5G – Der Mobilfunkstandard im Überblick
5G steht laut Namensgeber International Telecommunication Union (ITU) für das Mobilfunknetz der 5. Generation. Entwickelt wird der neue Standard seit 2016 vom „3rd Generation Partnership Project“. Das 3GPP ist eine weltweite Kooperation von Gremien für die Standardisierung im Mobilfunk. Es definiert sowohl die „New Radio“ (NR) genannte Luftschnittstelle als auch das neue, hochflexible Kernnetz (Core, Backbone). Die Spezifikationen für letzteres hat das Konsortium im Juni 2018 im Standalone-Release 15, kurz SA 15, final festgezurrt.
Mithilfe des neuen Mobilfunkstandards sollen nicht nur Menschen miteinander kommunizieren, sondern auch Unmengen von Sensoren und Geräten. So gilt 5G als eine Schlüsseltechnologie für das Internet of Things (IoT), das Autos, Heizungen, Maschinen und viele andere Dinge miteinander vernetzt.
Hocheffiziente, rückwärtskompatible Luftschnittstelle
Mit LTE hat das 3GPP das hocheffiziente Zugriffsverfahren OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) eingeführt. 5G übernimmt OFDMA. Auch kommt als Modulationsverfahren weiterhin die Quadraturphasenumtastung QPSK („Quadrature Phase-Shift Keying“ oder „Quaternary Phase-Shift Keying“), auch als Vierphasen-Modulation bezeichnet, zum Einsatz. Dadurch bleibt die Luftschnittstelle grundsätzlich rückwärtskompatibel.
Zusätzlich kommt seit 3G/HSPA die Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM) zum Einsatz. Das Modulationsverfahren kombiniert die Amplitudenmodulation mit einer Phasenmodulation. Geläufig sind heute QAM 16, QAM 32, QAM 64 und QAM 256. Die Zahlen stehen jeweils für die Anzahl an Zuständen, die gleichzeitig codiert werden können. Je höher die Dichte, desto mehr Informationen können pro Zeiteinheit übertragen werden – mit anderen Worten, die Datenübertragungsrate steigt bei sonst gleichen Bedingungen. 5G bringt zusätzlich noch QAM 1024 ins Spiel. Damit kann es die spektrale Effizienz (SE) weiter erhöhen und bei Bedarf noch mehr Daten je Zeiteinheit übertragen. Dies soll letztlich Datenraten von bis zu 20 GBit/s ermöglichen.
5G führt neue Vernetzungstopologien ein
Wenn immer mehr Geräte im privaten wie im industriellen Bereich per Mobilfunk kommunizieren, steigt der Kapazitätsbedarf rasant. Bisherige, zentralisierte Netze können mit dieser Entwicklung nicht mithalten. Jedes Endgerät verbindet sich hierbei ausschließlich mit der nächstgelegenen Basisstation oder mit einer feststehenden Relaisstation. Der Datenverkehr läuft also in jedem Fall über das Kernnetz.
In 5G ist hingegen mit „Multi-Hop-Relaying“ die Möglichkeit vorgesehen, dass Geräte Daten direkt untereinander austauschen, so dass diese nicht über das Backbone des Providers laufen. Diese Device-to-Device-(D2D)- oder auch Peer-to-Peer-Netzwerke lässt 5G die vorhandenen Ressourcen viel besser ausnutzen.
Mit „Hops“ lässt sich zudem die Reichweite in Gebäuden erhöhen: Die Daten „hüpfen“ von einem Endgerät zum nächsten, bevor sie zur 5G-Basisstation übertragen werden. Diese Schritte können die Last im Kernnetz erheblich verringern.
5G kann mehr und breitere Frequenzspektren nutzen
5G wird anders als seine Vorgänger mehr und breitere Frequenzspektren nutzen. Dabei wird es in Bereiche der Zenti- und Millimeterwellenlängen vorstoßen, etwa mit dem ergänzenden E-Band bei 71 - 76 GHz und 81 - 86 GHz. Voraussichtlich noch im Jahr 2018, spätestens aber 2019 wird die Bundesnetzagentur (BNetzA) für Mobilfunk genutzte Frequenzen erneut versteigern. Konkret sieht die BNetzA für Deutschland Frequenzbereiche zwischen 3,4 bis 3,8 GHz und oberhalb von 24 GHz vor. Auch die Frequenzmittenlücke des niederfrequenten 700-MHz-Bandes steht zur Disposition.
5G ist so ausgelegt, dass es Bandbreiten bis zu 400 MHz nutzen kann. Dafür müssen diese allerdings an einem Stück im Frequenzband zur Verfügung stehen. In Europa und Deutschland ist dies im Bereich von 3,4 bis 3,8 GHz der Fall. Diese 400 MHz müssen sich die drei großen Netzbetreiber, neue 5G-Netzbetreiber und neue private 5G-Netze etwa Industrieanlagen, der Agrarkultur und private Netze der Städte und Gemeinden teilen.
Einsatz von Kleinzellen – Small Cells
Kleinzellen (Small Cells) kommen insbesondere an Orten mit hoher Nutzerdichte heute schon zum Einsatz. Zum Beispiel in Fußgängerzonen oder auf hoch frequentierten Plätzen können Kleinzellen Engpässe im bestehenden Netz beheben. Small Cells ersetzen nicht die klassischen Mobilfunk-Dachstandorte, sondern ergänzen diese und verdichten das Netz an Orten mit besonders hoher Nachfrage (Hotspots). Mehr Zellen in einem kleinen Gebiet bedeutet auch, dass die Kapazität, also die Anzahl möglicher gleichzeitiger Nutzer mit gleichzeitig hohem Datendurchsatz, signifikant erhöht wird. Small Cells sind somit für sehr hohe kapazitive Anforderungen auf kleiner Fläche geeignet (Innenstädte, Veranstaltungszentren, Festplätze, Stadien, etc.). Die Nutzer von mobilen Endgeräten profitieren von der Leistungsregulierung zwischen Sendeanlage und Handy, da der Akku weniger belastet wird.
Eine Small Cell ist eine Mobilfunkzelle mit geringer Sendeleistung und damit resultierenden kleinem Versorgungsbereich, ähnlich einem WLAN–Hotspot, aber mit Einbindung ist das allgemeine Mobilfunknetz. Der Versorgungsradius liegt bei etwa 150 Metern. Dadurch, dass diese sehr nah an den Nutzern installiert werden, müssen entsprechend viele Zellen für eine unterbrechungsfreie Versorgung in einem Gebiet wie zum Beispiel einer Fußgängerzone installiert werden. Small Cells werden mit einer niedrigen Sendeleistung (kleiner als 10 Watt EIRP) betrieben und benötigen daher keine Standortbescheinigung. Sie werden aber dennoch der Bundesnetzagentur angezeigt. Die verwendeten Antennen sind deutlich kleiner als herkömmliche Mobilfunkantennen. Sie können an Hauswänden, Litfaßsäulen oder öffentlichen Telefonanlagen montiert werden. Möglicherweise werden solche Zellen zukünftig auch linienförmig entlang von Verkehrswegen, beispielsweise in Straßenlampen verbaut.
Wie wird EIRP berechnet?
: in die Antenne eingespeiste Leistung (in Watt),
: Antennengewinn gegenüber einem Isotropstrahler (dimensionslos)
Als Bezugsantenne für den Antennengewinn wird hier der Isotropstrahler verwendet. Um die Bezugsantenne beim Antennengewinn kenntlich zu machen, wird dieser in dBi angegeben, wobei das der Einheit dB angehängte "i" für die Bezugsantenne „Isotropstrahler“ steht.[3]
Da sich ERP und EIRP nur in der Bezugsantenne für den Antennengewinn unterscheiden (ein Halbwellendipol hat einen Antennengewinn gegenüber einem isotropen Strahler von 1,64 – entsprechend 2,15 dBi[4]), besteht folgende Beziehung:
Oder beispielhaft in logarithmierten Einheiten:
Der deutsche Begriff für die EIRP ist relativ unüblich. Oft wird beispielsweise die Formulierung Strahlungsleistung (EIRP) verwendet.
Um die effektive Sendeleistung der 5G Antenne zu ermitteln, muss daher EIRP/1.64 gerechnet werden.
Damit erhält man eine effektive Sendeleistung von <10W/1.64= <6W
EIRP wird oft als physikalische Größe behandelt, auch wenn dieser Wert physikalisch bei einer Antenne mit Richtwirkung nicht auftritt. Der Rechengröße wird eine Einheit (Watt) zugewiesen. Eine andere Möglichkeit ist, EIRP hinter der Maßeinheit in Klammern zu stellen, z. B. Watt (EIRP).
Leistungsverlust (Dämpfung)
Ausbreitung im freien Raum
Im freien Raum gelten unter idealen Bedingungen die einfachen Berechnungsmethoden, nach welchen die vom Sender erzeugte Leistungsflussdichte mit dem Quadrat der Entfernung abfällt.
Danach berechnet sich die beim Mobilgerät nutzbare Empfangsleistung zu:
Diese Gleichung ist auch als "Freiraumformel" bekannt. Die reine Funkfelddämpfung in Dezibel berechnet sich zu:
 | = 32,44 + 20log(f) + 20 log(d/1000) [dB] |
wobei f die Frequenz in MHz ,
die Wellenlänge in Metern und d der Abstand in Meter ist
Ausbreitung auf der Ebene, im Gelände und im bebauten Gebiet
Bereits in der Ebene empfängt sowohl das Mobilgerät als auch die Basisstation aber nicht nur das direkte, von der Antenne stammende Signal, sondern auch das vom Erdboden reflektierte. Bedingt durch dessen Phasenunterschied und den daraus durch Überlagerungen resultierenden Auslöschungen sieht man man hier einen Abfall der Empfangsleistung nicht nur mit dem Quadrat der Entfernung, sondern ab einer gewissen Entfernung vom Sender mit höheren Potenzen der Entfernung.
Die Grenze dieser Entfernung bezeichnet sich als "erste Fresnelzone" und hängt von der Wellenlänge sowie den Antennenhöhen der Basisstation und des Mobilgerätes ab. Sie berechnet sich zu:
| Wobei: | d = | Abstand der 1. Fresnelzone zur Basisstation [m] |
d1 = | Höhe der Basisstationsantenne [m] | |
d2 = | Höhe der Mobilgerätantenne [m] | |
| = | Wellenlänge [m] |
Unterhalb dieses Abstandes d entspricht in der Ebene die entfernungsabhängige Dämpfung etwa der Freiraumdämpfung, darüber fällt die Empfangsleistung mehr als nur mit dem Quadrat der Entfernung ab (in Abhängigkeit von der Rauigkeit der "Ebene" bis zur vierten Potenz).
Bei einer Basisstationsantennenhöhe von 25 m, einer Mobilstationsantennenhöhe von 1,5 m und einer Frequenz von 950 MHz beträgt dieser Abstand nach der o. g. Gleichung ca. 473 m.
Real erfolgt die Funkausbreitung beim Mobilfunk jedoch über unebenem Gebiet, wo Berge und Täler sowie Bewuchs und Bauwerke zu Abschattungen, Beugungen und Reflexionen führen. Dem direkten Signal überlagern sich dadurch noch mehr wie in der Ebene zusätzliche Komponenten, die je nach Phasendifferenz additiv oder subtraktiv wirken. Oftmals besteht gar keine Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger, sodaß das empfangene Signal überwiegend oder ausschließlich aus teilweise sogar mehrfach reflektierten Komponenten besteht.
Im Frequenzbereich des digitalen Mobilfunks genügen bei dem Mobilgerät dann schon wenige Zentimeter der Ortsveränderung, um deutliche Unterschiede in der Empfangsleistung zu bewirken.
Bei einer Basisstation nutzt man diese Ortsabhängigkeit der Empfangsleistung zu deren Verbesserung durch Verwendung mehrerer Empfangsantennen (Antennen Diversity).
5G Architecture
5G verwendet eine intelligentere Architektur, die nicht mehr durch die Nähe zur Basisstation oder komplexe Infrastrukturen eingeschränkt ist. Erfahren Sie alles über die 5G-Architektur!
Das Hauptziel früherer Generationen von Mobilfunknetzen war es, den Netznutzern einfach nur schnelle und zuverlässige mobile Datendienste anzubieten. 5G hat diesen Bereich erweitert, um eine breite Palette von drahtlosen Diensten für den Endverbraucher über mehrere Zugangsplattformen und mehrschichtige Netzwerke anzubieten.
5G ist ein dynamisches, kohärentes und flexibles Framework aus mehreren fortschrittlichen Technologien, das eine Vielzahl von Anwendungen unterstützt. 5G verwendet eine intelligentere Architektur, bei der Radio Access Networks (RANs) nicht mehr durch die Nähe der Basisstation oder komplexe Infrastrukturen eingeschränkt sind. 5G ist wegweisend für ein disaggregiertes, flexibles und virtuelles RAN mit neuen Schnittstellen, die zusätzliche Datenzugangspunkte schaffen.
5G Architecture 3GPP
Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) umfasst Telekommunikationstechnologien einschließlich Funkzugang, zentrale Transportnetze und Servicekapazitäten. 3GPP hat komplette Systemspezifikationen für die 5G-Netzwerkarchitektur geliefert, die wesentlich serviceorientierter ist als frühere Generationen.
Die Bereitstellung der Dienste erfolgt über ein gemeinsames Framework für Netzwerkfunktionen, die diese Dienste nutzen dürfen. Modularität, Wiederverwendbarkeit und Selbstbegrenzung von Netzwerkfunktionen sind zusätzliche Designüberlegungen für eine 5G-Netzwerkarchitektur, die durch die 3GPP-Spezifikationen beschrieben wird.
5G Spektrum und Frequenz
Mehrere Frequenzbereiche werden nun für 5G new radio (NR) reserviert. Der Teil des Frequenzspektrums mit Frequenzen zwischen 30 GHz und 300 GHz wird als Millimeterwelle bezeichnet, da die Wellenlängen von 1-10 mm reichen. Frequenzen zwischen 24 GHz und 100 GHz werden nun in mehreren Regionen weltweit an 5G vergeben.
Neben der Millimeterwelle werden auch ungenutzte UHF-Frequenzen zwischen 300 MHz und 3 GHz für 5G wiederverwendet. Die Vielfalt der verwendeten Frequenzen kann auf die spezifischen Anwendungen zugeschnitten werden, da die höheren Frequenzen durch eine höhere Bandbreite, wenn auch mit einem kürzeren Bereich, gekennzeichnet sind. Die Millimeterwellenfrequenzen sind ideal für dicht besiedelte Gebiete, aber unwirksam für die Kommunikation über große Entfernungen. Innerhalb dieser Hoch- und Niederfrequenzbänder, die für 5G bestimmt sind, hat jeder Träger damit begonnen, seine eigenen diskreten Einzelabschnitte des 5G-Spektrums herauszuschneiden.
MEC
Multi-Access Edge Computing (MEC) ist ein wichtiges Element der 5G-Architektur. MEC ist eine Weiterentwicklung des Cloud Computing, die die Anwendungen von zentralisierten Rechenzentren auf den Netzwerkrand und damit näher an die Endbenutzer und ihre Geräte bringt. Dies schafft im Wesentlichen eine Abkürzung bei der Bereitstellung von Inhalten zwischen Benutzer und Host und den langen Netzwerkpfad, der sie einmal getrennt hat.
Diese Technologie ist nicht exklusiv für 5G, aber sie ist sicherlich ein wesentlicher Bestandteil der Effizienz. Zu den Merkmalen des MEC gehören die geringe Latenz, die hohe Bandbreite und der Echtzeitzugriff auf RAN-Informationen, die die 5G-Architektur von seinen Vorgängern unterscheiden. Diese Konvergenz des RAN und der Kernnetze wird die Betreiber verpflichten, neue Ansätze für die Prüfung und Validierung von Netzen zu nutzen.
5G-Netzwerke auf Basis der 3GPP 5G-Spezifikationen sind eine ideale Umgebung für den Einsatz von MEC. Die 5G-Spezifikationen definieren die Voraussetzungen für Edge Computing, so dass MEC und 5G den Datenverkehr gemeinsam weiterleiten können. Zusätzlich zu den Vorteilen der MEC-Architektur in Bezug auf Latenz und Bandbreite wird die Verteilung der Rechenleistung das hohe Volumen an angeschlossenen Geräten, das mit der 5G-Bereitstellung und dem Aufkommen des Internet der Dinge (IoT) verbunden ist, besser ermöglichen.
NFV und 5G
Die Netzwerkfunktionsvirtualisierung (NFV) entkoppelt Software von Hardware, indem sie verschiedene Netzwerkfunktionen wie Firewalls, Load Balancer und Router durch virtualisierte Instanzen ersetzt, die als Software laufen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, in viele teure Hardware-Elemente zu investieren, und die Installationszeiten können beschleunigt werden, wodurch dem Kunden schneller umsatzgenerierende Dienstleistungen angeboten werden.
NFV ermöglicht die 5G-Infrastruktur durch die Virtualisierung von Appliances innerhalb des 5G-Netzwerks. Dazu gehört auch die Netzwerk-Slicing-Technologie, die es ermöglicht, mehrere virtuelle Netzwerke gleichzeitig zu betreiben. NFV kann andere 5G-Herausforderungen durch virtualisierte Computer-, Speicher- und Netzwerkressourcen angehen, die auf der Grundlage der Anwendungen und Kundensegmente angepasst werden. 
Multi-Talent: 5G ist darauf ausgelegt, seine Vorgänger-Technologien in allen Bereichen deutlich zu übertrumpfen. (Bild: VCG)
5G RAN-Architektur
Das Konzept des NFV erstreckt sich auf das Funkzugangsnetz (RAN), z.B. durch die Disaggregation des Netzes, die durch Allianzen wie O-RAN gefördert wird. Dies ermöglicht Flexibilität und schafft neue Wettbewerbschancen, bietet offene Schnittstellen und Open-Source-Entwicklung und erleichtert letztendlich die Bereitstellung neuer Funktionen und Technologien in großem Maßstab. Das Ziel der O-RAN-Allianz ist es, die Bereitstellung von Hardware verschiedener Hersteller mit Standardhardware zu ermöglichen, um die Interoperabilität zu erleichtern und zu beschleunigen. Die Disaggregation des Netzwerks ermöglicht es auch, Komponenten des Netzwerks zu virtualisieren, was ein Mittel zur Skalierung und Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit bei zunehmender Kapazität darstellt. Die Vorteile der Virtualisierung von Komponenten des RAN bieten die Möglichkeit, aus Hard- und Software-Sicht kostengünstiger zu sein, insbesondere für IoT-Anwendungen, bei denen die Anzahl der Geräte in die Millionen geht.
eCPRI
Die Disaggregation des Netzwerks mit dem Funktionsaufteilung bringt auch weitere Kostenvorteile, insbesondere bei der Einführung neuer Schnittstellen wie eCPRI. RF-Schnittstellen sind bei der Prüfung einer großen Anzahl von 5G-Trägern nicht kostengünstig, da die RF-Kosten schnell steigen. Die Einführung von eCPRI-Schnittstellen stellt eine kostengünstigere Lösung dar, da weniger Schnittstellen zum Testen mehrerer 5G-Träger verwendet werden können. eCPRI soll eine standardisierte Schnittstelle für 5G sein, die beispielsweise in der O-RAN-Frontleitung wie dem DU eingesetzt wird. CPRI wurde im Gegensatz zu eCPRI für 4G entwickelt, war aber in vielen Fällen herstellerspezifisch und machte es für die Betreiber problematisch.
Netzwerk-Slicing
Vielleicht ist das Network Slicing der Schlüsselfaktor, der es ermöglicht, das volle Potenzial der 5G-Architektur auszuschöpfen. Diese Technologie verleiht der NFV-Domäne eine zusätzliche Dimension, indem sie es ermöglicht, dass mehrere logische Netzwerke gleichzeitig auf einer gemeinsamen physischen Netzwerkinfrastruktur ausgeführt werden. Dies wird integraler Bestandteil der 5G-Architektur, indem End-to-End virtuelle Netzwerke erstellt werden, die sowohl Netzwerk- als auch Speicherfunktionen beinhalten.
Betreiber können verschiedene 5G-Anwendungsfälle mit unterschiedlichen Anforderungen an Durchsatz, Latenz und Verfügbarkeit effektiv verwalten, indem sie Netzwerkressourcen auf mehrere Benutzer oder "Mieter" verteilen.
Network Slicing wird für Anwendungen wie das IoT äußerst nützlich, bei denen die Anzahl der Benutzer extrem hoch sein kann, aber der Gesamtbandbreitenbedarf gering ist. Jede 5G-Vertikale wird ihre eigenen Anforderungen haben, so dass Network Slicing zu einer wichtigen Designüberlegung für die 5G-Netzwerkarchitektur wird. Kosten, Ressourcenmanagement und Flexibilität der Netzwerkkonfigurationen können mit diesem jetzt möglichen Anpassungsgrad optimiert werden. Darüber hinaus ermöglicht Network Slicing beschleunigte Tests für potenzielle neue 5G-Dienste und eine schnellere Time-to-Market.
Strahlformung
Eine weitere bahnbrechende Technologie, die für den Erfolg von 5G entscheidend ist, ist das Beamforming. Herkömmliche Basisstationen haben Signale in mehrere Richtungen übertragen, ohne Rücksicht auf die Position der Zielpersonen oder Geräte. Durch die Verwendung von Multiple-Input-, Multiple-Output-(MIMO)-Arrays mit Dutzenden von kleinen Antennen, die in einer einzigen Formation kombiniert sind, können Signalverarbeitungsalgorithmen verwendet werden, um den effizientesten Übertragungsweg zu jedem Benutzer zu bestimmen, während einzelne Pakete in mehrere Richtungen gesendet und dann choreographiert werden können, um den Endbenutzer in einer vorbestimmten Reihenfolge zu erreichen.
Bei der 5G-Datenübertragung, die die Millimeterwelle einnimmt, sind die Freiraumausbreitungsverluste, die proportional zur kleineren Antennengröße sind, und die Beugungsverluste, die höheren Frequenzen und der fehlenden Wanddurchdringung innewohnen, deutlich größer. Andererseits ermöglicht die kleinere Antennengröße auch viel größere Arrays, den gleichen physikalischen Raum einzunehmen. Mit jeder dieser kleineren Antennen, die die Strahlrichtung mehrmals pro Millisekunde neu zuweisen können, wird eine massive Strahlformung zur Unterstützung der Herausforderungen der 5G-Bandbreite möglich. Mit einer größeren Antennendichte im gleichen physikalischen Raum können mit massivem MIMO kleinere Strahlen erreicht werden, wodurch ein hoher Durchsatz bei effektiverer Benutzerführung erreicht wird.
5G Core Architecture
Die 5G-Core-Netzwerkarchitektur ist das Herzstück der neuen 5G-Spezifikation und ermöglicht den erhöhten Durchsatzanspruch, den 5G unterstützen muss. Der neue 5G-Kern, wie er von 3GPP definiert wurde, nutzt eine Cloud-orientierte, servicebasierte Architektur (SBA), die sich über alle 5G-Funktionen und Interaktionen erstreckt, einschließlich Authentifizierung, Sicherheit, Session-Management und Aggregation des Datenverkehrs von Endgeräten. Der 5G-Kern betont NFV weiterhin als integrales Designkonzept mit virtualisierten Softwarefunktionen, die über die MEC-Infrastruktur, die für die 5G-Architekturprinzipien zentral ist, bereitgestellt werden können.
Unterschiede zur 4G-Architektur
Änderungen auf der Kernniveau gehören zu den unzähligen architektonischen Veränderungen, die mit dem Wechsel von 4G zu 5G einhergehen, einschließlich der Migration auf Millimeterwellen, massives MIMO, Netzwerk-Slicing und im Wesentlichen jedes andere diskrete Element des vielfältigen 5G-Ökosystems. Der 4G Evolved Packet Core (EPC) unterscheidet sich deutlich vom 5G-Kern, wobei der 5G-Kern Virtualisierung und natives Cloud-Software-Design auf beispiellos hohem Niveau nutzt.
Zu den weiteren Änderungen, die den 5G-Kern von seinem 4G-Vorgänger unterscheiden, gehören die User-Plane-Funktion (UPF) zur Entkopplung von Packet-Gateway-Steuerung und User-Plane-Funktionen sowie die Access and Mobility-Management-Funktion (AMF) zur Trennung von Session-Management-Funktionen von Verbindungs- und Mobility-Management-Funktionen.
5G-Architektur-Optionen
Um die Lücke zwischen 4G und 5G zu schließen, sind inkrementelle Schritte und ein gut abgestimmter Spielplan erforderlich. Emblematisch für diese Verschiebung wird der allmähliche Übergang vom Standalone-Modus zu den 5G-Architekturoptionen des Nicht-Standalone-Modus sein. Der nicht eigenständige 5G-Standard wurde Ende 2017 fertiggestellt und nutzt bestehende LTE-Funkzugangs- und Kernnetze als Anker, ergänzt um einen 5G-Komponententräger. Trotz der Abhängigkeit von der bestehenden Architektur wird der nicht eigenständige Modus die Bandbreite durch die Nutzung von Millimeterwellenfrequenzen erhöhen.
Der 5G Standalone-Modus ist im Wesentlichen eine 5G-Bereitstellung von Grund auf mit der neuen Kernarchitektur und der vollständigen Bereitstellung der gesamten 5G-Hardware, -Funktionen und -Funktionen. Da der nicht eigenständige Modus allmählich neuen Implementierungen der 5G-Mobilfunknetzarchitektur Platz macht, wird eine sorgfältige Planung und Implementierung diesen Übergang für die Anwenderbasis nahtlos gestalten.
Sicherheit in der 5G-Architektur
Die 5G-Implementierung wird durch die umfassende Nutzung von Cloud-basierten Ressourcen, Virtualisierung, Network Slicing und anderen neuen Technologien enorme Leistungsvorteile und Anwendungsvielfalt bringen. Mit diesen Änderungen ergeben sich neue Sicherheitsrisiken und zusätzliche "Angriffsflächen" innerhalb der 5G-Sicherheitsarchitektur.
5G baut auf den Sicherheitspraktiken früherer Generationen von Mobilfunktechnologien auf, doch das Vertrauensmodell ist viel umfangreicher geworden, da mehr Akteure in den Prozess der Servicebereitstellung eingebunden sind. Das IoT und die Benutzerfortpflanzung erzeugen eine exponentiell höhere Anzahl von Endpunkten, wobei viele dieser Verkehrseinträge nicht mehr von Menschenhand überwacht werden.
Zu den verbesserten 5G-Sicherheitsmerkmalen, die durch die 3GPP-Standards detailliert beschrieben werden, gehören die einheitliche Authentifizierung zur Entkopplung der Authentifizierung von Access Points, erweiterbare Authentifizierungsprotokolle zur Aufnahme sicherer Transaktionen, flexible Sicherheitsrichtlinien für mehr Anwendungsfälle und permanente Abonnentenidentifikatoren (SUPI) zur Gewährleistung der Privatsphäre im Netzwerk.
Da die 5G-Bereitstellung fortgesetzt wird und kritische Leistungsknoten zunehmend virtualisiert werden, müssen Betreiber die Sicherheitsleistung kontinuierlich überwachen und bewerten. Die Einhaltung von Best Practices bedeutet eine End-to-End-Überwachung der Netzwerksicherheit in der gesamten Systemarchitektur, den Geräten und Anwendungen.
Zweifellos wird 5G die exponentielle Geschwindigkeitssteigerung bieten, an die sich die Benutzer mit jeder neuen Generation von Mobilfunknetzen gewöhnt haben, aber Geschwindigkeit ist erst der Anfang. Die erwarteten Veränderungen in den Branchen vom Personentransport über die Fertigung bis hin zur Landwirtschaft werden so bedeutsam sein, dass viele von ihnen 5G als nächste industrielle Revolution bezeichnet haben. Im Mittelpunkt dieses Paradigmenwechsels steht die facettenreiche 5G-Architektur mit MEC, NFV massivem MIMO und einer Cloud ausgerichteten, servicebasierten Kernarchitektur, die gemeinsam an der Bereitstellung der neuen Servicewelle arbeitet. 5G-Testlösungen, die darauf ausgelegt sind, diese architektonische Saatgutänderung zu berücksichtigen, werden die wahren Voraussetzungen für den bevorstehenden 5G-Übergang sein.
Studien zu 5G
Abstract
Die globale Bandbreitenknappheit, mit der Mobilfunkanbieter konfrontiert sind, hat die Erforschung des ungenutzten Millimeterwellen-(mm-Wellen-)Frequenzspektrums für zukünftige breitbandige zelluläre Kommunikationsnetze motiviert. Es gibt jedoch wenig Wissen über die zelluläre mm-Wellenausbreitung in dicht besiedelten Innen- und Außenbereichen. Die Beschaffung dieser Informationen ist für den Entwurf und Betrieb zukünftiger Mobilfunknetze der fünften Generation, die das mm-Wellenspektrum nutzen, von entscheidender Bedeutung. In diesem Beitrag stellen wir die Motivation für neue mm-Wellen-Zellularsysteme, Methoden und Hardware für Messungen vor und bieten eine Vielzahl von Messergebnissen, die zeigen, dass 28- und 38-GHz-Frequenzen beim Einsatz von steuerbaren Richtantennen an Basisstationen und mobilen Geräten verwendet werden können.
Einführung
Die rasante Zunahme des Wachstums mobiler Daten und der Einsatz von Smartphones stellen die Mobilfunkanbieter vor beispiellose Herausforderungen, um einen globalen Bandbreitenmangel zu überwinden[1],[2]. Da die heutigen Mobilfunkanbieter versuchen, qualitativ hochwertige Video- und Multimedia-Anwendungen mit niedriger Latenz für drahtlose Geräte bereitzustellen, sind sie auf ein Trägerfrequenzspektrum zwischen 700 MHz und 2,6 GHz beschränkt. Wie in Tabelle I dargestellt, überschreitet die globale Bandbreitenzuweisung für alle Mobilfunktechnologien nicht 780 MHz, wobei jeder große Mobilfunkanbieter etwa 200 MHz über alle verschiedenen verfügbaren Mobilfunkbänder hat. Die Betreuung von älteren Nutzern mit älteren, ineffizienten Mobiltelefonen sowie von Kunden mit neueren Smartphones erfordert die gleichzeitige Verwaltung mehrerer Technologien im gleichen bandbegrenzten Spektrum. Derzeit wird das für die Betreiber zugeteilte Spektrum in disjunkte Frequenzbänder zerlegt, die jeweils unterschiedliche Funknetze mit unterschiedlichen Ausbreitungseigenschaften und Gebäudedurchdringung aufweisen. Dies bedeutet, dass Basisstationsdesigns viele verschiedene Bänder mit unterschiedlichen Zellstandorten bedienen müssen, wobei jeder Standort mehrere Basisstationen hat (eine für jede Frequenz oder Technologieanwendung, z.B. dritte Generation (3G), vierte Generation (4G) und Long Term Evolution-Advanced (LTE-A)). [3], [4]. Um ein neues Spektrum zu beschaffen, kann es ein Jahrzehnt der Verwaltung durch Regulierungsbehörden wie die International Telecommunication Union (ITU) und die U.S. Federal Communications Commission (FCC) dauern. Wenn das Spektrum endgültig lizenziert wird, müssen die etablierten Nutzer aus dem Spektrum entfernt werden, was zu weiteren Verzögerungen und steigenden Kosten führt.
Table I Current 2G, 3G, 4G, & LTE-A Spectrum and Bandwidth Allocations [5]
Autoren
Abstract
In diesem Beitrag werden Hochfrequenz(RF)-Expositionsbewertungen (EMF) im Frequenzbereich von 10-60 GHz für Array-Antennen durchgeführt, die für Benutzergeräte (UE) und Funkbasisstationen mit geringer Leistung in 5G-Mobilkommunikationssystemen vorgesehen sind. Eine systematische Studie, die auf numerischen Leistungsdichtesimulationen basiert, die die Auswirkungen von Frequenz, Array-Größe, Array-Topologie, Abstand zu exponierten Teilen des menschlichen Körpers und Strahlsteuerungsbereich berücksichtigen, wird vorgestellt, wobei die maximale Sendeleistung zur Einhaltung der von der International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, der US Federal Communications Commission und dem Institute of Electrical and Electronics Engineers festgelegten HF EMF-Expositionsgrenzwerte bestimmt wird. Die maximale Sendeleistung bezieht sich auf die maximale äquivalente isotrope Strahlungsleistung, um die Relevanz der Ausgangsleistungsbeschränkungen für einen Kommunikationskanal hervorzuheben. Für eine kanonische Monopolantenne wird ein Vergleich zwischen Simulations- und Messdaten durchgeführt. Für kleine Entfernungen, bei denen die Antennen direkt in Richtung des menschlichen Körpers übertragen werden, wird festgestellt, dass die maximale Sendeleistung deutlich unter den in bestehenden Mobilfunksystemen der dritten und vierten Generation verwendeten UE-Leistungen liegt. Ergebnisse für andere denkbare Expositionsszenarien, die auf technischen Lösungen basieren, die größere Ausgangsleistungen ermöglichen könnten, werden ebenfalls diskutiert. Die gewonnenen Ergebnisse stellen wertvolle Informationen für die Entwicklung zukünftiger Mobilfunksysteme und für die Standardisierung der EMF-Konformitätsbewertungsverfahren von 5G-Geräten und -Ausrüstungen dar.
Einführung
Es wird erwartet, dass die Gesamtmenge des mobilen Verkehrs in den kommenden Jahren drastisch zunehmen wird[1]. Die nächste Generation von drahtlosen Zugangssystemen (5G), die um 2020 kommerziell verfügbar sein soll[2], wird voraussichtlich ein wichtiger Faktor für die größere Systemkapazität und höhere Datenraten der Zukunft sein. Verschiedene Forschungsaktivitäten sind derzeit im Gange, um den Grundstein für diese neue Technologie zu legen, siehe z.B.[3],[4], die neben dem mobilen Breitband eine Reihe von unterschiedlichen Anwendungsfällen und anspruchsvollen Anforderungen an Latenz, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Energieeffizienz und Gerätekosten[5] umfassen wird. Im Hinblick auf das Spektrum müssen 5G-Systeme in der Lage sein, über einen sehr breiten Frequenzbereich von weniger als 1 GHz bis hin zu Millimeterwellenfrequenzen (mmW)[1] zu arbeiten. Das verfügbare Spektrum über 10 GHz wird eine Schlüsselkomponente sein, um den langfristigen Verkehrsanforderungen gerecht zu werden und die sehr großen Übertragungsbandbreiten zu ermöglichen, die erforderlich sind, um die gewünschten Multi-Gbps-Datenraten effizient bereitzustellen[5].
Produkte, die hochfrequente (RF) elektromagnetische Felder (EMF) emittieren, müssen so konzipiert und geprüft werden, dass sie den einschlägigen gesetzlichen Anforderungen und Grenzwerten für die Exposition des Menschen gegenüber EMF[6]-[7][8][8][9] entsprechen. Die weltweit am weitesten verbreiteten Grenzwerte sind die 1998 von der International Commission on Non-Ionizing Radiation (ICNIRP)[7] festgelegten Richtlinien. In den USA gelten die von der Federal Communications Commission (FCC) festgelegten Grenzwerte[9]. Die von der IEEE[10],[11] veröffentlichten Grenzwerte sind neueren Datums, wurden aber bisher noch nicht in nationale Vorschriften übernommen.
Für die Frequenzen, die von bestehenden Mobilfunksystemen der zweiten, dritten und vierten Generation (2G, 3G und 4G) verwendet werden, werden grundlegende Beschränkungen der HF-EMF-Exposition in Form der spezifischen Absorptionsrate (SAR) festgelegt, um bei großen Sicherheitsmargen festgestellte gesundheitsschädliche Auswirkungen im Zusammenhang mit übermäßiger lokaler Gewebeerwärmung und Ganzkörperwärmebelastung zu verhindern[7],[9],[10]. Bei höheren Frequenzen wird die Absorption im menschlichen Gewebe oberflächlicher und die grundlegenden Einschränkungen ändern sich von SAR auf die Leistungsdichte (S). Die Übergangsfrequenz, bei der diese Änderung der Expositionsmetrik stattfindet, beträgt 3 GHz, 6 GHz und 10 GHz für die Expositionsrichtlinien IEEE, FCC und ICNIRP. Ein Literaturüberblick darüber, was erforderlich ist, um die Sicherheit neu entwickelter 5G-Technologien in Bezug auf die HF EMF-Exposition zu gewährleisten, wurde in[12] vorgestellt.
Eine grundlegende Eigenschaft, die bei der Entwicklung eines mobilen Kommunikationssystems zu berücksichtigen ist, ist die Sendeleistung, die von der Basisstation und der Benutzereinrichtung (UE) verwendet wird. Für Frequenzen unter 3 GHz wird seit mehr als 20 Jahren an der HF EMF-Exposition von Basisstationen und UEs geforscht, was zu einem soliden wissenschaftlichen Verständnis und klar definierten und standardisierten Expositionsbewertungsverfahren führt, siehe z.B.[13]-[14][15]. Bis vor kurzem wurde den Frequenzen über 6 GHz weniger Aufmerksamkeit geschenkt. Mit der anstehenden Standardisierung der 5G-Funkzugangstechnologien hat sich dies zu ändern begonnen, da es notwendig ist, die entsprechenden Systemgrenzen zu definieren und HF EMF-Expositionsbewertungsverfahren zu entwickeln.
In[16] wurde die Auswirkung der sich ändernden Basisbeschränkung von SAR auf Leistungsdichte im Hinblick auf die maximal mögliche Sendeleistung (Pmax) von einem Gerät (kanonischer Dipol) in unmittelbarer Nähe des menschlichen Körpers untersucht. Es wurde gezeigt, dass die bestehenden Expositionsgrenzwerte zu einer nicht-physikalischen Diskontinuität von mehreren dB in Pmax führen werden, wenn der Übergang von SAR zu leistungsdichtebasierten Basisbeschränkungen erfolgt. Um die geltenden Expositionsgrenzwerte bei Frequenzen über 6 GHz einzuhalten, muss Pmax daher möglicherweise einige dB unter den Leistungspegeln der aktuellen Mobilfunktechnologien liegen[16]. In einem Folgebrief[17] wurde der Anstieg der Hauttemperatur aufgrund von HF-Exposition aus derselben Quelle bei der Übertragung mit der maximal zulässigen Leistung untersucht, um diese Grenzwerte einzuhalten. Es wurde festgestellt, dass die maximale Temperaturerhöhung im stationären Zustand eine ähnliche Diskrepanz aufweist. Unter den relevanten US-amerikanischen (FCC) und internationalen Expositionsgrenzwerten wurde festgestellt, dass IEEE C95.1-2005[10] den beständigsten Schutz gegen thermische Gefahren der Exposition im Frequenzbereich 6 - 60 GHz[17] bietet.
Um das Verbindungsbudget zu verbessern und die verschlechterten Ausbreitungsbedingungen durch einen erhöhten Freiraumverlust bei den höheren Frequenzen auszugleichen, ist es wünschenswert, Array-Antennen sowohl für UEs als auch für Basisstationen einzusetzen. In[18] wurde die HF EMF-Exposition für Phased Arrays, die für mobile Geräte bestimmt sind und bei 15 GHz und 28 GHz senden, untersucht. Die Studie betrachtete die Auswirkungen einer progressiven Phasenverschiebung zwischen den Antennenelementen, war aber auf die FCC-Expositionsgrenzwerte[9] beschränkt. Bisher wurde keine systematische Studie über die EMF-Exposition für Phased-Arrays, die über 10 GHz übertragen werden, vorgestellt, in der die Auswirkungen von Frequenzbereich, Array-Größe, Scan-Winkel, Entfernung zum menschlichen Körper und alle wichtigen Expositionsstandards berücksichtigt werden. Ziel dieses Papiers ist es, diese Lücke zu schließen und wertvolle Informationen für die Gestaltung und Standardisierung zukünftiger Mobilfunksysteme zu liefern.
Eine Methodenbeschreibung mit den berücksichtigten HF EMF-Expositionsgrenzwerten ist in Abschnitt II enthalten. Die Ergebnisse werden in Abschnitt III bzw. Abschnitt IV vorgestellt und diskutiert. Schließlich werden in Abschnitt V einige Schlussfolgerungen gezogen.
Weitere Studien zur 5G Technologie bei Google Scholar
Fazit:
5G bringt nicht nur eine Leistungssteigerung durch Client to Client und Client to Backbone verbindungen, sondern auch viele neue Anbindungsmöglichkeiten für das Internet of Things.
Was den Einfluss auf den menschlichen Körper anbelangt, müsste jeder direkt bei der Antenne, mit einem Abstand von 1-2 Metern stehen, damit überhaupt eine nachweisbare Veränderung der Hauttemperatur bzw. der Gewebetemperatur nachgewiesen werden könnte. Umso grösser der Abstand bei sehr kleinwelligen Signalen ist, umso weniger Radiostrahlung trifft auf menschliche Objekte auf. Diese Dämpfung wurde weiter oben aufgezeigt und ist Frequenzabhängig. Langwellige Strahlen im MHz Bereich werden mit gleicher Sendeleistung über massiv grössere Distanzen übertragen, als Signale im GHz-Bereich. Durch die Client to Client Technologie wurde dieses Problem elegant gelöst, ohne dass grössere Sendeleistungen der Basisstationen notwendig wären.
Die Behauptungen auf Facebook und den Medien sind falsch und unbegründet! Sie entbehren jeglicher wissenschaftlichen Erkenntniss!
Autor dieses Artikels
René Funk
Quellen:
https://www.elektronikpraxis.vogel.de/5g-der-mobilfunkstandard-im-ueberblick-a-729345/
https://scholar.google.ch/scholar?hl=de&as_sdt=0%2C5&q=5G+Mobile+and+human&btnG=
https://www.viavisolutions.com/de-de/node/62086
https://medium.com/5g-nr/5g-service-based-architecture-sba-47900b0ded0a