Die Planung der weiteren Entwicklung des 5G-Standards  (Bild: 3GPP)

Die grundsätzlichen Eckpunkte des Mobilfunkstandards der fünften Generation stehen fest. Das heißt jedoch nicht, dass die technische Entwicklung bereits abgeschlossen wäre. Im Gegenteil: die To-Do-Liste der eingesetzten Arbeitsgruppen scheint immer länger zu werden. Mit dem Release 16 des 3GPP-Standards wurde in diesem Jahr ein neuer Meilenstein erreicht. Und die Arbeiten am Release 17 laufen auf Hochtouren.

Als globale Standardisierungsorganisation sorgt 3GPP dafür, dass der Mobilfunk weltweit nach einheitlichen Spezifikationen funktioniert und die Entwicklung neuer Standards sich mit der im Einsatz befindlichen Technik verträgt. Die dazu entwickelten Spezifikationen veröffentlicht die Organisation in seinen „3GPP-Releases“. Mit Release 8, abgeschlossen im Dezember 2008, wurde beispielsweise der LTE-Standard eingeführt (4G), der mit den nachfolgenden Standardversionen weiterentwickelt wurde, zum Beispiel um höhere Bandbreiten mittels LTE Advanced zu realisieren.

Erst Ende 2018, mit Verabschiedung von Release 15, wurde der Grundstein für „New Radio“ (NR) gelegt – dem Mobilfunkstandard der fünften Generation (5G). Tatsächlich gab es von Release 15 sogar zwei Versionen: zunächst erschien 3GPP 5G Release 15 NSA („Non-Standalone“). In dieser Form war 5G auf einen initialen Aufbau der Verbindung mittels LTE angewiesen, erst danach kamen die Vorteile von 5G zu tragen. Mit 5G Release 15 Standalone (SA) war es dann möglich, 5G-Verbindungen ohne Rückgriff auf LTE herzustellen.

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Der jüngste Entwicklungsschritt

Mitte 2020 konnte 3GPP die nächste Evolutionsrunde einläuten – aufgrund der Covid-19-Pandemie, die physische Treffen der Arbeitsgruppen unmöglich machte, mit drei Monaten Verspätung. Die Weiterentwicklung der Mobilfunkstandards folgt immer den gleichen Prinzipien: Neue Funktionen ergänzen, bestehende Funktionen verbessern, die Implementierung vereinfachen und den Betrieb effizienter gestalten. Das galt auch für die jüngste 5G-Spezifikation. Von den Neuerungen profitieren dementsprechend alle Beteiligten, wenn auch in unterschiedlichem Maße: Hersteller von Equipment, Betreiber der Netze und schließlich auch die Anwender der 5G-Technik. Im Folgenden wollen wir einen Überblick geben, welche Veränderungen sich aus der 16. Auflage der 3GPP-Spezifikationen ergeben.

Erweiterungen und Verbesserungen

  • Enhanced Ultra Reliable Low Latency Communication (eURLLC): Gegenüber Release 15 steigt die Zuverlässigkeit der Verbindung von 5×9 auf 6×9, also auf 99,9999 Prozent. Dahinter steht eine ganze Reihe von Maßnahmen, wie beispielsweise kürzere Feedback-Slots, Multiplexing und Priorisierung der Verbindungen bei gleichzeitig flexiblerem Scheduling sowie koordinierte Multi-Point-Verbindungen. Während die Zuverlässigkeit der Verbindung meist mit einer Verschlechterung der Latenz erkauft wird, ist dies beim Wechsel auf Release 16 nicht der Fall, im Gegenteil: die angestrebte Latenz von annähernd 1 ms wird mit dem nächsten Entwicklungsschritt einfacher zu erreichen sein, bei gleichzeitig höherer Zuverlässigkeit.
  • Genauere Positionsangaben: Im Release 15 entsprachen die Ergebnisse denen des 4G-Standards: die Genauigkeit belief sich auf 20 bis 50 m bei der Auswertung innerhalb einer einzigen Zelle. Mit Release 16 verbessern sich die Werte auf 3 m (Indoor) bzw. 10 m (Outdoor). Das mag nicht reichen, um ohne weiteres fahrerlose Transportfahrzeuge lenken zu können. Jedoch können andere Anwendungen davon profitieren, bei denen etwa der Stromverbrauch im Vordergrund steht und daher aufwändige Triangulation über mehrere Funkzellen oder gar GPS-Navigation nicht in Frage kommt. Zudem machen die kommenden Releases Hoffnung – mit denen soll sich die Lokalisation weiter verbessern. Indoor sollen mit Release 17 die Positionsangaben auf weniger als einen Meter genau möglich werden, in Release 18 soll die Abweichung maximal wenige Dezimeter betragen.
  • Höhere Energie-Effizienz: Auch in diesem Fall spielen eine ganze Reihe von Maßnahmen zusammen, um den Energiehunger des 5G-Mobilfunks zu drosseln. So können Sekundärzellen-Verbindungen in einen Schlafmodus geschickt werden, die dynamische Anpassung des Suchraums, eine verbessere Slot-Planung und der Einsatz von Wake-Up-Signalen führen jeweils zu einer Verringerung von Funk- und Analyse-Aktivitäten, die sich zu erheblichen Einsparungen addieren. Das freut nicht nur Smartphone-Hersteller und -Besitzer. Auch die Nutzung von batteriebetriebenen Sensoren wird somit erleichtert. Auch hier sind mit Release 17 noch weitere Fortschritte geplant.
  • Erweiterte Funktionen zum Network Slicing: Virtuelle Netzwerke innerhalb einer physischen Struktur werden weiter verbessert. Neue Funktionen vereinfachen das Anbieten, die Überwachung und die Abrechnung von Network Slicing. Damit eröffnen sich den Providern und Anwendern neue Business-Modelle, wie Network Slicing as a Service (NSaaS) oder B2B2X (Business to Business to Everyone), also die Weitervermarktung von virtuellen Netzwerken.
  • Verbesserte V2X-Kommunikation: Der Einsatz von 5G in Fahrzeugen, die mit der Infrastruktur, anderen Fahrzeugen oder Verkehrsteilnehmern in Kontakt stehen (Vehicle-to-Everything, V2X), wird um einen Sidelink ergänzt, der die Abstimmung zwischen zwei Fahrzeugen (Vehicle to Vehicle, V2V) vereinfachen soll, ebenso die Datenverbindung zwischen Fahrzeugen und beispielsweise Ampelanlagen (Vehicle to Infrastructure, V2I). Eine Anwendung, die von diesen Änderungen profitiert, ist das autonome Fahren.
  • Optimiertes MIMO: Der Support für Mehrantennentechnik (Multiple Input Multiple Output, MIMO) wurde auf Rank 4 gebracht, der Overhead reduziert. Weitere Ergänzungen umfassen das Multi-Beam-Verfahren und die Möglichkeit, zeitgleich mit mehreren Basisstationen zu kommunizieren, sowie Verbesserungen der Signalgebung und der Reichweite.
  • Satellit, Streaming & TV: Non-Terrestric Networks (NTN) und Funktionen zum 5G Broadcast wurden ebenfalls hinzugefügt bzw. erweitert, so dass auf Basis von 5G künftig auch Rundfunkdienste angeboten werden können.

Neuerungen im Release 16

  • Nutzung in Nicht-lizenziertem Spektrum: Wie bereits in 4G möglich, erlaubt 5G Rel-16 ebenfalls den Einsatz in Frequenzbereichen, die nicht lizenziert werden müssen. Entweder ausschließlich in diesem Spektrum, oder indem das lizenzierte Spektrum mit nicht lizenziertem Spektrum ergänzt wird, so dass sich die Bandbreite erhöht (License Assisted Access, LAA).
  • Integrated Access Backhaul (IAB): Eine Technologie, die dem Prinzip des WLAN-Repeaters ähnelt. In diesem Fall wird eine 5G-Funkzelle nicht über Glasfaser, Richtfunk oder ähnliche Technologien angebunden, sondern schlicht über eine 5G-Verbindung zu einer anderen 5G-Makrozelle. So können beispielsweise kleinere Outdoor- oder Indoor-Zellen kostengünstig angebunden werden. Das Backhauling kann entweder auf der gleichen Frequenz erfolgen, die für die Endgeräte zur verfügung steht („In-Band-Backhauling“) oder in einem anderen Frequenzband („Out-of-Band-Backhauling“). Letzteres vermeidet Interferenzen und schont die Bandbreite der Anwender.
  • Integrierte IoT-Services: Erstmals werden nun Wide-Area-Netzwerkdienste wie Narrowband-IoT (NB-IoT) und enhanced Machine Type Communication (eMTC) auch für 5G zugänglich. Bislang waren diese nur für LTE definiert.

Der TSN-Support eröffnet 5G in der Industrie ein großes Anwendungsfeld. Bild: Qualcomm

  • Unterstützung für TSN (Time Sensitive Networking): 5G Release 16 unterstützt die TSN-Zeitsynchronisierung, indem es das gesamte End-to-End-5G-System als ein „time-aware-system“ gemäß der Spezifikation IEEE 802.1AS betrachtet. Nur die Edge-TSN-Übersetzer (TTs) an den Rändern des 5G-Netzwerks müssen die 802.1AS-Operationen unterstützen. Die diversen TSN- Netzelemente, wie UE, gNB, UPF, NW-TT und DS-TTs, werden mit der internen 5G-Systemuhr (5G grandmaster clock) synchronisiert.
  • Verwaltung von Nichtöffentlichen Netzen: Die in Deutschland als „Private Networks“ bezeichneten Installationen, beispielsweise industrielle Campus-Netzwerke, nennt 3GPP „Non-Public Networks“ (NPN). Eine Reihe von Funktionen vereinfacht die Einrichtung und den Betrieb solcher NPN, sowohl die völlig unabhängigen Netzwerke als auch solche, die in öffentliche Netze integriert sind, wie es beispielsweise von den großen Mobilfunkprovidern angeboten wird.
  • LAN-artige Services: Mit Release 16 bieten 5G-Netze Kommunikations-Services an, die typischerweise in LAN und VPN zur Verfügung stehen, allerdings mit spezifisch 5G-bezogenen Eigenschaften, wie hoher Performance, Fernzugriff, Mobilität und Sicherheit. Unter anderem ist hier die 5G Virtual Network (VN) Gruppenidentifikation zu nennen, inklusive Mitgliedschaft und Gruppendaten. Sie kann mittels NEF (Network Exposure Function) sowohl vom Administrator als auch dynamisch über Anwendungen von Drittanbietern verwaltet werden. Ebenso das optimierte Routing, das auf Ebene der 5G User Plane Function (UPF) im Core-Network stattfindet.
Die Aufgabenliste für Release 17 ist lang, deshalb soll der Zeitplan im Dezember nochmals überprüft werden. Bild: 3GPP

Die Aufgabenliste für Release 17 ist lang, deshalb soll der Zeitplan im Dezember nochmals überprüft werden. Bild: 3GPP

Der nächste Schritt ist bereits in Arbeit

Seit Dezember 2019 sind die 3GPP-Arbeitsgruppen bereits mit dem nächsten Entwicklungsschritt befasst, der als Release 17 voraussichtlich im Sommer 2021, möglicherweise aber auch erst zum Jahreswechsel 2021/2022 veröffentlicht werden wird.

Auch hier gibt es bereits einige interessante Technologien, die weitere Einsatzmöglichkeiten für 5G schaffen. Darunter die Ausweitung des Funkspektrums bis hinauf zu 71 GHz, Sidelink für Smartphones und andere Geräte, wie bereits für Fahrzeuge definiert, Multi-SIM-Unterstützung (eSIM), ein „5G Light“, beispielsweise für industrielle Sensoren und Kameras, sowie – ebenfalls für industrielle Anwender interessant – neue Funktionen zum optimierten Einsatz von Augmented / Virtual / Mixed Reality. Eine aktuelle Übersicht der umfangreichen Themenliste bietet der Zeitplan des 3GPP-Konsortiums (PDF).

Fazit

Auch wenn in der öffentlichen Wahrnehmung nach wie vor Smartphones und die Netzabdeckung die 5G-Diskussion bestimmen, zeigt die Arbeit des Standardisierungsgremiums 3GPP ganz deutlich, was im Fokus der Entwicklung steht: Use Cases für die Industrie, wie etwa IoT-Anwendungen, Campusnetzwerke und weitere vertikale Anwendungen wie autonomes Fahren und Rundfunk.

Mit der Verabschiedung der Standard-Version 16 hat 5G einen weiteren großen Schritt in Richtung industriellem Einsatz gemacht. Neue Anwendungsmöglichkeiten, die Verbesserung wichtiger Funktionen, Maßnahmen zum Energiesparen und Vereinfachungen beim Einrichten und Betreiben eigener Netzwerke zahlen allesamt auf den Return on Invest von 5G-Netzen ein. Steigende Nachfrage bei der Bundesnetzagentur nach dem reservierten Spektrum, zahlreiche Pilot- und Forschungsprojekte sowie immer neue 5G-Messen und 5G-Anwender-Events zeigen, dass dieser Markt dynamisch wächst.

Die Umsetzung der Neuerungen aus dem Release 16 sollte auch nicht mehr lange auf sich warten lassen: Chipsatz-Hersteller, die 4G- und erste 5G-Module auf der Embedded World 2020 angeboten hatten, sind zuversichtlich, dass die wichtigsten Features allein mit Firmware-Anpassungen realisiert werden können und somit schnell zur Verfügung stehen.

Die Virtualisierung des 5G-Netzwerk-Cores und die starke Konkurrenz in diesem Feld, die neben klassischen 5G-Herstellern auch Netzwerk-Spezialisten wie HP, Dell oder AWS umfasst, sollte dazu beitragen, dass auch hier schon bald neue Installationen auf Basis von 5G Release 16 verfügbar werden. Marktexperten rechnen bereits im kommenden Frühjahr mit ersten marktfähigen Produkten. Im Laufe des nächsten Jahres sollte es dann ein breiteres Angebot geben. Die Nachfolge-Generation auf Basis von Release 17 ist allerdings erst mit einem Abstand von rund zwei Jahren zu erwarten.