städtischen und dicht besiedelten Standorten. Die Strategien für die Platzierung der Komponenten von Radio Unit (RU), Distributed Unit (DU) und Centralized Unit (CU) des 5G-Funkzugangsnetzes (RAN) variieren ebenfalls zwischen den Betreibern und innerhalb eines Netzes auf der Grundlage des Knotentyps (ländlich/städtisch/dichte Stadt), des verfügbaren Spektrums sowie des verfügbaren Platzes und der Leistung, was zu einer Mischung aus Front-, Mid- und Backhaul-Domänen führt.

Es gibt einige Gemeinsamkeiten, die bei diesen 5G-xHaul-Transportnetz-Upgrades zu beobachten sind:

Kapazitätserweiterungen: Am Ende des Spektrums mit der geringsten Kapazität rüsten die Netzbetreiber in Vorbereitung auf das 5G-Bandbreitenwachstum von N x Gigabit Ethernet auf 10G pro Makrozellenstandort auf. Am Ende des Spektrums mit der höchsten Kapazität evaluieren die Betreiber neue Architekturen, die N x 25G pro Makrozellenstandort bereitstellen können. In allen Fällen ist die Wirtschaftlichkeit in Bezug auf CapEx- und OpEx-Faktoren wie Platz- und Stromkosten sehr empfindlich.
Höhere Leistung: Aus verschiedenen sicherheits- und geopolitischen Gründen gehen viele Betreiber dazu über, das Transportnetz als primäres oder Backup-Verteilungsnetz für die Zeitsteuerung und Synchronisierung zu nutzen. 5G stellt auch erheblich höhere Anforderungen an die Synchronisationsleistung des Netzes. Dies ist eine besondere Herausforderung für optische Netze, die jedoch gelöst werden kann, wenn das Netz richtig konzipiert ist.
Virtualisierung, Cloudifizierung und MEC: Der Trend zur Virtualisierung von RAN-Komponenten wie DU und CU in Softwarekomponenten, die Verlagerung dieser Software in die Cloud und der verstärkte Einsatz von Multi-Access Edge Compute (MEC) haben alle erhebliche Auswirkungen auf das Transportnetz. MEC-Ressourcen zur Unterstützung von virtualisierten DU/CU- und Low-Latency-Diensten erfordern zusätzlichen Platz und Strom an bereits eingeschränkten Standorten. Zusätzlich zur Bewältigung der oben beschriebenen Kapazitätssteigerung benötigen Betreiber eine Transportlösung, die tatsächlich Platz und Energie für neue MEC-Ressourcen freisetzt.

5G xHaul Transport-Netzwerk-Optionen

Um die verschiedenen Herausforderungen und unterschiedlichen Verkehrsanforderungen zu bewältigen, benötigen Netzbetreiber eine Reihe von Transportoptionen für optische Netzwerke. Alle müssen den Herausforderungen einer wirtschaftlichen Kapazitätserweiterung gerecht werden und gleichzeitig alle notwendigen Zusatzfunktionen wie Timing und Synchronisation bieten. Im Idealfall minimieren sie nicht nur den Platz- und Energiebedarf, sondern machen auch Platz und Energie für neue MEC-Hardware frei.

Ein optischer Netzwerktrend, der diese Bedenken ausräumt, sind steckbare DWDM-Optiken, die direkt in Systemen von Drittanbietern wie Routern, Switches und in Zukunft möglicherweise auch in RAN-Geräten oder MEC-Servern untergebracht sind. Normalerweise werden diese Optiken als Teil des Transportsystems verwendet, aber fortschrittliche steckbare Optiken ermöglichen ein direktes Hosting in Geräten von Drittanbietern, was die Kosten senkt und den so wichtigen Platz und Strom spart. Beispiele hierfür sind autotuneable 10G-Optiken mit geringerer Geschwindigkeit, die bereits heute in 5G xHaul-Netzwerken eingesetzt werden. In naher Zukunft werden diese Fähigkeiten auf kohärente XR-Optiken mit höherer Geschwindigkeit und Geschwindigkeiten zwischen 25G und 400G ausgeweitet. Diese neuen XR-Optiken bringen auch eine neue Punkt-zu-Multipunkt-Architektur in den optischen Bereich, die das Potenzial hat, optische xHaul-Netzwerke zu revolutionieren.

Um noch einmal auf die Personen von außerhalb der Branche zurückzukommen, die glauben, dass 5G noch nicht viel erreicht hat: Aus Sicht der Enddienste haben sie nicht unrecht. Die meisten 5G-Dienste sind heute schneller als 4G, bieten aber noch kaum Dienste der nächsten Generation. Was sie nicht sehen, ist der enorme Arbeitsaufwand, der derzeit betrieben wird, um die Transportnetze weltweit auf das gesamte Spektrum der 5G-Dienste und letztlich auf die Aufrüstung auf 5G Advanced und darüber hinaus vorzubereiten. Netzbetreiber benötigen ein Toolkit mit Transportoptionen und sollten einige der fortschrittlichen steckbaren optischen Optionen in Betracht ziehen, wenn sie dies nicht bereits tun.

Jon Baldry, Metro Marketing Direktor, Infinera

^{1 https://gsacom.com/paper/public-networks-and-operators-july-2023-update/

2 https://gsacom.com/paper/5g-releases-16-and-17-in-3gpp-nokia-white-paper/}