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5G – Anwendungsfelder,

Standardisierung, Technologien

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5G – Anwendungsfelder, Standardisierung,

Technologien

von

Dr. Franz-Joachim Kauffels

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5G – Anwendungsfelder, Standardisierung, Technologien Seite i

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Inhaltsverzeichnis

INHALTSVERZEICHNIS I

VORWORT 1

1 ÜBERSICHT: 5G IM TIEFFLUG 1-7

2 5G ALS TRANSFORMATIVE GENERAL PURPOSE

TECHNOLOGIE 2-11

3 GRUNDSÄTZLICHE NUTZUNGSARTEN FÜR 5G 3-15

4 DIE ENTWICKLUNG DER MOBILFUNKTECHNOLOGIE 4-18

5 ERSTER ÜBERBLICK ÜBER DEN STANDARDISIERUNGS-

PROZESS 5-24

6 ANWENDUNGSBEREICHE FÜR 5G 6-30

6.1 Enhanced Mobile Broadband EMBB 6-30

6.2 Massive Internet of Things MIoT 6-31

6.3 Mission Critical Services MCS 6-32

7 ENTWICKLUNG DES 5G ÖKOSYSTEMS 7-34

8 TECHNOLOGIEN FÜR 5G 8-36

8.1 Die Evolution bestehender RATs (Radio Access Techniques) 8-36

8.2 Entwicklung hyperdichter Small Cell Umgebungen 8-39

8.3 Selbst organisierendes Netz 8-42

8.4 M2M-Kommunikation 8-43

8.5 Entwicklung von Millimeterwellen-RATs 8-44

8.6 Neuauslegung von Backhaul Links 8-45

8.7 Energie-Effizienz 8-49

8.8 Zuordnung neuer Spektralbereiche für 5G 8-49

8.9 Gemeinsame Benutzung von Spektrum (Spectrum Sharing) 8-50

8.10 RAN Virtualisierung 8-51

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5G – Anwendungsfelder, Standardisierung, Technologien Seite ii


8.11 Erste Funktionsmuster 8-52

8.12 Konsequenzen 8-55

9 5G-STANDARDISIERUNG: DIE 5G-SYSTEMARCHITEKTUR 9-56

9.1 Gesamtarchitektur 9-59

9.2 Servicebasierende Architektur 9-63

9.3 Das gemeinsame Core-Netzwerk 9-66

9.4 Network Slicing 9-67

9.5 Anwendungsunterstützung 9-71

9.6 So geht es weiter 9-73

10 5G-STANDARDISIERUNG: 5G NEW RADIO 10-76

10.1 Einführung 10-76

10.2 Die skalierbare OFDM-basierende 5G-NR-Luftschnittstelle 10-79

10.3 Das flexible Slot-basierende Framework und seine

Möglichkeiten 10-81

10.4 Fortschrittliche Kanalcodierung 10-87

10.5 Optimiertes Design für Massives MIMO 10-88

10.6 Millimeterwellentechnik für Mobile und „Fixed Wireless“ Nutzung 10-95

10.7 Carrier Aggregation und Migration von LTE 10-99

10.8 Zu Implementierungen 10-102

11 ELEKTROMAGNETISCHE BELASTUNG DURCH

FLÄCHENDECKENDE WIRELESS-INFRASTRUKTUREN 11-106

11.1 Grundlegende Studien und Empfehlungen 11-109

11.1.1 Die NRPB-Empfehlungen, UK 2005 11-109

11.1.2 NRPB-Statement zu WLANs (2005) 11-111

11.1.3 Die Problematik von Grenzwerten 11-113

11.2 Das Forschungsprojekt der HPA, Stand Mitte 2012 11-116

11.3 Übertragbarkeit der Ergebnisse auf neue Wireless-

Technologien 11-119

11.4 Konsequenzen 11-125

11.5 Abschließende Hinweise 11-126

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5G – Anwendungsfelder, Standardisierung, Technologien Seite iii


ABBILDUNGSVERZEICHNIS 127

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5G – Anwendungsfelder, Standardisierung, Technologien Seite 1


VORWORT

5G ist nicht nur ein neuer Mobilfunkstandard im Sinne einer systematischen Er-

weiterung von LTE, sondern eine transformative Technologie, die im Laufe der

Zeit ein neues Universum der Kommunikation öffnen wird. In über 30 Jahren

Arbeit auf dem Sektor der Kommunikationstechnik habe ich noch nie etwas Ver-

gleichbares erlebt, vor allem was das Tempo der Entwicklung, den finanziellen

Background und die Anzahl der mit der Entwicklung beschäftigten Personen be-

trifft.

Ein Grund liegt sicher darin, dass, wie Viele sicherlich nicht wissen, der Mobil-

funk die größte technische Plattform der menschlichen Geschichte ist. Begon-

nen hat alles in den 1980er-Jahren mit einfacher mobiler Sprachübertragung. Im

nächsten Jahrzehnt, den 1990er-Jahren, hat die zweite Generation mit GSM die

digitale Sprachübertragung eingeführt, nicht mehr, und nicht weniger. Außer-

dem kamen einfache digitale Dienste wie SMS hinzu, die schnell eine enorme

Popularität erzielt haben. In den 2000ern änderte sich nicht nur die Jahrtausend-

nummer, sondern vor allem das Kommunikationsparadigma: durch die leis-

tungsfähigere Integration digitaler Dienste wurde aus dem „Handy“ das „Smart-

phone“. Sehr schnell wurde die Sprachübertragung immer unwichtiger gegen-

über den digitalen Diensten. Die Möglichkeit, ein Smartphone durch das Hinzu-

fügen spezieller kleiner ladbarer Anwendungsprogramme, den „Apps“ zu indivi-

dualisieren und je nach Bedarf funktionell zu erweitern, hat die Nutzer fasziniert.

Ein im Markt für DV-Systeme bis dato vergleichsweise unwichtiger Hersteller mit

dem Namen eines gesunden Baumobstes konnte im Laufe der Zeit zu einem der

weltweit größten Unternehmen überhaupt werden. Der besondere Trick war hier-

bei, dass man den Benutzer ins Zentrum alle Bemühungen gestellt und somit

die Bedienung immer weiter vereinfacht hat. Zu dieser Zeit wurde auch das heute

allgegenwärtige Wort „disruptiv“ geboren, weil viele der in der GSM-Generation

bedeutenden Hersteller wie Nokia rasant im Nebel verschwunden sind.

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Im nächsten Jahrzehnt, den 2010ern, wurden alle diese erfolgreichen Elemente

mit der Bereitstellung höherer Datenübertragungsleistung durch LTE weiter aus-

gebaut. Es gab eigentlich keine wirklich bahnbrechenden konzeptionellen Neu-

heiten, nur kann man beliebte Dienste mit höherem Volumen wie Video oder

Online-Spiele nunmehr eleganter nutzen. Es wurden aber noch mehr Nutzer er-

schlossen und nach Zählungen von z. B. GSM Intelligence gab es Mitte 2017

weltweit etwa 7,7 Mrd. Mobilfunkverbindungen. Über die Stufen LTE, LTE Advan-

ced und Gigabit LTE wurde 4G erfolgreich weiterentwickelt.

Damit hat man allerdings die Bandbreitehölle erst geöffnet! Mit den Verbesse-

rungen von LTE, LTE Advanced und Gigabit LTE wurde das Verlangen der Nut-

zer nach immer mehr Bandbreite auf den kleinen intelligenten Endgeräten immer

stärker. Warum sollte man sich mit HD-Video zufriedengeben, wenn es doch 4K

gibt? Warum sollte man die schönen fotorealistischen Spiele nicht auch unter-

wegs online nutzen können? Warum sollte man die Integration solcher Dienste

in die allgemeine Online-Erfahrung nicht noch weiter vorantreiben?

5G adressiert den unersättlichen Hunger nach mobiler Bandbreite. Im Laufe des

Reports sehen wir noch mehr Vorhersagen, aber alleine zwischen 2014 und

2020 haben wir ein 30-faches Wachstum für den mobilen Datenverkehr, in 2020

werden 75% davon durch Streaming erzeugt. Im Februar 2018 haben die Ma-

cher von „Game of Thrones“ angekündigt, dass sie als nächstes „Star Wars“-

Filme produzieren werden, die andere Handlungsebenen neben der klassischen

Filmreihe und den aktuellen Nachfolgern erzeugen. Seit HBO und Netflix ist Con-

tent ein sehr wichtiger Wirtschaftsfaktor, aber mit der weltweiten Verfügbarkeit

leistungsfähiger „Taschenkinos“ wird es immer mehr Filme geben, die schnell

einen Gewinn von mehr als einer Mrd. US$ bringen. Gleichzeitig trennen sich

immer mehr Nutzer von ihrem alten Kabelfernsehen.

Im Jahr 2020 werden wir weltweit 8 Milliarden GByte mobilen Datenverkehr ha-

ben. Täglich!

Kein Wunder, dass man die Benutzer fragt, was sie sich eigentlich von einer

nächsten Mobilfunkgeneration wünschen würden: mehr als 86% möchten oder

brauchen schnellere Konnektivität auf ihrem nächsten Smartphone. Und 50%

würden sofort ein neues Smartphone kaufen, wenn es 5G kann und dadurch wie

gewünscht schneller wird. Dumm für alle Besitzer eines neuen Apple iPhone X,

das kann es nämlich nicht.

Die nächste Mobilfunkgeneration sollte folgende Eigenschaften hinsichtlich der

Nutzererfahrung aufweisen:

• Übertragungsgeschwindigkeiten wie bei Glasfaser (Festnetz, DSL, …) An-

schluss

• Geringe Latenz für Echtzeit-Aktivitäten

• Konsistentere Leistung

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• Massive Kapazität für unbegrenzte Datenmengen

Hat man dies erreicht, kann man folgende Dinge abdecken:

• Mobilisierung von Media und Entertainment

• Kaum technische Grenzen bei den Nutzer-generierten Inhalten

• Störungsfreie Dienste in Bereichen hoher Population (Stadien, Bahnhöfe

und Züge, Longues, Hot Spots, …)

• Leistungsfähige Dienste auch bei hoher Geschwindigkeit des Teilnehmers

(Zug, Flugzeug, …)

Und wenn es einmal ein System gibt, welches mit derartigen Leistungseckpfei-

lern aufwarten kann, setzt man es natürlich nicht nur für das Vergnügen der Mil-

liarden zahlender menschlicher Nutzer ein, sondern auch für viele andere be-

kannte Anwendungsbereiche und viele, die sich erst entwickeln werden, weil es

ja bisher kein mobiles System gab, die sie hätten unterstützen können.

Der wesentlichere Schritt von 5G ist aber die Erweiterung der Teilnehmerschar

auf Maschinen vom einfachen Sensor bis hin zum Cloud-System. Erst damit wer-

den wirklich neue Dienste möglich, wie z. B.

• Dauerhafte Verbindungen zu Cloud-Infrastrukturen

• „Connected Vehicles“ von Assistenzsystemen bis hin zu autonomen Fahr-

zeugen

• Augmented Reality

• Noch weiter automatisierte Fertigung

• Sicherheitsbewusste autonome Transportsysteme

• Zuverlässiger Zugriff zu Telemedizin und anderer Gesundheitsfürsorge

• Intelligente Agrikultursysteme

• Intelligentere Erzeugung und Verteilung von Energie

• Verbesserte öffentliche Sicherheit

• Nachhaltige und intelligente Städte und Infrastruktur

• Mehr Digitalisierung in Logistik und Handel

Insgesamt rechnet man mit einer Wertschöpfung von 12 Trillionen US$ (circa 10

Billiarden €) an Gütern und Dienstleistungen durch 5G bis 2035.

Generell werden die 5G-Technologiebereiche in drei Sektoren geordnet:

• Enhanced Mobile Broadband, das ist der Bereich, der eine unmittelbare

Erweiterung von 4G primär für die Versorgung der menschlichen Nutzer dar-

stellt

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• Mission-Critical Services mit besonders geringer Latenz für die Unterstüt-

zung von Funktionen, wie sie z. B. bei der Kommunikation zwischen autono-

men Fahrzeugen und ihrer Umwelt oder der industriellen Fertigung benötigt

werden

• Massives IoT: Dienste für die optimale Anbindung von Geräten, die nicht

alle unbedingt mobil sein müssen, sondern einfach eine praktische draht-

lose Verbindung benötigen, wie Aktoren, Sensoren, Zähler, Steuerungen

usf. Ein besonders stark wachsender Bereich hierbei ist die Gebäudeauto-

matisierung.

Ich bin der Ansicht, dass viel mehr Personen und Verantwortliche von den Mög-

lichkeiten von 5G betroffen sind, als diese das heute ahnen. Es wird kaum einen

bestehenden Prozess der Informationsverarbeitung geben, der nicht in irgend-

einer Weise von 5G berührt wird. Darüber hinaus werden sich aber vor allem

ganz viele neue Entwicklungen ergeben. Die Automobilindustrie hat das begrif-

fen und sehr schnell Arbeitsgruppen gegründet und Allianzen geschmiedet um

die Möglichkeiten und Potentiale auszuleuchten. Aber viele andere haben noch

nicht einmal eine grundlegende Vorstellung davon, wo ihr Platz in der 5G Wert-

schöpfungskette liegen könnte.

Das ist natürlich auch dadurch zu erklären, dass man zum Zeitpunkt der Manu-

skripterstellung Anfang 2018 noch keinen 5G-Dienst von einem Provider bezie-

hen kann. Aber die technischen Grundlagen sind weitestgehend klar, die Stan-

dardisierung ist schneller vorangekommen als gedacht und hat schon zwei

Jahre früher als geplant wichtige Ergebnisse erzielt. Chiphersteller wie

Broadcom oder Qualcomm haben schon Muster gebaut, mit denen Provider und

Gerätehersteller erfolgreicher als vermutet experimentieren konnten. Drum wird

es auch in Korea und den USA schon 2018 vollständige 5G-Dienste geben, die

einen Blick auf das erlauben, was uns hier ab 2019 bevorsteht.

Die Standardisierung gibt für 5G folgende Mindest-Parameter vor:

• 10-fach geringere Latenz als bei 4G

• 10-fach höherer „gefühlter“ Durchsatz (Benutzererfahrung)

• 3-fach verbesserte spektrale Effizienz

• 100-fach höhere Verkehrskapazität

• 100-fach bessere Netzer-Effizienz

• 10-fach verbesserte Verbindungichte

Im Laufe des Reports werden wir diese Parameter und Ableger von Ihnen und

die Konsequenzen noch genauer beleuchten.

Abgesehen von dieser Einführung hat der Report 11 Kapitel.

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Das Kapitel 1 bietet sozusagen einen Tief-Flug über 5G und das Umfeld zur bes-

seren Orientierung.

Im Kapitel 2 begründen wir, inwiefern 5G eine transformative General Purpose

Technologie GPT im Range der Druckerpresse, der Dampfmaschine, der Be-

herrschung der Elektrizität, des Telefons und des Internets ist, Techniken eben,

die jeweils eine sozio-ökonomische Bewegung ausgelöst haben. Ohne weitere

Begründung kann man bereits aus intuitivem Verständnis sagen, dass 5G be-

stehende Arbeits- und Arbeitsplatzmodelle durch Flexibilisierung und Mobilisie-

rung völlig verändern wird. Die Nutzung von GPTs führt häufig zur Disruption

bestehender Systeme

Im Kapitel 3 kommen wir systematisch zu den grundsätzlichen Nutzungsarten,

wie wir sie hier schon angesprochen haben. Das Kapitel 4 betrachtet die bishe-

rige Entwicklung der Mobilfunktechnologie soweit dies für das weitere Verständ-

nis notwendig ist. In Kapitel 5 geben wir einen ersten Überblick über den Stan-

dardisierungsprozess.

Die Kapitel 6 und 7 befassen sich nochmals genauer mit den möglichen Anwen-

dungsbereichen und dem 5G Ökosystem.

Das Kapitel 8 bildet einen Schwerpunkt im Rahmen dieser Darstellungen, da so-

weit dies für das Gesamtverständnis förderlich ist, die Technologien für 5G in Art

eines nicht-technischen Überblicks dargestellt werden. Grade was die Funk-

schnittstellen selbst betrifft, kommen wir hier schnell in Bereiche, die weniger

vorbereitete Leser völlig überfordern könnten, wenn die Darstellung zu detailliert

ist. Zudem bringt eine sehr tiefe Detaillieren kaum einen weiteren Nutzen, da ja

kaum jemand die Funkschnittstellen selbst basteln wird. In diesem Zusammen-

hang sprechen wir auch über erste Funktionsmuster.

Das Kapitel 9 widmet sich einem besonders faszinierenden, bereits standardi-

sierten, Bereich, nämlich der 5G-Systemarchitektur. Es ist eine vollständig ser-

vicebasierende Architektur mit dem Ziel, letztlich praktisch alle Funktionen des

Netzbetriebs zu automatisieren. Dazu gehört auch die Möglichkeit, dass das

System durch den Einsatz von KI selbst aus seinen Fehlern lernt. Es ist schon

heute klar, dass das 5G-Netz eines Providers gar nicht funktionieren könnte,

wenn noch menschliche Operateure für Basisfunktionen wie Provisionierung ein-

gesetzt werden müssten. Hier ist zu sehen, was man mit SDN und NFV wirklich

anfangen kann. Das gesamte System sieht übrigens die Nutzung von offenen

Komponenten vor, es gibt hierfür sogar enge Zusammenarbeit zwischen großen

Provider, die eigentlich Konkurrenten sind, wie AT&T und Verizon. Proprietäre

Lösungen bekommen hier keine Sonne. Ein Vorbild für die Entwicklung von pri-

vaten Netzen in Unternehmen und Organisationen.

Mein persönlicher Favorit ist aber das Kapitel 10. Hier geht es um die neue Luft-

schnittstelle 5G NR, 5G New Radio. Seit ich zum ersten Mal von 5G gehört habe,

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hat mich die Frage beschäftigt, wie man die ganzen neuen Leistungsparameter

wie sehr hohe Datenrate und / oder sehr geringe Latenz in einem Mobilfunksys-

tem umsetzen wird. Ohne eine geeignete Luftschnittstelle kann man die gesamte

Konstruktion vergessen. 5G NR ist nach der Gesamtarchitektur der zweite Be-

reich, der bereits von 3GPP standardisiert wurde. Es gibt einige wirklich neue

Konzepte, die auf teilweise überraschende Weise sehr elegant zur Problemlö-

sung beitragen. Neben den „normalen“ Frequenzbereichen unter 6 GHz soll mit

5G auch der Millimeterwellenbereich erschlossen werden. Er hat eine Reihe von

Vorteilen, man kann einfach sehr breite Kanäle bilden und in diesen mit recht

geringem Modulationsaufwand sehr hohe Datenraten übertragen. Problema-

tisch ist allerdings die hohe Dämpfung des Signals. Mit fortschrittlicher Multi-An-

tennen-Technik und einer Reihe weiterer Tricks hat man es aber geschafft, die

Grenzen, die wir z. B. vom WLAN IEEE 802.11ad kennen, eindrucksvoll zu ver-

schieben und die Millimeterwellentechnik in den Bereich der allgemeinen Nutz-

barkeit zu tragen.

Seit es Funksysteme mit größerer Ausbreitung gibt, machen sich viele Menschen

Sorgen um mögliche Schäden für ihre Gesundheit. In letzter Zeit ist es vermehrt

zu einer Ballung und Verdichtung solcher Systeme gekommen, die bei manchen

sogar Angst oder andere psychologische Wirkungen hervorgerufen hat, die sie

in Leben und Arbeit negativ beeinflusst haben. Im Kapitel 11 blickt der Report

auf den aktuellen Stand der Forschung und gut Anhaltspunkte zur weiteren Re-

cherche.

Ziel des Reports ist es, möglichst viele zukünftig Betroffene und Verantwortliche

über Wirkungsweise und Potentiale von 5G in Kenntnis zu setzen, damit sie mög-

lichst frühzeitig einen guten Platz in der 5G Wertschöpfungskette bekommen.

Die Entwicklung ist derart dynamisch, dass auch ein solcher Report nie „fertig“

sein kann. Dennoch wünsche ich Ihnen viel Erfolg mit dem aktuellen stabilen

Zustand.

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5G – Anwendungsfelder, Standardisierung, Technologien Seite 3-15


3 GRUNDSÄTZLICHE NUTZUNGSARTEN FÜR 5G

Man kann drei grundsätzliche Arten der Nutzung von 5G identifizieren, die letzt-

lich dazu beitragen werden, dass 5G zu einer GPT wird:

Enhanced Mobile Broadband EMBB. Zwei wesentliche Eigenschaften von

EMBB werden die Akzeptanz von 5G und seine Nutzung erheblich voranbringen.

Zum einen wird die zellulare Funkabdeckung in einen breiteren Bereich von Ge-

bäuden ausgedehnt, wie z. B. Bürogebäude, Industrieanlagen, Shopping Malls

und größere Tagungsorte. Diese werden heute wenn überhaupt recht umständ-

lich und teuer mit Staffeln von WLANs oder Repeatern für Mobilfunk erschlossen.

Je ausgedehnter ein Gebäude und je rigider seine innere Struktur ist, desto

problematischer wird die Mobilversorgung heute. Die andere wesentliche Mög-

lichkeit ist die Versorgung einer signifikant größeren Anzahl von Endgeräten mit

hohen Datenvolumen. Diese Verbesserungen im Netzwerk ermöglichen eine

deutlich effizientere Datenübertragung mit geringeren Kosten pro übertragenem

Bit und sind somit eine deutliche Triebkraft für die Steigerung der Nutzung von

Breitbandanwendungen in mobilen Netzen.

Massives Internet of Things (MIoT). 5G setzt auf früheren Investitionen in die

Machine-to-Machine-Kommunikation und IoT-Anwendungen auf, um signifi-

kante Fortschritte in der Economy of Scale zu erzielen, die Akzeptanz und Nut-

zung über alle Sektoren hinweg verbessert. Die wesentlich verbesserte Energie

Effizienz (Akku-Laufzeit) von 5G, die Möglichkeit, in lizensierten und lizenzfreien

Bereichen arbeiten zu können und die Fähigkeit, dichtere und flexiblere Abde-

ckungen zu erreichen wird die Kosten für MIoT-Anwendungen deutlich senken.

Das wird wiederum den Maßstab, in dem MIoT verwendet werden kann, verän-

dern und die Akzeptanz mobiler Technologien für MIoT deutlich erhöhen. Zum

Wachstum des IoT siehe Abbildung 3.

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Quelle: Cisco Visual Networking Index

Abbildung 3.1: Wachstum im IoT

Mission Critical Services (MCS). MCS eröffnet neue Märkte für die Mobiltech-

nologie. Dieser signifikante Wachstumsbereich für 5G wird Anwendungen unter-

stützen, die hohe Zuverlässigkeit und Konnektivität mit sehr geringer Latenz,

starker Sicherheit und Hochverfügbarkeit benötigen. Dies erlaubt es, ultra-zuver-

lässige drahtlose Verbindungen aufzusetzen, wie man sie für Anwendungen wie

autonome Fahrzeuge oder Fernsteuerung komplexer Automationsgeräte benö-

tigt, für die Fehler oder Ausfall keine Option sind. Ein oberflächlicher Blick auf

die Abbildung 4 zeigt sofort, dass die heutige Mobilfunktechnologie auch nicht

annähernd in der Lage ist, Anforderungen, wie sie sich z. B. im Zusammenhang

mit autonomen Fahrzeugen oder Telemedizin ergeben, zu erfüllen.

5G wird Mobilfunk zu einer GPT machen.

Nach einer Initialphase erreicht eine GPT einen kritischen Adaptionspunkt, der

zu transformativen, oftmals disruptiven Änderungen in Industrien und ganzen

Volkswirtschaften führt. Es gibt verschiedene Gemeinsamkeiten bei GPTs, pri-

mär die Anwendbarkeit auf viele (unterschiedliche) Industrien, die kontinuierliche

Verbesserung über die Zeit und die Fähigkeit, neue Innovationen zu ermögli-

chen. GPTs führen zu vielen und nachhaltigen Einflüssen über einen breiten Be-

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reich von Industrien, die häufig die Wettbewerbsfähigkeit neu definieren und Ge-

sellschaften umformen. Führende Marktforscher nehmen an, dass 5G das Zeug

dazu hat, zu einer GTP zu werden, wenn die Mobilkommunikation tief in Geräte,

Maschinen und Prozesse eingebettet sein wird.

Quelle: Cisco Global Cloud Index

Abbildung 3.2: Durchschnittliche Latenz bei mobiler Kommunikation

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4 DIE ENTWICKLUNG DER MOBILFUNKTECHNOLOGIE

Die digitale Mobiltechnologie hat sich in den letzten Jahrzehnten deutlich ver-

bessert und verbindet heute nicht nur Personen untereinander, sondern auch

Menschen sowohl im privaten als auch beruflichen Bereich mit ihrem digitalen

Umfeld. Dies ist nicht nur in Industriestaaten zu spüren. In längst nicht allen Län-

dern der Erde sind so viele Lichtjahre an Kabeln verlegt wie z. B. in Deutschland.

Viele Gebiete in Entwicklungsländern oder aufstrebenden Volkswirtschaften

können erst mit Mobiltechnologie sinnvoll erschlossen werden und den Men-

schen grundsätzliche, für uns längst selbstverständliche Dienste wie z. B.

Electronic Banking oder schlicht Internet-Zugang bringen. Im Laufe der Entwick-

lung konnten die Datenraten deutlich gesteigert und damit neue Dienste wie VoD

implementiert werden. Dies ist aber längst noch nicht das Ende der Fahnen-

stange. Heutige M2M und IoT-Technologien sind für spezielle Anwendungen wie

z. B. die Steuerung der Beleuchtung in einer Stadt geschrieben. Sie wurden mit

bestehenden Technologien in all ihren Grenzen implementiert. Möchte man aber

z. B. von einer nett beleuchteten Stadt zu einer Smart City kommen, die z. B.

auch autonomen Fahrzeugen hinreichende Daten schnell genug anbietet, rei-

chen heutige Techniken kaum, vor allem weil sie nicht im Hinblick auf unbe-

dingte Zuverlässigkeit und Latenz-Armut gebaut wurden. Wenn es ein paar Se-

kunden dauert, bis eine Laterne einen Steuerbefehl bekommt, ist das nicht weiter

tragisch. Das Auslösen eines Nothaltes eines autonomen Fahrzeugs an einem

plötzlich auftretenden Stauende sollte schon deutlich schneller gehen. Statis-

tisch gesehen, werden Mobiltechnologien heute primär für persönliche Anwen-

dungen, vor allem Smartphones, genutzt. Einfach auch, weil sie das ganz gut

können. Sollen sie in einem nennenswerten Maß in industrielle und andere wirt-

schaftlich relevante Anwendungen Einzug halten und dort die mehrfach genann-

ten Effekte auslösen, müssen deutliche Verbesserungen vorgenommen werden.

Alle bisherigen Technologien bis einschließlich LTE Advanced haben den Weg

vorbereitet. 5G wird die technologische Plattform sein, die Autos und Städte,

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Krankenhäuser und Wohnungen und natürlich Personen mit allem, was sie in-

formationstechnisch umgibt, in sinnvoller Weise verbindet. Man darf aber auch

nie vergessen, dass bei Konzepten wie Smart Cities auch enorme Datenmengen

entstehen. (siehe Abbildung 5)

Quelle: Cisco Global Cloud Index

Abbildung 4.1: Smart City – Big Data

Man erwartet, dass die geplanten Fortschritte in 5G explizit verschiedene Men-

gen von Use-Cases des IoT unterstützen. Das erleichtert die Standardisierung

nicht grade und wird sie letztlich auch kaum beschleunigen. Es wird Bereiche

der Standards geben, die für MIoT-Anwendungen zweckgebunden sind oder

missionskritische Anwendungsfälle, die z. B. autonome Fahrzeuge, industrielle

Anwendungen oder Telemedizin umfassen. Diese Expansion von Möglichkeiten

wird als Bestandteil eines einheitlichen Designs definiert. Dies bedeutet, dass

die gleiche 5G Infrastruktur einen weiten Bereich von Anwendungsfällen abde-

cken kann. Diese erweiterte Diffusion in Industrien und Prozesse, in denen Wirel-

ess heute nur eine untergeordnete Bedeutung hat, positioniert die 5G-Mobilte-

chnologie für einen tiefen und nachhaltigen Einfluss auf einen breiten Bereich

von Sektoren.

Allerdings wird die 5G-Technologie einen neuen Grad von Komplexität hinsicht-

lich Vorschriften und Regulierungen erzeugen, wenn neue Geschäftsmodelle

entstehen und die alten Methoden der Auslieferung von Gütern und Dienstleis-

tungen entweder dramatisch geändert oder vollständig abgeschafft werden. Be-

reiche, wo die Modernisierung von Regeln und Vorschriften die Voraussetzung

für 5G-Readyness sind, wären öffentliche Sicherheit, Cyber-Sicherheit, Schutz

persönlicher Daten, Zuordnung von Spektralbereichen, öffentliche Infrastruktur,

Gesundheitswesen, Erziehung, Training und Entwicklung. Die Herausforderung

dabei ist, die Änderungen so zu gestalten, dass sie mit der permanenten tech-

nologischen Entwicklung Schritt halten können.

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5 ERSTER ÜBERBLICK ÜBER DEN STANDARDISIERUNGSPROZESS

Ungefähr alle 10 Jahre gibt es eine neue Mobilfunk-Generation. 4G wurde 2011

eingeführt, also rechnet man mit 5G in 2020. Es zeigt sich aber schon jetzt, dass

der Bedarf enorm ist. Gleichzeitig existieren schon sehr erfolgreiche Pilotpro-

jekte. So werden wir eingeschränkte oder spezialisierte 5G-Varianten schon viel

früher sehen. Verizon bietet in den USA bereits in diesem Jahr in verschiedenen

Städten 5G-Pilot-Lösungen an, generell wird der Schwerpunkt aber zunächst e-

her auf drahtlosen Festverbindungen in ländlichen Bereichen liegen. Die Stan-

dardisierung einer neuen 5G Luftschnittstelle hat seit einer Sitzung des Radio-

communication Sectors der International Telecommuniation Union (ITU-R) bei

der World Radiocommunication Conference WRC in 2015 Fahrt aufgenommen.

Die Ziele orientieren sich daran, dass man den Nutzern eine Nutzer-Erfahrung

geben möchte, die sich von der an einem optischen Netz nicht unterscheidet.

Das bedeutet 10 Gbps für stationäre Nutzer oder solche, die sich langsam be-

wegen und 1 Gbps für mobile Benutzer mit Bewegungsgeschwindigkeiten bis

zu 300 km/h. Die Round Trip Delay Latenz der aktuellen Mobilfunkgeneration 4G

LTE Advanced liegt bei 20 ms. Das muss für 5G unter 1 ms sinken.

Globale Standards sind eine fundamentale Voraussetzung dafür, dass allgegen-

wärtige Konnektivität unter der Sicherung weltweiter Interoperabilität, Harmoni-

sierung unterschiedlicher Anbieter und der Erreichung von Economy of Scale

erzielt werden kann. ITU-R ist für die Definition von IMT-Spezifikationen (Interna-

tional Mobile Telecommunications) für die nächste Mobilfunkgeneration verant-

wortlich. Dies hat schon bei zwei früheren Varianten gut funktioniert, nämlich

IMT-2000 für 3G und IMT-Advanced für 4G. Die 5G-Spezifikationen gedeihen

momentan ganz gut, primäres Thema bei den Welt-Mobilfunk-Konferenzen

(WRC) ist aber aktuell die Erschließung neuer Frequenzbereiche für 5G. Hier

möchte man z. B. auch in bislang lizenzfreie Bereiche, in denen heute WLANs

betrieben werden, eindringen. Noch wichtiger ist aber eine deutliche Anreiche-

rung des Millimeterwellenbereiches. Bei höheren Trägerfrequenzen wie z. B.

38 GHz lassen sich, wie wir schon von entsprechenden WLAN-Varianten

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(802.11ad) wissen, höhere Nutzdatenraten mit geringerem Aufwand erzielen.

Leider ist die physikalische Wellenausbreitung bei diesen Frequenzen proble-

matisch. Aber auch geringere Trägerfrequenzen sind interessant, weil man mit

ihnen z. B. Gebäude deutlich besser versorgen kann. Andererseits muss man

auch Trägerfrequenzen nutzen, die nur schmale Bereiche zwischen etablierten

Funkdiensten bilden, z. B. für eine M2M-Kommunikation mit geringeren Band-

breite- und QoS-Anforderungen. In der allgemeinen Berichterstattung wird viel

zu wenig darauf hingewiesen, dass die Bereitstellung geeigneter Frequenzen

absolut entscheidend für einen Funkdienst ist. Mit 5G möchte man sehr viele,

sehr unterschiedliche Ziele von der gelegentlichen, z. B. wöchentlichen schmal-

bandigen kurzen Kommunikation eines Sensors mit seiner Zentrale bis hin zur

Anbindung autonomer Fahrzeuge mit einer Geschwindigkeit von bis zu

300 km/h mit dauerhafter Gigabit-Datenrate und strengen Latenzanforderungen

abdecken. Also benötigt man auch viele unterschiedliche Frequenzbereiche hin-

reichender Breite und Kapazität. In 2015 war die letzte wirklich große WRC, aber

es gibt immer wieder eine fast unübersichtliche Anzahl von Treffen der Arbeits-

gruppen. Neben ITU-R ist auch 3GPP extrem und nachhaltig aktiv. Mit der per-

manenten Weiterentwicklung von LTE zu LTE Advanced wurden technologisch

gesehen sehr viele Grundlagen und hilfreiche Technologien erarbeitet, die in die

5G-Standardisierung einfließen werden. Wir werden das später nochmals auf-

greifen. Es zeichnet sich ab, dass wegen des drängenden Bedarfs viele Anwen-

dungsentwicklungen, die zu einem späteren Zeitpunkt auf 5G laufen werden,

zunächst mit LTE und LTE Advanced starten. In den USA sieht es so aus, dass

Verizon für seine Feldversuche und Pilotinstallationen mit einer eigenständigen

Spezifikation vorgeprescht ist, die schon recht weit geht. Gleichzeitig hat die Fre-

quenz-Kontrollbehörde FCC eine Reihe passender Frequenzen freigegeben.

Mittlerweile haben sich viele interessierte Unternehmen vom Chiphersteller über

Infrastruktur-Lieferanten bis hin zu Lösungsanbietern angeschlossen. Die inter-

nationale Standardisierung ist nach Ansicht des Autors einfach zu langsam. Für

viele Teilbereiche gibt es schon jetzt passende technologische Lösungen von

Chips über Transceiver, Antennen, Basisstationen bis hin zu SDN- und NFV-Soft-

ware. Das hat durchaus das Potential, deutlich vor einer internationalen Standar-

disierung marktreif zu werden. Damit sind natürlich auch ggf. unangenehme

Konsequenzen verbunden. Dieser Bereich ist ja noch halbwegs übersichtlich.

Wirklich wirr wird es bei den Industrie-Konglomeraten rund um die autonome

Mobilität. Es gibt fast beliebig zusammengestellte Kombinationen aus Kfz-Her-

steller, Chip-Anbieter, Funk-Technik-Anbieter, Anbieter für Spezial-SW & Co.

Mittlerweile eigentlich fast so viele wie Kfz-Hersteller. Damit entstehen neue

Probleme. Bleibt das weiter so, entstehen z. B. Probleme für Smart Cities. Wie

kann der Betreiber eines Parkhauses dafür sorgen, dass nicht nur „intelligente“

VWs bei ihm einparken können, sondern auch Mercedes oder ausländische Au-

tos? Er wird keine Freude daran haben, 20 oder mehr unterschiedliche Lösun-

gen mit jeweils eigenen Formaten dauerhaft zu unterstützen. Heute ist dieses

- Leseprobe -



6 ANWENDUNGSBEREICHE FÜR 5G

Wie schon eingangs bemerkt, fallen die Anwendungsbereiche von 5G in drei

Segmente, nämlich EMBB, MIoT und MCS. Wir werden jetzt Anwendungen kurz

zusammenfassend auflisten. Die Liste ist allerdings nicht vollständig, sondern

eher eine Menge von Stichproben, die aufgrund der heutigen Technologie-Ent-

wicklung abgeschätzt werden können. Es ist aber ganz klar, dass sich hier im

Laufe der Zeit noch viel Neues ergeben wird, wenn sich die Technologien und

Anwendungen gegenseitig befruchten, so wie wir das in der Vergangenheit

schon sehr häufig gesehen haben.

6.1 Enhanced Mobile Broadband EMBB

Zwei wesentliche Facetten von EMBB werden die Annahme der Technologie und

die Wertschöpfung in der 5G Ökonomie wesentlich beeinflussen. Zum einen ist

da die Ausweitung der zellularen Abdeckung auf einen wesentlich weiteren Be-

reich von Strukturen wie Bürogebäude, Industrieparks, Shopping Malls und aus-

gedehnte Tagungsorte. Der andere wichtige Punkt ist die deutlich erweiterte Ka-

pazität für die Handhabung wesentlich größerer Menge von Endgeräten, die je-

des für sich gesehen hohe Leistungsanforderungen haben, auf einem relativ be-

grenzten Raum. Das Resultat dieser zwei Verbesserungen ist es, dass Nutzer

eine verbesserte und konsistentere Benutzererfahrung haben werden und ihre

bevorzugten mobilen Breitband-Dienste unabhängig vom Ort nutzen können.

Anwendungsbereiche / Formen:

• Verbesserte drahtlose Breitband Abdeckung in Innenräumen

• Verbesserte drahtlose Breitband Abdeckung im Freien

• Feste drahtlose Breitband Versorgungen (z. B. DSL-Ersatz)

• Teamwork / Kollaboration in Unternehmen

• Training / Ausbildung

- Leseprobe -



• Angereicherte und virtuelle Realität (AR/VR)

• Erweiterung des Mobile Computing

• Verbesserte Systeme für digitale Unterschriften

Die EMBB Anwendungen werden höchst wahrscheinlich als erste einen Einfluss

im Markt haben. Sie sind größtenteils eine Erweiterung existierender 4G Wert-

schöpfungselemente und sollten den Markt schnell erreichen, sobald 5G verfüg-

bar wird. Sie haben allerdings als Erweiterungen prinzipiell bestehender Dienste

nicht das Potential, in großem Rahmen völlig neuartige Wertschöpfung zu erzeu-

gen.

6.2 Massive Internet of Things MIoT

5G baut auf früheren Investitionen in M2M-Kommunikation und traditionelle IoT-

Anwendungen auf, um signifikante Gewinne entlang der Economy of Scale zu

erzeugen, die die Adaption und Nutzung über alle Sektoren hinweg vorantrei-

ben. Verbesserte Low-Power Anforderungen, die Möglichkeit, in lizensierten und

lizenzfreien Bereichen zu arbeiten und eine deutlich verbesserte Abdeckung füh-

ren alle zusammen zu deutlich geringeren Kosten im MIoT. Das wiederum wird

die Skalierung des MIoT-Konzeptes erweitern und dadurch zu einer wesentlich

verbesserten Annahme mobiler Technologien für MIoT-Anwendungen führen.

Einige Anwendungsbereiche:

• Verfolgung von Vermögenswerten

• Intelligente Landwirtschaft

• Intelligente Städte

• Überwachung von Energie- und Versorgungseinrichtungen

• Physikalische Infrastruktur

• Intelligentes Zuhause

• Fernüberwachung

• Beacons

Viele dieser Anwendungen existieren schon heute als eine Mischung älterer Ge-

nerationen von Zellulartechnologie und drahtlosen Low-Power Technologien in

lizenzfreien Bereichen. Die aktuelle Roadmap für LTE enthält speziell für derar-

tige Zwecke gebaute zellulare Technologie wie Cat-M1 (eMTC) und Cat NB1

(NB-IoT), die damit beginnen, systematische Erweiterungen mit Low-Power-

Übertragungstechnologie in den stetig wachsenden IoT-Markt einzubringen.

Diese Technologien bilden die Grundlage für 5G MIoT und werden weiter für die

Low Power Übertragung optimiert. Außerdem werden sie lizensierte und lizenz-

freie Spektralbereiche nutzen können. Im Gegensatz zu EMBB wird sich durch

- Leseprobe -



7 ENTWICKLUNG DES 5G ÖKOSYSTEMS

LTE-Netze sind jetzt seit acht Jahren in Betrieb. Die Global Mobile Suppliers

Association (GSA) hat im Oktober 2016 bekannt gegeben, dass insgesamt 537

kommerzielle LTE-Netze aktiv sind. Das repräsentiert eine erhebliche Menge von

Investitionen für Betreiber von Mobilnetzen über den größten Teil der letzten De-

kade und sie alle möchten natürlich einen Return of Investment erzielen. Es gibt

ein sehr starkes Interesse an 5G und seinen erheblich erweiterten Möglichkeiten

und die Tatsache, dass viele der Erweiterungen von LTE Advanced und LTE Ad-

vanced Pro als Grundlage für zukünftige 5G-Netzwerk-Upgrades genutzt werden

können ist ein signifikanter Vorteil. Während Marktforschungsunternehmen da-

von ausgehen, dass einige Betreiber einen eher konservativen Ansatz hinsicht-

lich der Netzwerk-Upgrades verfolgen, gibt es dennoch eine wachsende Aner-

kennung der Tatsache, dass der wirkliche Unterschied zwischen 5G und den

vorhergehenden Generationen von Mobiltechnologien vor allem darin liegt, dass

die neueste Evolutionsstufe eine signifikant größere Anzahl von Anwendungsfäl-

len unterstützt. Während bisherige Mobilfunkgenerationen die Benutzererfah-

rung für Verbraucher und in gewissem Maße Nutzern in Unternehmen erhöhen

wollten, zielt 5G auf die gesamte Industrie. Wenn Mobilfunknetzbetreiber und

andere Player im 5G-Ökosystem es schaffen, Unternehmen in industriellen Sek-

toren wie Herstellung, Energieversorgung, Gesundheitswesen, Transportwesen

und weiteren auszubilden und zu motivieren, haben sie das Potential, hinrei-

chendes Interesse an 5G und seinen Möglichkeiten zu erzeugen und damit ei-

nen etwas aggressiveren Netzausbauzyklus anzustoßen.

Was Provider und assoziierte Leistungsanbieter machen müssen, ist klar: inves-

tieren, was das Zeug hält und gleichzeitig Interessenten für die neuen Anwen-

dungsbereiche mobilisieren. Chipentwickler und Infrastrukturanbieter sind

schon seit Jahren in diesem Bereich extrem aktiv.

Für („normale“) Unternehmen und Organisationen ergibt sich die Notwendigkeit,

frühzeitig zu prüfen, welchen Nutzen sie speziell für ihre Anwendungen aus 5G

- Leseprobe -



ziehen können und welche Variante da am praktischsten sein könnte. Automo-

bilhersteller haben es schon vorgemacht, sie sehen in der Digitalisierung fast

aller Funktionen um das Auto herum ihre Zukunft. Aber in verschiedenen ande-

ren Bereichen hat sich noch nicht viel bewegt.

Der Autor ist der festen Überzeugung, dass 5G wirklich eine GPT wird, wie die

Dampfmaschine, die Beherrschung der Elektrizität usw. Nach einer Inkubations-

periode erreicht eine GPT eine kritische Masse, die zu transformativen, manch-

mal sogar disruptiven Änderungen in ganzen Industrien oder sogar Volkswirt-

schaften führen können. Die Aufgabe ist schlicht:

Jeder sollte sich eine für ihn und seine möglichen Leistungen passende Stelle in

der Wertschöpufngskette des 5G-Ökosystems suchen!

Und dafür ist es notwendig, nicht darauf zu warten, bis die letzten Feinheiten der

5G-Standardisierung in trockenen Tüchern sind und uns die Provider mit Leis-

tungsangeboten überschütten, sondern bereits jetzt Projekte zu durchdenken

und unter Nutzung bestehender Techniken wie LTE Advanced mit ihrer Pre-Im-

plementierung zu beginnen.

- Leseprobe -



8 TECHNOLOGIEN FÜR 5G

Beim Übergang von einer Mobilfunkgeneration zur nächsten kann man eine re-

lativ übersichtliche Menge von Technologien identifizieren, die sozusagen den

Unterschied ausmachen. LTE hat sich durch Carrier Aggregation, hochdichte

HetNets und die zusätzliche Nutzung lizenzfreier Bereiche zu LTE Advanced wei-

terentwickelt. Diese Technologien stecken in weiterentwickelter Form auch in

5G. Allerdings kommt man damit längst nicht aus. In diesem Unterkapitel wird

der gewagte Versuch unternommen, die zehn tragenden technologischen Säu-

len von 5G übersichtlich darzustellen. Auf Details werden wir dabei verzichten

müssen, das ist aber unproblematisch, weil viele noch gar nicht feststehen. Statt-

dessen kommen wir am Ende zu bereits heute verfügbaren technischen Kom-

ponenten, die ganz klar belegen, dass die angestrebten Ziele auch erreichbar

sind.

Man kann 10 fundamentale technologische Bereiche für den Aufbau von 5G

identifizieren. In dieser Folge werden wir jeden dieser Bereiche herausarbeiten

und ihre Rolle und Bedeutung für 5G beleuchten.

8.1 Die Evolution bestehender RATs (Radio Access

Techniques)

Die Architektur einer globalen Mobilfunktechnologie ist komplex und besteht aus

vielen Elementen, die sich auch dadurch ergeben, dass in der Realität mehrere

Mobilfunkgenerationen nebeneinander existieren und miteinander kommunizie-

ren können sollten. Abbildung 8.1 stellt dar, welche Elemente LTE der Gesamt-

architektur hinzugefügt hat, nämlich einfach die roten. Wir sehen aber auch Ele-

mente für GPRS, IP-Anbindungen, WLAN-Anbindungen usf. Ein wesentliches

zentrales Element ist das Radio Access Network RAN. Das ist eigentlich die Kom-

ponente mit der meisten Außenwirkung. Das RAN besteht aus Base Stations und

- Leseprobe -



User Equipment, also meist Endgeräten oder nachgeordneten Routern wie bei

einem drahtlosen DSL-Verbindungsersatz oder einer anderen Art der Unterver-

teilung. Das LTE RAN ist links zu sehen und hat die Bezeichnung „Evolved RAN“.

Eine Radio Access Technique RAT ist eine Kommunikationsmethode zwischen

den Komponenten eines RAN.

Wie man sich aufgrund des extremen Anwendungsspektrums und der verschie-

denartigen Anforderungen leicht vorstellen kann, wird 5G nicht auf einer spezi-

ellen RAT basieren, sondern auf einer Sammlung von RATs, einschließlich Wei-

terentwicklungen von bereits vorhandenen Techniken ergänzt durch neue revo-

lutionäre Designs.

Quelle: 3GPP

Abbildung 8.1: Das RAN in einer Mobilfunkarchitektur

In diesem Zusammenhang ist die nahe liegendste und wirtschaftlichste Lösung,

um den gewünschten Kapazitätsschub um bis zu einen Faktor 1000 zu erzielen,

die Verbesserung existierender RATs in bestimmten Parametern wie spektraler

Effizienz, Energie Effizienz und Latenz. Außerdem sollte es möglich werden,

dass flexibles RAN-Sharing über unterschiedliche Anbieter hinweg möglich wird.

Ganz speziell muss LTE um die Unterstützung massiver 3D / MIMO-Technolo-

gien erweitert werden, um den „spatial degree of freedom“ (DOF) durch deutlich

verbessertes Multi-User Beamforming, verbesserte Interferenzunterdrückung

und erweiterte Möglichkeiten zur Interferenz-Koordination in hyperdichten Small

Cell Szenarios zu vergrößern. Auf die Small Cells kommen wir gleich. In diesem

- Leseprobe -



Zuge muss auch WiFi verbessert werden, um das unlizensierte Spektrum deut-

lich besser auszunutzen. Die letzte marktdurchdringende WiFi-Technik IEEE

802.11ac sollte ja an und für sich schon drahtlose Breitband-Pipes mit Multi-Gi-

gabit-Geschwindigkeit realisieren können. Dabei benutzt es bis zu 160 MHz

breite Kanäle mit 256 QAM (Quadratur Amplituden Modulation) im weniger ver-

seuchten 5-GHz-ISM-Band. Mit MU-MIMO können theoretisch ebenfalls simul-

tane Übertragungen mit bis zu vier Streams mit Multi-User MIMO aufgesetzt wer-

den. Die mögliche Beamforming-Leistung des Vorgängers 802.11n wird direkt

um mehrere Größenordnungen verbessert. Es ist zwar abzusehen, dass in der

Realität 5G und 802.11ac koexistieren werden, ob es aber wirklich viel Zusam-

menarbeit gibt, bleibt abzuwarten, weil die nächste WiFi Evolutionsstufe 11ax ja

ebenfalls schon in den Startlöchern steht. Chiphersteller wie Qualcomm oder

Broadcom arbeiten schon seit längerem in zwei Richtungen: der Nutzung von

LTE auch in unlizensierten Bereichen und der Integration von 3G/4G/WiFi-

Transceivern in einheitliche Designs für Basisstationen. Nicht vergessen darf

man in diesem Zusammenhang die Erschließung neuer Übertragungsmöglich-

keiten mit Millimeterwellen-Funktechnologien in Bereichen zwischen 25 und

60 GHz. Hier kennen die meisten vielleicht den WLAN-Standard IEEE 802.11ad

und seinen Nachfolger 802.11ay mit Zellenleistungen von bis zu 100 Gbps. Das

ist aber sozusagen nur eine Fraktion. Die ab Ende 2016 gestarteten Tests mit

Equipment für 5G umfassen auch eigenständige Techniken z. B. bei 28 oder

35 GHz. Diese waren sehr erfolgreich und auch die Auktionen von Frequenzen

zu mindestens in den USA haben deutlich gezeigt, dass Provider wie AT&T oder

Verizon erhebliches Interesse an diesen bisher weitest gehend unbenutzten Be-

reichen haben. Darauf kommen wir gleich nochmal zurück. Generell kann man

davon ausgehen, dass Endgeräte oder sonstige Benutzereinrichtungen vielfach

intelligent genug sein werden, sich die für die anstehende Kommunikation güns-

tigste RAN-Variante selbständig auszusuchen. Das kennen wir ja schon seit vie-

len Jahren von Handys, die sich, wenn man es nicht abschaltet, gerne mit

WLANs in der Umgebung verbinden. Genau das in einem breiteren Rahmen.

Die internationale Standardisierung ist an dieser Stelle noch nicht fertig. Es gibt

aber schon einige Spezifikationen der in 6.5 vorgestellten V5GTF, die beispiels-

weise für die Kommunikation zwischen einer Base Station und Endgeräten fol-

gende Randbedingungen definieren:

• Grundsätzlich Multiple Access auf Basis OFDM mit zyklischem Präfix für Up-

und Downlink, dazu TDD HD bei Bedarf

• Carrier Bandbreite 100 MHz, Ressource Block über 12 Sub-Carrier, Radio

Frame besteht aus 50 Sub-Frames und ist insgesamt 10 ms lang, die Über-

tragungsrichtung kann auf Subframe-Basis dynamisch umgeschaltet wer-

den (UL, DL).

• MIMO mit bis zu 8 Streams, maximal aber nur 2 pro User Equipment, Aggre-

gation multipler Service, Zellen mit bis zu 8

- Leseprobe -



• Physical Channels im DL: Shared, Control, Broadcast, Extended

• Physical Channels im UL: Random Access, UL Shared, UL Control

Diese Spezifikation gibt schon einige wichtige Hinweise. Die zentrale Übertra-

gungstechnik wird, wie kaum anders zu erwarten war, OFDM sein, und zwar in

der Variante, mit der man gleichzeitig den Mehrfachzugriff steuern kann, also

OFDMA. Die Träger-Bandbreite ist mit 100 MHz recht fett und man wird wahr-

scheinlich auf dynamische Carrier Aggregation zugreifen müssen, die ja schon

bei LTE Advanced definiert wurde. Man geht davon aus, dass Endgeräte nicht

so viele Antennen haben, Base Stations maximal 8. Das ist eigentlich eine sehr

zurückhaltende Annahme. Die flexible Anordnung von Kanälen in Up- und Down-

link ermöglicht intelligente Verfahren zur dichten Kanalnutzung ohne Leerlauf.

Die Spezifikation ist für „normale“ Frequenzbereiche, am Ende des Unterkapitels

werden wir sehen, wie eine Implementierung im Millimeterwellenbereich ausse-

hen kann.

8.2 Entwicklung hyperdichter Small Cell Umgebungen

Die Entwicklung hyperdichter Small Cell Umgebungen ist ein weiterer vielver-

sprechender Weg um das Ziel der 1000-fachen Leistungssteigerung zu errei-

chen. Zusammenfassend gesagt wird bei diesem Ansatz sozusagen das Beste

aus zwei Welten vereinigt. Eine klassische Mobilfunkzelle zeichnet sich dadurch

aus, dass die Kommunikation in höchstem Maße kontrolliert und zuverlässig ist.

Die Mobilfunkzelle kann viele Teilnehmer präzise im Rahmen vorher getroffener

Vereinbarungen bedienen. Dafür ist die Übertragungsleistung pro Kanal be-

grenzt und die Kosten pro übertragenem Bit sind vergleichsweise hoch. Die ei-

ner Mobilfunkzelle zugrundeliegende Logik entstammt immer noch dem geord-

neten Telefonnetz für die Sprachkommunikation. Small Cells werden z. B. durch

WLANs gebildet, haben eine hohe Leistung auf einem begrenzten Raum und

benutzen ein nicht immer zuverlässiges Verfahren für den Zugriff. Die Anzahl der

Teilnehmer ist durch die geringe räumliche Ausdehnung der Small Cell über-

sichtlich. Man kann kaum Qualitätsmerkmale vereinbaren, eine hinreichende

Bandbreite ist ausschlaggebend. Dafür sind die Kosten gering. Die zugrundelie-

gende Logik ist die eines digitalen Datenbusses.

Die Idee ist jetzt einfach, diese beiden sehr unterschiedlichen Systemarten zu-

sammen zu schalten. Den Nutzen kann man am schnellsten an einem Beispiel

verdeutlichen, der Übertragung von Video auf ein mobiles Endgerät. Man könnte

das rein mit Mobilfunk machen, dafür bräuchte der Endteilnehmer aber einen

Vertrag, der ihm dauerhaft den Bezug einer hohen Bandbreite aus dem Mobil-

funknetz erlaubt. Das wird er meist nicht bezahlen wollen. Außerdem wäre die

Qualität des Mobilfunk-Kanals hinsichtlich Latenz und Zuverlässigkeit für Video-

- Leseprobe -



Streaming viel zu hoch. Also macht man Folgendes: der Aufbau einer Verbin-

dung zu einem Video-Server und die vertragliche Abwicklung wie z. B. die Ab-

rechnung läuft über das höchst zuverlässige Mobilfunksystem. Dafür benötigt

man auch keinen besonders breiten Kanal. Das Video selbst wird aber durch die

Technik der Small Cell auf das Endgerät des Nutzers übertragen, ohne das Mo-

bilfunknetz damit zu belasten.

Das erste Ergebnis ist, dass die Leistung einer Mobilfunkzelle linear mit der An-

zahl der zusätzlich benutzten Small Cells steigt (siehe Abbildung 12). Vorausset-

zung ist, dass sich die Small Cells nicht gegenseitig stören, aber dafür gibt es

erfolgreiche Techniken.

Man hat diesen Weg auch schon für die LTE-Varianten untersucht und ab LTE

Advanced systematischer durchgesetzt. Gleichzeitig ist dadurch eine zusätzli-

che Verbesserung der Energie-Effizienz zu erwarten.

Quelle: Qualcomm

Abbildung 8.2: Kapazität skaliert dank umfangreichem Interferenz-

Management mit der Anzahl der Small Cells

Diese innovative Lösung, die auch als HetNet (Heterogenous Network) bekannt

ist, kann dabei helfen, die spektrale Effizienz in einem (abgegrenzten) Bereich

deutlich zu erhöhen. Das Maß für die spektrale Effizienz ist b/s/Hz/qm. Generell

gibt es zwei unterschiedliche Ansätze zur Realisierung eines HetNets. Der erste

Ansatz ist, ein zellulares System aus Mikro-, Pico oder Femto-Zellen mit Small

Cells in der gleichen Technologie zu überlagern. Der zweite Ansatz ist es, für die

Überlagerung eine andere Technologie als in den Small Cells zu benutzen, also

z. B. High-Speed Packet Access (HSPA), LTE, WiFi usw. Die erste Alternative

nennt man auch Multi-Tier HetNet, während die zweite als Multi-RAT HetNet be-

zeichnet wird. Im Zuge der Arbeiten an einer Leistungssteigerung um den Faktor

1000 durch hyperdichte Small Cell Umgebungen hat Qualcomm gezeigt, dass

das Hinzufügen von Small Cells die Kapazität eines Netzes in praktisch linearer

- Leseprobe -



Weise steigern kann. Einfach gesagt verdoppelt sich die Kapazität (ausgedrückt

durch die spektrale Effizienz), wenn man die Anzahl der Small Cells verdoppelt.

Das ist ja zunächst einmal nicht weiter verwunderlich. Leider steigert die Reduk-

tion der Zellengröße leider auch die Zellen-Interferenz und die Komplexität der

Zellen-Kontroll-Signalisierung. Um diesen Nachteil zu umgehen, benötigt man

auf dem System-Level verbesserte Techniken für das Interferenz-Management

zwischen den Small Cells in Zusammenarbeit mit verbesserten Interferenz-Un-

terdrückungstechniken in den Endgeräten der Benutzer. Die Verbesserung der

Small Cells war ein ganz wichtiger Punkt bei LTE R-12 während ein neuer Trä-

gertyp (New Carrier Type NCT, auch bekannt als Lean Carrier) eingeführt wurde,

um den Small Cells aus den Host Makro-Zellen heraus zu helfen. Das erlaubt

eine effizientere Gestaltung der Control Plane –Funktionen z. B. für Mobility Ma-

nagement, Synchronisation, Zuordnung von Ressourcen usw. durch die Makro-

Layer. Gleichzeitig schafft man eine spektral effiziente Data Plane mit hoher Ka-

pazität durch die Small Cells. Schließlich kann die Reduktion der Zellengröße die

Energie-Effizienz des Netzwerks einfach dadurch verbessern, dass das Netz nä-

her an den Endgeräten ist und sich daher das Power Budget der drahtlosen Ver-

bindungen deutlich verbessert.

Quelle: 3GPP

Abbildung 8.3: Entwicklung der Carrier Aggregation bei LTE Advanced

Durch die HetNets ergeben sich auch weitere Alternativen für die Carrier Aggre-

gation. Ein reines LTE-Netz kann nur über die Typen von Carriern aggregieren,

die es selbst benutzt, also FDD/TDD. Ab LTE Rel. 12 gibt es die Möglichkeit der

Aggregierung von Bandbreite auch über benachbarte Zellen hinweg (Multiflow).

Die nächste Stufe ist schlicht die, dass man sich hinsichtlich der Kapazitäten

auch bei den Small Cells bedient. Siehe dazu auch Abbildung 13.

Die Kopplung von zwei unterschiedlichen mobilen Netzwerksystemen wie grade

beschrieben ist aber nur eine Alternative. Man könnte auch auf die Idee kommen,

- Leseprobe -



9 5G-STANDARDISIERUNG: DIE 5G-SYSTEMARCHITEKTUR

In den letzten zwei Jahren wurde die Architektur von 5G durch das Gremium

3GPP, welches bereits erfolgreich 3G Mobilfunk und LTE definiert hat, ausge-

hend von grundsätzlichen Architekturstudien zu einem kompletten Satz Spezifi-

kationen der sog. „Stage 2 Level“-Qualität weiterentwickelt. Dadurch, dass in

3GPP Release 15 dieser Meilenstein erreicht wurde, konnte die 5G-Systemarchi-

tektur definiert werden. Sie liefert eine Menge von Eigenschaften und Funktiona-

litäten, die für ein kommerziell funktionsfähiges 5G-System benötigt werden. Die

Arbeitsgruppe für die Architektur bei 3GPP heißt SA2 und hat nun die grundsätz-

liche 5G Architektur festgelegt und dabei Eigenschaften, Funktionalitäten und

Dienste einschließlich ihres dynamischen Verhaltens durch die Definition von In-

formationsflüssen spezifiziert. Dieses Kapitel gibt eine kurze Einführung in die

5G-Systemarchitektur und beleuchtet einige primäre Charakteristika sowie die

geplante Weiterentwicklung.

Die Standardisierung von 5G in bei 3GPP wirklich in den besten Händen, denn

dieses internationale Gremium hat in den vergangenen Jahren schon viele täg-

lich für die Meisten wichtige Technologien erfolgreich in trockene Tücher ge-

bracht:

• 3G / UMTS mit der Schlüsseltechnologie HSPA

• LTE mit den Technologien All IP, Mobile Broadband und IMS/VoLTE

• LTE Advanced Pro für zellulares IoT, missionskritisches Push-to-Talk, Ver-

kehrssteuerung, dedizierte Core-Netze usf.

Es gibt zwei wesentliche Phasen für die normative Arbeit an 5G: Phase 1 (Rel.

15) wird bis Juni 2018 beendet sein und umfasst alle wesentlichen Elemente für

die kommerzielle Nutzung und Phase 2 (Rel. 16), die bis März 2020 fertig sein

soll und alle bislang identifizierten Anwendungsfälle und ihre Anforderungen be-

rücksichtigt. In Rel. 16 findet man z. B. Lösungen für kompliziertere Problemkin-

der wie Funkdienste mit sehr geringer Latenz.

- Leseprobe -



Die Anforderungsbereiche für ein Basis-5G-System sind:

• Mobility Management & Roaming

• Session Management und Session Continuity

• QoS & Policy Frameworks

• Access Agnostic (gleichartige Behandlung von Zugriffen aus unterschiedli-

chen Szenarien)

• Internetworking & Migration

• IMS / VoLTE-Support

5G ist nicht einfach eine Weiterentwicklung von LTE, sondern ein Wegbereiter

für viele völlig neue Dienstleistungen von neuen Teilnehmerquellen. Nur so ist

die von mir beschriebene massive Wertschöpfung zu erklären bzw. letztlich zu

erreichen.

Die ersten drei Zielgruppen benötigen keine weitere Erklärung. Die gleichartige

Behandlung von Zugriffen aus unterschiedlichen Szenarien bezieht sich darauf,

dass das 5G Core Netzwerk keine (logische) Differenzierung zwischen User

Equipment (Smartphone, Laptop, Tablet) machen soll, die auf der Technologie

des ersten Wegstückes basiert. Der Begriff „First Mile“ wird hier sehr großzügig

auf ganze Netze erweitert, wie die Abbildung 9.1 zeigt.

Quelle: 3GPP

Abbildung 9.1: 5G Access Agnostic

Die Informationen können über 5G New Radio oder LTE, aber auch über andere

Konstruktionen wie WiFi oder WiMax Small Cells, gerichtete Festfunkverbindun-

gen oder Breitband Glasfaser usw. kommen. Es gibt die Definition einer sehr

universellen Schnittstelle N2 zwischen den Zubringern und dem Kern-Netz. Die

- Leseprobe -



Logik der Kommunikation zwischen dem Kern-Netz und dem Gerät über die

Schnittstelle N1 ist immer gleich und wie gesamt unabhängig von der Zubringer-

Technologie. Wir begegnen diesen Schnittstellen weiter unten wieder. Die Frage,

ob 5G abwärtskompatibel ist, läßt sich also beruhigt bejahen. Natürlich gibt es

technische Grenzen z. B. der Übertragungsgeschwindigkeit einer Zubringer-

technologie. An diesen kann das 5G Kern-Netzwerk natürlich nichts ändern. Zu

Beginn sind noch nicht alle Möglichkeiten fertig definiert, aber dazu weiter unten

im Artikel. So exotisch ist das aber nun auch wieder nicht, weil das 5G Kern-

Netzwerk überwiegend ein virtualisiertes Glasfasernetz mit abstrakten Kanälen

ist.

Neue Teilnehmer sind Nutzer für kritische Kommunikation, IoT, Automotive, Ei-

senbahnen, Energie-Unternehmen, Broadcast Agencies, Satelliten-Betreiber …

um nur ein paar wenige zu nennen. Damit sie aber wirklich etwas Sinnvolles

aufbauen können, benötigen sie eine sehr flexible Plattform, die das alles unter-

stützt. Anforderungen wären z. B.

• Offenheit des Cores

• On-demand Ressource Allocation - lokal und Ende-zu-Ende

• servicebasierende interne Architektur des Cores

• geringe Latenz

Schlüsseltechnologien dafür sind:

• Anwendungsprogramm-Schnittstellen (APIs)

• Virtualisierung von Netzwerk-Funktionen (NFV)

• Network Slicing

• Multi-Access Edge Computing (MEC)

Die vollständige Spezifikation findet man in den Dokumenten zu den fertig ge-

stellten Spezifikationen TS 23.501, TS 23.502 und TS 23.503.

In diesem Kapitel erläutern wir die grundlegenden Elemente.

Die 5G Stage 2 Level-Spezifikationen enthalten das übergreifende Architektur-

modell und seine Prinzipien, eMBB Datendienste, Teilnehmer-Authentication

und Autorisierung zur Benutzung von Services, Anwendungsunterstützung im

Allgemeinen, dies aber eher spezifisch für Anwendungen, die näher am Radio

als am Edge Computing liegen. Die Unterstützung für IMS (IP Multimedia Sub-

system) umfasst sowohl Service Spezifikationen für Notfälle als auch Dienstspe-

zifika, die sich aus der Regulierung ergeben. Der IMS Service sorgt dafür, dass

man über LTE (und demnächst 5G) Telefonate mit hoher Qualität führen kann.

Weiterhin unterstützt das 5G-Systemarchitektur-Modell die einheitliche Imple-

mentierung von Nutzer-Diensten mit unterschiedlichen Zugriffssystemen wie Fi-

xed Wireless oder WLAN wie dargestellt von Beginn an. Die Systemarchitektur

- Leseprobe -



realisiert Zusammenarbeit mit und Migration von 4G sowie viele weitere Funkti-

onalitäten.

9.1 Gesamtarchitektur

5G-Netze sollen die Bedarfe einer höchst mobilen und vollständig vernetzten

Gesellschaft erfüllen können. Die Ausbreitung verbundener Objekte und Geräte

führen zu einem weiten Bereich neuer Dienstleistungen und damit verbundener

Geschäftsmodelle, die die Automation in verschiedenen Industrie-Sektoren und

vertikalen Märkten vorantrieben, wie wir das in früheren Artikeln auch schon er-

läutert haben.

Diese Art Anwendungen stellen eine eigenständige, neue Klasse von Anwen-

dungen dar, die neben den bisherigen, am Menschen orientierten Anwendun-

gen (Telefonie, Video, …) stehen, die ja auch ihrerseits einer heftigen Fortent-

wicklung unterliegen ( VR, AR, 4K …). Letztlich wird es auch Anwendungen ge-

ben, bei denen die Grenzen verschwimmen, wie z. B. KI. Wir haben also im 5G-

System die leistungsfähige und sichere Unterstützung Mensch-Mensch, Ma-

schine-Maschine und Mensch-Maschine-Kommunikation zu implementieren. Al-

lerdings haben besonders Mensch-Mensch und Maschine-Maschine-Kommuni-

kation völlig unterschiedliche Anforderungen. Das einleuchtendste Beispiel ist

die Latenz. Die Anforderungen bisheriger Mobilfunksysteme sind in diesem Be-

reich eher bescheiden, solange man die Sprachqualität als vernünftig empfindet

und die Verbindungen nicht allzu oft abreißen, sind die meisten Teilnehmer zu-

frieden. Eine Industriesteuerung oder die Steuerung eines autonomen Fahr-

zeugs wären in vielen Fällen mit den heutigen Leistungen überhaupt nicht zu-

frieden. Andererseits schauen Menschen gerne (Katzen-) Videos oder spielen

fotorealistische Games auch mobil online und brauchen dafür eine recht hohe

Bandbreite. Es stört aber kaum, wenn die Verbindung hier und da mal ein paar

kurze Lücken aufweist. Ein Sensor, Aktor oder ein anderes kommunizierendes

Gerät benötigt häufig sehr viel weniger Bandbreite, dafür aber eine hohe Zuver-

lässigkeit der Verbindung.

Wenn man es in drei Worte fassen möchte, sind die Ziele der 5G Architektur:

• Kundenzentrierung

• Flexibilität

• Automatisierung

Wir werden das später noch weiter ausführten, aber das wesentlichste Konzept

in diesem Zusammenhang ist das sog. „Network Slicing“. Man könnte das kurz

so beschreiben, dass die Menge der Betriebsmittel von der Funkschnittstelle

über das Access-Netz, die Edge-Verarbeitung, das Core-Netz und die RZ/Cloud-

- Leseprobe -



Strukturen komplett virtualisiert wird. Die virtuellen Instanzen können dann für

einen Anwendungsbereich optimal parametriert und dann in der notwendigen

Kette zusammengesetzt werden. So kann man Dienste präzise an die „Kunden“

anpassen.

In einem 5G-Netz können mehrere unterschiedliche Network-Slices für unter-

schiedliche Anwendungsfälle zusammen betrieben werden und auch durchaus

bestimmte Komponenten, wie z. B. die für die Sicherheit oder die Funkschnitt-

stellen, gemeinsam benutzen. Das ist das Kernkonzept der 5G Architektur und

führt zu der gewünschten Flexibilität.

Bislang hatten Mobilfunknetze eine recht übersichtliche Anzahl von Dienstleis-

tungen, die konfiguriert, instantiiert und aktiviert werden mussten. Daher konnte

das von menschlichen Operateuren erledigt werden, wenn es auch manchmal

Tage oder Wochen dauerte. Das ist mit der möglichen Vielfalt der 5G Dienste

nicht mehr möglich. Man benötigt eine Architektur und Tools, die kognitive Pro-

zeduren für alle Life-Cycle-Phasen der Network Slices bereitstellen: Vorberei-

tungsphase, Instantiierung, Konfigurations- und Aktivierungsphase, Run-Time-

Phase und Dekommisionierung. Die beiden Wegbereiter hierfür sind Soft-

wareization, also Virtualisierung, und softwaredefinierte programmierte Netz-

werkfunktionen und Infrastruktur-Ressourcen.

Weitere Schlüsselelemente sind effiziente Management- und Orchestrierungs-

prozeduren und -protokolle. Schließlich benötigt man skalierbare servicezentri-

sche Algorithmen zur Datenanalyse, die Datenquellen aus unterschiedlichen Do-

mänen auswerten und sie mit zusätzlichen Sicherheitsmechanismen anreichern,

die den Weg zur (möglichst automatischen) vertrauenswürdigen Bereitstellung

kundenspezifischer Netzwerk-Dienste mit unterschiedlichen differenzierten

Netzwerk-Funktionen auf einer gemeinsamen Infrastruktur ebnen.

Es gibt Dokumente von 3GPP, in denen die Gesamtarchitektur genau so aus-

führlich beschrieben wird wie die wichtigen Einzelheiten bzw. Kerneigenschaften

wie das Network Slicing. Im Rahmen der Standardisiererung werden diese Ele-

mente sozusagen Stück für Stück aber eben nicht auf einen Schlag vollständig

umgesetzt.

In diesem Artikel möchte ich aus didaktischen Gründen sozusagen einen Kurz-

überblick über die Gesamtarchitektur geben, der sich an einem recht konkreten

Beispiel orientiert, das wir in Abbildung 22 sehen.

Grundsätzlich folgt die Architektur einem rekursiven Modell, was einfach bedeu-

tet, dass es möglich sein soll, alle definierten Elemente in unterschiedlichen Sze-

narien wieder zu verwenden. Dazu müssen sie grundsätzlich sauber strukturiert

sein und über sinnfällige Schnittstelle verfügen. Das ist ein sehr allgemeiner An-

satz der Objekt-orientierten Programmierung und für heutige größere Software-

Systeme selbstverständlich.

- Leseprobe -



10 5G-STANDARDISIERUNG: 5G NEW RADIO

Die in Kapitel 9 beschriebene Architektur ist die Grundlage für alle weiteren Ent-

wicklungen. Technisch anspruchsvoll und hoch spannend ist auch das 5G New

Radio, kurz 5G NR, denn alle Funktionen müssen ja schließlich und endlich über

die Luftschnittstelle implementiert werden. Aufgrund der allgemeinen Technolo-

gieentwicklung ist zu erwarten, dass das 5G NR nie wirklich „fertig“ wird, son-

dern dass es wie bei LTE eine Reihe von Stufen geben wird, in denen es sich

entwickelt. 5G NR definiert u.a. die drahtlose Schnittstelle zwischen einem End-

gerät (welcher Art auch immer) und der 5G Infrastruktur.

In diesem Kapitel beschreiben wir die wesentlichsten Entwicklungen, die im Zu-

sammenhang mit der Standardisierung von 5G NR stehen. Außerdem werden

wo möglich und sinnvoll Ergebnisse von Feldversuchen in 2017/18 eingebracht.

10.1 Einführung

Wie wir bereits wissen, sind dabei sehr unterschiedliche Anwendungsbereiche

zu beachten:

• Enhanced Mobile Broadband (als „natürliche“ Weiterentwicklung von LTE)

• Massive Internet of Things (für die Anbindung der großen Vielfalt maschinel-

ler Nutzer)

• Mission Critical Services (für viele neue industrielle und andere realzeitkriti-

sche Anwendungen)

5G NR muss eine extreme Skalierbarkeit in vielen Richtungen haben, um diesem

weiten Spektrum von Anwendungen gerecht werden zu können.

5G NR arbeitet auf bekannten und neuen Frequenzbereichen:

• Low Bands unter 1 GHz

- Leseprobe -



• Mid Bands 1 GHz - 6 GHz

• High Bands über 24 GHz (Millimeterwellen-Bereich)

Alle diese Bereiche haben unterschiedliche Eigenschaften, Vor- und Nachteile.

Bisher findet der Löwenanteil der Mobilkommunikation auf den Mid Bands statt,

also z. B. bei 3,5 GHz. Beliebt ist ja auch der 5-GHz-Bereich, in dem die aller-

meisten lizenzfreien WLANs aufgebaut werden. Diese Bereiche stellen ange-

sichts der bislang in den letzten 20 Jahren verfügbaren Radiotechnik einen Kom-

promiss zwischen Aufwand und Ergebnis dar. Man kann mit geringer Leistung

brauchbare Distanzen überbrücken und auch eine vergleichsweise simple Ra-

dio-Technik verwenden, was bei Stückzahl die Kosten senkt. Grenzen findet man

aber hinsichtlich der möglichen Nutzdatenrate, denn diese recht einfache Nach-

richtenübertragungstechnik lässt keine wirklich hohen Modulationsdichten zu.

So sind die WLANs bei einer recht geringen Ausdehnung schon in den Gbps-

Bereich für die Zellenleistung vorgedrungen, bei Mobilfunk benötigt man aber

die Möglichkeit, größere Distanzen zu überwinden. Es gibt aber bei festgelegter

Technik immer einen Trade-Off zwischen Distanz und Datenrate. Das führt wie

bereits weiter oben in Kap. 8 dargestellt dazu, dass man bei Mobilfunk weder auf

einem noch mit drei Kanälen zusammen Gigabit-Leistung erzielen kann. Man

benötigt dazu parallel noch Unterstützung durch ein WLAN z. B. mit LAA. Man

könnte die Kanäle auch breite machen, dann hätte man aber wieder weniger

Möglichkeiten, unterschiedliche Benutzer Gleichzeitig sinnvoll zu versorgen.

Die Low Bands haben eine höhere Reichweite auch durch Hindernisse wie Mau-

ern hindurch und werden von den Providern gerne für die Versorgung proble-

matischer Bereiche verwendet. 5G-NR wird auch diese Bereiche abdecken und

brauchen, weil es genau definierte Anwendungsfälle dafür gibt, die aber allesamt

eine recht geringe Datenübertragungsrate vertragen.

Neuland hingegen ist die Nutzung der Millimeterwellenbereiche. Wir kennen sie

vom Standard IEEE 802.11ad für WLANs, der sich aber noch nicht richtig durch-

setzen konnte. 5G NR benötigt aber dringend eine eigenständige Möglichkeit,

um auch ohne die Unterstützung von WLANs mit Gigabit-Leistung arbeiten zu

können. Im Millimeterwellenbereich können wir vergleichsweise sehr breite Ka-

näle definieren, die schon mit relativ einfacher Modulation betrieben sehr hohe

Datenraten ermöglichen. Das haben wir ja schon häufiger diskutiert. Um es di-

rekt vorweg zu nehmen: die Feldversuche haben gezeigt, dass man im Millime-

terwellenbereich viel mehr erreichen kann, als man dachte. Vor allem hinsichtlich

der Reichweite gab es sehr viele positive Überraschungen, aber dazu später.

Insgesamt gibt es schon viele Erfahrungen mit Millimeterwellentechnik auf festen

Richtfunkverbindungen. Die kann man natürlich nutzen. Wie sich gezeigt hat, ist

es aber eine besondere Anforderung, diese Techniken zu „mobilisieren“, also

auch auf mobilen (kleinen) Endgeräten zur Verfügung zu stellen und sinnvoll zu

- Leseprobe -



nutzen. Diese Hürde wurde eigentlich erst Ende 2017 genommen, dazu später

mehr.

Die Aufgabe von 5G NR lässt sich einfach charakterisieren: hole aus einem wei-

ten Bereich von spektralen Bändern und Bereichen das jeweils Meiste heraus!

Wegen der vielfältigen Möglichkeiten muss 5G NR natürlich auch einen extremen

Bereich von Anwendungsszenarien unterstützen, von der Indoor-Anwendung o-

der einem Hotspot in einem Raum bis hin zur Realisierung einer massiven gro-

ßen Infrastruktur.

Man kann auch sagen, dass 5G NR eine Plattform für bestehende, neue und

noch nicht vorhersehbare Anwendungen sein muss!

Die wesentlichen Technologien, um das zu erreichen sind, wie in Kap. 8 bereits

angedeutet:

• Spectrum Sharing

• Flexibles Slot-basierendes Framework

• Skalierbares OFDM

• Massives MIMO

• Mobile mm-Wellen-Technik

• Duale Konfektivität

• Fortschrittlichste Kanalcodierung

Die Grundlage für 5G NR sind die 3GPP Rel.15 Spezifikationen für Enhanced

Mobile Broadband und darüber hinaus. Die primär wichtigen Bereiche sind

• eine skalierbare OFDM-Luftschnittstelle: auf Basis einer skalierbaren OFDM-

Numerologie kann man diverse Spektren und ihre Eigenheiten, sowie die

Anforderungen spezieller Anwendungsfälle und Dienste optimal berücksich-

tigen

• ein flexibles Slot-basierendes Framework: eine in sich geschlossene Slot-

Struktur hat eine Schlüsselrolle für Dienste mit geringer Latenz, URLLC und

Vorwärtskompatibilität

• fortschrittliche Kanalcodierung: ME-LDPC (Multi-Edge Low Density Party

Check) und CA-Polar (CRC-Aided Polar) für die effiziente Unterstützung gro-

ßer Datenblocks und eines zuverlässigen Kontroll-Kanals

• Massives MIMO: auf Wechselseitigkeit basierendes MU-MIMO für die Nut-

zung einer großen Anzahl von Antennen für die Vergrößerung von Leistung

und Kapazität

• Mobile Millimeterwellentechnik mit Beam-Forming und Beam-Tracking für

extreme Bandbreiten, Kapazität und Durchsatz

Wir werden diese Bereiche im Folgenden genauer beleuchten.

- Leseprobe -



10.2 Die skalierbare OFDM-basierende 5G-NR-Luftschnittstelle

Die skalierbare OFDM-basierende 5G-NR-Luftschnittstelle besitzt eine skalier-

bare Numerologie statt der bisher festen Muster für OFDM-Unterkanäle und ihre

Abstände voneinander. Wie wir gleich sehen werden, unterstützt dies höhere

Bandbreiten und ermöglicht weitere interessante Funktionen. Frequenz-Lokali-

sierung durch ein sog. Windowing, welches es auch schon in LTE gibt, hilft da-

bei, In-Band und Out-of-Band-Emissionen zu minimieren. Um weniger Strom zu

verbrauchen, nutzt man Single Carrier OFDM für effiziente Uplink-Übertragun-

gen.Unter bestimmten Bedingungen kann es z. B. für IoT-Geräte auch asynchro-

nen Multiplex-Zugriff geben, wenn die Wellenformen dabei optimiert bleiben.

Eine wirkliche technische Neuheit ist die skalierbare OFDM-Numerologie, die

man am Besten an einem Beispiel erklärt, was wir in Abbildung 33 sehen.

Quelle: Qualcomm

Abbildung 10.1: Zur skalierbaren OFDM-Numerologie

Ein wesentliches Problem bei WLANs ist es, dass sie immer und unter allen noch

so ungünstigen Bedingungen das Gleiche machen, gleiche Anzahl von Unter-

trägern, gleiche Breite von Unterträgern, gleiche Modulation aller Unterträger

meist als Block, in 11ax auch differenziert, gleiche Abstände zwischen den Un-

terträgern.

Wir haben eingangs über die verschiedenen möglichen Anwendungsszenarien

und Frequenzbereiche gesprochen. Möchte man die alle sinnvoll versorgen,

kommt man mit dieser simplen Methodik nicht weiter.

In Abbildung 33 sehen wir ganz oben die Anwendung „Outdoor Macro

Covarage“. Es geht darum, einen möglichst großen Bereich abzudecken, die

Datenrate ist sekundär. Also verwendet man einen Low Band Bereich, z. B.

700 MHz, gesteuert mit FDD (Frequenzmultiplex). Die Bandbreite eines Trägers

- Leseprobe -



ist z. B. 1,5, 10 oder 20 MHz. Hier kann man nur sehr schmale Unterträger be-

nutzen, z. B. mit einem Abstand von 15 kHz. Dem gemäß ist die Bandbreite be-

scheiden, aber man kann den Verkehr noch verhältnismäßig fair und gut bedie-

nen.

Der nächste Bereich ist „Outdoor Macro & Small Cell“. Über Einsatz und Sinn-

fälligkeit von Small Cells haben wir ja schon sehr ausführlich gesprochen, eine

typische Small Cell Technologie wäre das WLAN. Wir arbeiten in einem Mid-

Band Bereich, z. B. mit 3,5 GHz für die Macro Anbindung und 5 GHz für das

WLAN. Die Steuerung wäre in beiden Fällen mit Zeitmultiplex TDD, eine typische

Carrier-Bandbreite wäre aus der Sicht von 3GPP 100 MHz, da sind wir ja bei

WANs noch lange nicht. So oder so wäre ein Subcarrier-Spacing von 30 kHz

durchaus angemessen.

In Indoor-Bereichen arbeiten wir in lizenzfreien Bändern knapp unter 6 GHz.

Wenn die Bandbreite groß genug ist, wie z. B. 160 GHz, kann man die OFDM

Unterkanäle auch breiter machen, z. B. mit einem Subcarrier Spacing von

60 kHz. Jetzt wird wieder jeder sagen, dass man mit 160-GHz-Lösungen bei

WLANs nicht arbeiten kann. Das gilt für eigenständige flächendeckende Infra-

strukturen. Wird ein WLAN als Small Cell im Rahmen von 5G eingesetzt, wird es

von seiner assoziierten Basisstation vollständig gesteuert, wozu auch die Inter-

ferenzvermeidung gehört.

Geht man in den Millimeterwellen-Bereich, sehen die Verhältnisse nochmals an-

ders aus. Hier kann man mit sehr großen Träger-Kanalbreiten wie z. B. 400 MHz

arbeiten und das Subcarrier-Spacing noch weitertreiben, z. B. auf 120 KHz.

Bei diesen Überlegungen darf man natürlich nicht aus den Augen verlieren, dass

ZU wenige ZU breite Unterkanäle auch nicht das Gelbe vom Ei sind, aber mit der

Zeit wird man lernen, das Optimum zu finden.

Die Abbildung 34 zeigt, welche Vielfalt von Bändern für 5G erschlossen wird.

Was jetzt die nationale Zuordnung betrifft, gibt diese nur an, welche Bänder

grundsätzlich benutzt werden sollen oder dürfen. Die jeweiligen Provider müs-

sen sich dann noch darüber einigen, wie sie die lizensierten Bereiche unter sich

aufteilen, meist geschieht das in Form von Auktionen, in den USA ist es aber

auch schon vorgekommen, dass die FCC schlicht eingegriffen hat, z. B. um eine

Monopolstellung eines einzelnen Providers zu verhindern.

Die Abbildung 34 ist insgesamt nicht rechtsverbindlich und dient nur der An-

schauung.

- Leseprobe -



Neue 5G-Bänder: dunkelblau: Lizensiert oder geshared, mittelblau: lizenzfrei; hellblau ist

ein bereits existierendes 5G-Band bei 2,5 GHz

Quelle: Qualcomm

Abbildung 10.2: Spektralbänder und -Typen für 5G NR

10.3 Das flexible Slot-basierende Framework und seine

Möglichkeiten

Spannend findet der Autor, wie 3GPP die flexible Slot Struktur so aufbaut, dass

nicht nur aktuell bekannte, sondern auch noch in der Zukunft liegende Dienste

realisiert und sinnvoll bedient werden können. Hier hilft uns die Abb. 35 beim

weiteren Verständnis. Es geht letztlich darum einen möglichst flexiblen, dabei

aber auch effizienten Multiplex aufzubauen.

Grundlage ist zunächst einmal die skalierbare Numerologie. Um Missverständ-

nissen vorzubeugen: für einen Frequenzbereich und einen Bereich von Anwen-

dungen und Dienstleistungen ist das Subcarrier Spacing festgelegt. Es ändert

sich also nicht laufend. In Abb. 35 ist die Zeitachse von Links nach Rechts. Von

Vorne nach Hinten haben wir eine Frequenz-Dimension. Rein theoretisch könn-

ten wir das auch umkehren, aber für diese Erklärungen ist es wie angegeben.

Eine wichtige, ganz neue Möglichkeit ist die skalierbare Slot-Dauer. Wir sehen in

Abbildung 35 links einen recht gemütlichen Slot, in dessen Rahmen die Unter-

träger bequem ablaufen können. Ganz rechts sehen wir aber deutlich kleinere

Slots, sowohl in der Zeit, als auch im abgebildeten Frequenzbereich (die Käst-

chen). Diese skalierbare Slot-Dauer erlaubt ein effizientes Multiplexing diverser

Latenz- und QoS-Anforderungen.

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11 ELEKTROMAGNETISCHE BELASTUNG DURCH

FLÄCHENDECKENDE WIRELESS-INFRASTRUKTUREN

Die in den nächsten Jahren von Unternehmen und Organisationen durch die

neueren Entwicklungen bei Endgeräten mit Sicherheit vorzunehmende Verdich-

tung von Wireless-Infrastrukturen wirft Fragen hinsichtlich der elektromagneti-

schen Belastung durch die neu einzusetzenden Technologien 11ac, 11ad und

LTE, LTE Advanced und 5G auf. Auch wenn diese Systeme natürlich die allge-

mein definierten und verstandenen Grenzwerte einhalten, gibt es gravierende

Unterschiede hinsichtlich der tatsächlichen Belastung.

Auch wenn, um es direkt vorweg zu nehmen, bis heute keinerlei schädigende

Wirkungen wissenschaftlich belegt werden konnten und die Grenzwerte tatsäch-

licher Installationen massiv unter den gesetzlichen Vorgaben liegen, ist rein sta-

tistisch damit zu rechnen, dass sich im Zuge der immer weiteren Ausbreitung

der mobilen Funkversorgung nicht nur von Handys, sondern letztlich fast aller

Endgeräte, mehr Personen als bisher „das Gefühl“ haben, aufgrund der subjek-

tiv empfundenen Steigerung der Belastung durch elektromagnetische Wellen

(die tatsächlich vielfach nicht gegeben ist) die Funksysteme für gesundheitliche

Störungen verantwortlich machen. Man kann das durchaus auch als Angst vor

zu viel Funk interpretieren. Objektiv betrachtet sinken die Möglichkeiten, sich als

Person der elektromagnetischen „Bestrahlung“ auszusetzen, ja vielfach tatsäch-

lich.

Es gibt ja noch ältere Büros mit einer konventionellen Kabelversorgung der End-

geräte, PCs unter dem Tisch und klobigen Telefonen an der Schreibtischkante.

Wird diese Umgebung auf ein modernes Arbeitsplatzumfeld mit hoher Mobilität

umgestellt, werden Ethernet-Drahtverbindungen durch WLANs ersetzt und alte

Telefone durch Smartphones, die letztlich je nach Situation auch mit WLANs o-

der Mobilfunk betrieben werden.

- Leseprobe -



Es gibt durchaus Sensibilität von Mitarbeitern, die alleine durch die gefühlte

„Ausweglosigkeit“ impliziert werden und dann als Resultat der Phobie oder des

durch sie ausgelösten Stresses tatsächlich zu realen physischen und psychi-

schen Störungen führen können. So etwa in der Art, wie viele Personen das Fah-

ren mit einem Aufzug als sehr unangenehm empfinden, wobei weniger die Angst

vor einem möglichen Absturz als die Enge der Kabine an sich und der unange-

nehme enge Körperkontakt samt olfaktorischer Missliebigkeiten im Vordergrund

stehen.

Aufgrund der häufiger vorgetragenen Beschwerden und der von Wissenschaft-

lern als interessant erachteten Bereiche wurden vor allem mögliche Zusammen-

hänge zwischen Mobilfunk und folgenden Problemkreisen untersucht:

• Elektrosensibilität

• Hirnströme und Schlafparameter

• kognitive Leistungen

• Hormonausschüttung und Stress

• Öffnung der Blut-Hirn-Schranke

• Blutbild

• Kanzerogenese

In den vergangenen Jahrzehnten sind sehr unterschiedliche Forschungsvorha-

ben vor allem mit in-vitro-Versuchen, Versuchen an Tieren und Probanden sowie

epidemologische Langzeitstudien durchgeführt worden.

Im späteren Verlauf subsummieren wir die für die einzelnen Problembereiche

erzielten Ergebnisse. Diese zeigen alle das bereits eingangs genannte Ergebnis,

dass weder WLANs noch Mobilfunk wissenschaftlich fundiert Schädigungen ein-

treten können, wenn die vorgeschriebenen Grenzwerte eingehalten werden.

Meist werden sie in der Realität noch weit unterboten.

Das Problem sind also im Kern nicht die möglichen gesundheitlichen Schädi-

gungen durch „Funkstrahlung“, sondern die Angst davor. Denn praktisch alle

genannten Problemkreise führen zu einer unerwünschten Leistungsdegradation

der betroffenen Mitarbeiter. Also ist vor allem bei der Umstellung bisher konven-

tionell versorgter Bereiche auf Mobilität und Funktechnik systematische Aufar-

beitungsarbeit gefragt. Diese kann nur von Fakten unterlegt werden. Natürlich

sind auch sie kein Patentrezept. Man kann jemandem mit Höhenangst immer

wieder sagen, dass die Brücke bis jetzt gehalten hat und das auch weiterhin so

sein wird, es hilft ihm leider längst nicht immer.

Aber ein Verschweigen der Probleme und eine mangelnde Aufarbeitung können

dazu führen, dass der betroffene Mitarbeiter sich mittelfristig immer unwohler

fühlt und dann daraus tatsächlich Krankheitsbilder bis zum Burn-Out entstehen.

- Leseprobe -



Es gibt auch immer wieder Verdrängungsmechanismen, die zur Verwechslung

von Ursachen und Wirkungen führen. Bei Ängsten ist es ja grade die Aufgabe

der Psychotherapie, genau herauszubringen, was die wirkliche Ursache einer

Angst beim Patienten ist.

Und grade bei der Kommunikation mit modernen Geräten taucht ein Problem

immer stärker auf, nämlich die permanente Erreichbarkeit. Früher konnte man

sich dadurch entziehen, dass man sich einfach nicht in der Nähe eines Telefon

Apparates aufgehalten hat. Heute nutzt das rein gar nichts mehr und skrupellose

Chefs rufen zu allen Tages- und Nachtzeiten auch an Sonn- und Feiertagen an.

Der moderne arbeitende Mensch ist zunächst einmal so geprägt, dass er sich

vielfach bei einer derartigen schweren Belästigung nicht zur Wehr setzt, es gibt

hier durchaus auch erheblichen Gruppendruck in dieser Generation, bei denen

das Handy ein unverzichtbarer Körperteil zu sein scheint. Typische Kontrolle

beim Verlassen des Hauses: Handy dabei? ok. Schlüssel dabei? ok. Gehirn da-

bei? Vergessen? Dafür kehre ich nicht mehr um!

Scherz beiseite, für die Erreichbarkeit muss es deutliche Grenzen geben, die

zwischen den Tarifpartnern vereinbart werden müssen. Hier gibt es nach Ansicht

des Autors noch sehr viel Arbeit. Kommen wir aber auf den armen Mitarbeiter

zurück, der sich durch die dauernde Erreichbarkeit und das passive Verhalten

seiner Kollegen angesichts des Problems immer weiter in die Ecke gedrängt

fühlt. Um nicht zum Außenseiter zu werden, „schluckt“ er das Problem und ver-

hält sich so, als sei alles in Ordnung. Das kann eine Zeit lang funktionieren, aber

es ist wahrscheinlich, dass sich die Abneigung gegen die dauernde Erreichbar-

keit einen anderen Katalysator sucht. Und das könnte z. B. die Angst vor Funk-

wellen sein, denn letztlich sind ja sie diejenigen, die die Belästigung von Ort zu

Ort tragen. Das ist in etwa eine Analogie dazu, dass der Überbringer einer

schlechten Nachricht doch ab und an erschlagen wird.

In den Jahren 2000 – 2005 gab es eine Reihe groß angelegter Initiativen und

Forschungsprojekte hinsichtlich der elektromagnetischen Belastung (Elektro-

smog) durch drahtlose Übertragungssysteme. Zwischenzeitlich haben die mo-

bilen Geräte eine erhebliche Ausbreitung erfahren und die Frage nach der Be-

lastung scheint mehr und mehr in den Hintergrund zu treten. Letztlich entschei-

dend für physiologische Effekte ist aber nicht eine punktuelle Belastung, son-

dern die Summe der Belastungen über die Zeit.

In der überwiegenden Anzahl der Haushalte gibt es bereits WLANs primär in der

Rolle von DSL-Unterverteilern. Die Anzahl der Mobilfunk-Basisstationen hat sich

in Abhängigkeit von der Besiedlungsdichte in den letzten Jahren deutlich erhöht.

Die Verwendung von Mobiltelefonen ist Standard. Alles zusammen ergibt sozu-

sagen eine Grundlast, der wir dauerhaft ausgesetzt sind.

- Leseprobe -

Date post:	18-Aug-2019
Category:	Documents
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5G – Anwendungsfelder, Standardisierung, Technologien · Dieses Werk einschließlich aller seiner...

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