5G-Netzwerkarchitektur
Der Schlüssel zu digitalen Services
Mit 5G werden die Netze zum Alleinstellungsmerkmal: Sie definieren Geschäftsprozesse neu, ermöglichen Innovationen sowie neuartige Produktions-, Distributions- und Konsummodelle. Damit TK-Dienstleister diesen digitalen Hauptgewinn auch abholen können, müssen sie ihre Netzwerke entsprechend umbauen.
5G ermöglicht eine enorme Bandbreite digitaler Services. Die lassen sich jedoch nur mit einem Netzwerk realisieren, das flexibel und skalierbar ist und Network Slicing unterstützt. Die bestehenden Netzwerke sind jedoch applikationszentriert und damit nur für eine eng begrenzte Anzahl an Services ausgelegt. Wie sieht das ideale 5G-Zugangs- und Kernnetzwerk aus?
Zugangsnetz: virtualisiert und disaggregiert
In der Cloud-Welt gewinnt nur die beste Lösung – und das gilt zunehmend auch in angrenzenden Bereichen wie der Telekommunikation. Das optimale Zugangsnetz ist disaggregiert und virtualisiert. Indem Telekommunikationsdienstleister das Ökosystem aus vBBU (virtual Broadband Base Unit), RRH (Remote Radio Head), AAS (Application Access Server, SON (Self Organized Network) und COTS (Commercial off the shelf) White-Box-Lieferanten nutzen, können sie ihre Marge innerhalb der Supply Chain steigern und dem Lock-In der großen OEMs entkommen. Hinzu kommt: Ein virtualisiertes Zugangsnetz (virtualized Radio Access Network, vRAN) reduziert die Kosten sowohl für die Bereitstellung als auch für den Betrieb. Zudem bietet es Vorteile beim Energiemanagement, bei der dynamischen Netzwerkskalierung sowie eine hohe Verfügbarkeit – alles Kernanforderungen von 5G.
Vor allem aber ermöglicht ein vRAN ein Ende-zu-Ende-Network-Slicing im 5G-Netzwerk. Damit lassen sich die verschiedenen Anforderungen der 5G-Anwendungsfälle eMBB, MIoT und uRLLC (s. Kasten) erfüllen. Für ultra-hohen Datendurchsatz und ultra-niedrige Latenz arbeitet die 5G-Technologie in verschiedenen Frequenzbändern, von den niederfrequenten bis zu den hochfrequenten. Um eine durchschnittliche Datenrate von einem Gbit/s zu erreichen und das Problem der Zellkanten zu lösen, muss das Zugangsnetz zudem mit phasengesteuerter Antennengruppen-Technologien inklusive MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) und Beamforming arbeiten. 5G teilt die gNodeB-Architektur in eine zentralisierte (Centralized Unit, CU), eine verteilte (Distributed Unit, DU) und eine Funkeinheit (Radio Unit, RU). Damit bieten sich verschiedene Möglichkeiten, um den gNB-Stack in Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Funktionen des RAN zu trennen. Wo dieser Split verläuft, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, zum Beispiel dem zugrundeliegenden Transportnetz, der Kanalbandbreite, den Fronthaul-Bandbreitenanforderungen, der Verbindungsdichte und der Latenztoleranz.
mm-Wellen-Bänder fordern Line of Sight
Da 5G auch in den mm-Wellen-Frequenzbändern über 24 GHz arbeitet, können Netzbetreiber auch breitere OTA-Datenströme (Over the Air) abdecken. Zudem ermöglicht das breite Spektrum dieser Bänder den einfachen Aufbau eines Netzwerks mit ultra-hohem Durchsatz und ultra-geringer Latenz. Die hohen GHz-Frequenzbänder bringen jedoch einige Herausforderungen mit sich: Sie erfordern Sichtverbindungen, haben einen hohen Streuverlust und Signale werden leicht blockiert. Typischerweise durchdringen sie nicht einmal Wände und können schon durch Laub oder bewegte Objekte in städtischen Gebieten, etwa im Verkehr, blockiert werden. Die mm-Wellen-Bänder sind jedoch prädestiniert für städtische Gebiete mit dichter Population, in denen massive Kapazitätserweiterungen gebraucht werden. Pfosten oder ähnliche Straßenausstattung sind ideale Einsatzorte, die oft in Sichtweite zueinander stehen. Lässt sich keine Sichtverbindung herstellen, schafft Antennentechnologie wie Beamforming und Beamtracking Abhilfe.
Exkurs: Anforderungen an ein 5G-Netzwerk
- eMBB (enhanced Mobile Broadband) benötigt eine extrem hohe Bandbreite und eine geringe Latenz für innovative Anwendererlebnisse auf mobilen Endgeräten. Da Kunden zunehmend voraussetzen, alles auch mobil zu empfangen, muss die Datenrate bis zu 10 Gbit/s und durchschnittlich 1 Gbit/s umfassen – und das zu möglichst geringen Kosten pro Bit.
- MIoT (Massive IoT) legt die Basis für das Smart Home, die Smart Industry, Smart Cities und mehr. Dafür müssen sich rund eine Million Geräte pro Quadratkilometer verknüpfen lassen. Um ihre unzähligen Sensoren zu verbinden, genügen eine geringe Bandbreite und geringe Datenraten. Damit sich diese Sensoren lange mit einer Batterie betreiben lassen, muss auch der Energieverbrauch möglichst niedrig sein.
- uRLLC (ultra-Reliable Low Latency Communication) muss maximale Zuverlässigkeit, ultra-geringe Latenz von 1 ms und eine hohe Bandbreite kombinieren, um Applikationen wie autonomes Fahren, Telemedizin und hochpräzise Fertigungsroboter zu unterstützen.
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