5G-Mobilfunk-Netzarchitektur (3GPP)
5G bietet höhere Datenraten und niedrigere Latenzzeiten. Ziel sind eine Millisekunden Antwortzeit, aktuell sind 10 Millisekunden realistisch, was besser als bei der Vorgängertechnik ist. Die notwendigen Netzumbauten bei 5G betreffen hauptsächlich das Kernnetz und dessen Architektur, und nicht nur die Funkverbindung.
Der 5G-Mobilfunk ist die konsequente Weiterentwicklung von LTE. Da ist es ganz logisch, dass LTE in der 5G-Netzarchitektur berücksichtigt wird. Deshalb unterscheidet man zwischen 5G-Basisstationen in 4G-Netzen und eigenständigen 5G-Netzen, in denen sich auch 4G-Basisstationen befinden können.
- 5G im Non-Standalone-Betrieb (NSA)
- 5G im Standalone-Betrieb (SA)
5G-Mobilfunk-Netzarchitektur im Non-Standalone-Betrieb (NSA)
Die 5G-Spezifikation sieht den Non-Standalone-Betrieb (NSA) vor. Dabei stützen sich die 5G-Basisstationen auf ein vorhandenes 4G-Kernnetz. Dabei sieht die NSA-Spezifikation ein Dual-Connectivity-Konzept (DC) vor. Neue 5G-Basisstationen ergänzen ein vorhandenes LTE-Netz um die 5G-Mobilfunktechnik.
Das ist für Netzbetreiber interessant, die bereits ein 4G-Kernnetz haben und irgendwann auf ein 5G-Kernnetz umstellen wollen. Die Kunden sollen aber schon vorher 5G-Mobilfunktechnik nutzen können. Dafür ist der Non-Standalone-Betrieb gedacht. Allerdings sind nicht alle 5G-Leistungsmerkmale möglich.
Ziel ist es, den Standalone-Betrieb von 5G-Mobilfunktechnik zu implementieren.
5G-Mobilfunk-Netzarchitektur im Standalone-Betrieb (SA)
5G-Standalone bezeichnet ein 5G-Mobilfunknetz, dass ohne LTE-Technik im Kernnetz auskommt. Die 5G-Mobilfunktechnik wird im Standalone-Betrieb (SA) eigenständige betrieben. Ein Dual-Connectivity-Konzept sieht vor, das 4G-Basisstationen an ein 5G-Kernnetz angebunden sind.
Die Besonderheit von 5G-Standalone zeichnet sich durch einen enormen Geschwindigkeitssprung aus und vor allem durch eine geringe Latenz. 5G-Mobilfunktechnik ist für viele Anwendungen interessant, bei der die Verzögerung der Mobilfunktechnik davor zu groß war.
5G-Standalone hat aber auch ganz neue Leistungsmerkmale. Zum Beispiel Network Slicing.
Network Slicing
Ein 5G-Mobilfunknetz im Standalone-Betrieb ermöglicht Network Slicing. Damit kann das vorhandene 5G-Mobilfunknetz in mehrere virtuelle Netze für unterschiedliche Anforderungen geteilt werden. Statt ein Netz für alles hat man ein flexibles Netz, dass man verschiedenen Kunden oder speziellen Anwendungen zuteile, kann. Beispielsweise für bestimmte Kunden und Tarife, um bestimmte Bandbreiten und Latenzen zu garantieren.
Dazu wird das Gesamtnetz in virtuelle Netzabschnitte (Network Slices) unterteilt. Dabei sorgen Software-Defined Networking (SDN) und Network Functions Virtualization (NFV) für Flexibilität vom Kernnetz bis zu den Basisstationen.
SST - Slice/Service type (SST NG RAN)
Grundsätzlich macht es wenig Sinn, wenn ein Netzbetreiber irgendwelche Netzwerk-Profile selber festlegt. Der 5G-Standard gibt die Anforderungsprofile durch entsprechende Slice/Service-Types (SST NG RAN) vor.
- eMBB: Klassisches Mobilfunk mit möglichst hoher Datenrate
- URLLC: Mobilfunk mit kurzer Latenz und hoher Datenrate
- MIoT: Mobilfunk für viele Geräte mit geringen Datenmengen
- V2X: Kommunikation zwischen Fahrzeugen, Verkehrsteilnehmern und der Infrastruktur
Small Cells
Die meisten für 5G vorgesehenen Frequenzen (3,5 GHz, 26 GHz und darüber) sind wegen der physikalischen Ausbreitungsbedingungen der Funksignale nur für eine geringe Reichweite geeignet. Allerdings verfügen diese Frequenzbereiche über eine hohe Bandbreite. Mit Femto-Zellen lassen sich Mobilfunk-Hotspots mit sehr hohen Datenraten betreiben. Das heißt, es bedarf mehr Basisstationen. So kann es sein, dass irgendwann Straßenlaternen nicht nur Licht, sondern auch Zugang zum mobilen Gigabit-Internet liefern.
Für die vielen neuen Basisstationen setzen die Funknetze auf die Leistungsfähigkeit des Festnetzes. Hier dienen die bestehenden Glasfaserzugangsnetze (FTTx/FTTH mit PON und GPON), die eigentlich für Internet-Zugänge für private und gewerbliche Kunden gedacht sind, auch als Versorgungsnetz für das Mobilfunknetz.
Campus-Netze
Die Frequenzen in den Bereichen zwischen 3,7 GHz und 3,8 GHz sowie bei 26 GHz können lokale und regionale Funknetze die Mobilfunkversorgung im ländlichen Raum in Deutschland verbessern. Das bedeutet, Unternehmen können eigene lokale (grundstücksbezogene) 5G-Netze entsprechend ihren eigenen Anforderungen aufbauen. Industrielle Betreiber können somit unabhängig vom 5G-Ausbau über Verfügbarkeit, Vertraulichkeit und Integrität ihrer Daten entscheiden.
Edge-Computing
Um die Vorteile der kurzen Latenzen der 5G-Technik voll auszuspielen, darf der Übertragungsweg vom Endgerät zur Gegenstelle nicht zu lang sein. Maßgeblich ist dabei nicht die Laufzeit zur 5G-Basisstation, sondern die zum Zielserver, der vermutlich irgendwo im Internet steht. Dann steigt die Latenz schnell über 100 Millisekunden. Dabei wäre durch ein schnelles Mobilfunknetz nichts gewonnen.
Beim Betrieb der 5G-Netze mit kurzen Latenzen spielt deshalb Edge-Computing eine wichtige Rolle. Bei Edge-Computing verfügen die Mobilfunk-Basisstationen über zusätzliche Rechenleistung, in denen Anwendungen laufen können, die als Gegenstellen für Sensoren und andere Endgeräte dienen können. Die Verarbeitung von Daten findet also nicht irgendwo im Internet oder der Cloud statt, sondern schon im Mobilfunknetz.
Open RAN - Open Radio Access Network
Open RAN ist ein offener Standard, der die Flexibilität und Unabhängigkeit der Netzbetreiber erhöht. Open RAN kann in 5G-Netzen verwendet werden, um die Netzfunktionen zu virtualisieren und die Software auf Standard-Hardware auszuführen. Das bedeutet, dass Netzbetreiber verschiedene Komponenten von unterschiedlichen Anbietern kombinieren können.
Übersicht: 5G-Mobilfunk
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