5G Glossar

Das 5G non-standalone bildet eine Übergangslösung vom 4G- in das 5G-Mobilfunknetz. Dazu wird das RAN bereits mit einem 5G-Zugangsnetz ausgestattet, das Core Network besteht allerdings aus bestehender 4G-Infrastruktur. Ein Smartphone bucht sich damit zeitgleich in 4G- und 5G-Netz ein und es sind Latenzzeiten bis 35ms möglich, aber noch keine Latenzzeiten unter 10ms wie bei einem 5G standalone Netzwerk.

Im Gegensatz zum 5G non-standalone besteht beim 5G standalone das RAN und Core Network aus 5G-Komponenten. Damit kann auf die komplette Bandbreite an Möglichkeiten der 5G Technologie zurückgegriffen werden und Funktionen wie das Network Slicing sind erstmals nutzbar. Dies kann sich in geringeren Latenzzeiten, niedrigerem Energieverbrauch des Smartphones und theoretisch mit höherer Reichweite bemerkbar machen. Stand Mitte 2021 hat vodafone als erster deutscher Mobilfunkbetreiber punktuell 5G standalone umgesetzt.

Beim Beamforming werden gezielte Überlappungen der Strahlungsfelder mehrerer Antennen einer Sendestation genutzt, um gerichtete Strahlung mit höherer Sendeleistung und geringerer Fehleranfälligkeit zu erzeugen.
Diese Strahlung kann vertikal und horizontal auf einzelne Endgeräte ausgerichtet werden und sich mit diesen mitbewegen. Neu ist hierbei die Verwendung mehrerer Antennen auf einer Sendestation, da die Überlappungen der Strahlungsfelder bis dato zu Störungen geführt haben.

Enhanced Mobile Broadband (eMBB) fasst die Anwendungen zusammen, für die besonders hohe Datenraten bzw. Bandbreiten benötigt werden oder die Übertragungen von Daten aus sich sehr schnell bewegenden Fahrzeugen notwendig machen. Beispiele dafür sind die Übertragung von 3D- oder 4K-Videostreams, rechenintensive Anwendungen mit Nutzung dezentraler Rechenleistung auf der Cloud oder die Übertragung von Daten von und zu Hochgeschwindigkeitszügen oder Flugzeugen.

Die Bundesregierung hat 2019 5G-Frequenzen in den Bereichen 2 GHz und zwischen 3,4 GHz und 3,7 GHz an Netzbetreiber versteigert. Perspektivisch ist die Versteigerung weiterer Frequenzbereiche für 5G, zunächst bei 6 GHz, vorgesehen. Zusätzlich können Besitzer von Gebäuden und Grundstücken mit einem simplen Nutzungsantrag und ohne Vertrag mit einem Mobilfunkanbieter ihre eigenen, lokalen Mobilfunknetze in den Frequenzbereichen zwischen 3,7 GHz und 3,8 GHz und in Zukunft auch bei 26 GHz aufbauen. Sowohl die Bandbreite als auch die Reichweite der Signale hängen allerdings stark von der Frequenz ab. Während mit höheren Frequenzen auch die Datenrate steigt, sinkt gleichzeitig die Reichweite des Signals.

Full Duplex ist die Fähigkeit einer Übertragungstechnologie, auf der selben Frequenz gleichzeitig zu senden und zu empfangen.

Bisherige Mobilfunktechnologien konnten dieses Problem nicht lösen und mussten deshalb entweder auf verschiedenen Frequenzen senden und empfangen (Simplex) oder Sender und Empfänger mussten sich abwechseln (Half Duplex). Mit der 5G-Technologie werden Sender und Empfänger dazu fähig sein, gleichzeitig zu senden und zu empfangen.

Man kann sich das etwa wie eine Unterhaltung zwischen zwei Menschen vorstellen. Beim Half Duplex wechseln sie sich gegenseitig zwischen Reden und Zuhören ab, während beim Full Duplex beide gleichzeitig reden können und sich trotzdem gegenseitig verstehen.

Massive Machine Type Communications (mMTC) umfasst die Anwendungsfälle, bei denen die Anzahl der übertragenden Geräte pro Fläche besonders groß und damit die Anforderungen an die Kapazität einer Funkzelle besonders hoch sind. Dies kann beispielsweise bei Anwendungen im Lager- und Logistikbereich der Fall sein, wo die Anzahl an Sensoren (z. B. in Hochregallagern) sehr groß werden kann, aber auch für Smart City und Smart Building Szenarien oder auch im Gesundheitssektor.

MIMO steht für Multiple-Input Multiple-Output. Dabei wird eine Sendestation mit mehreren Antennen ausgestattet, wodurch mehr Endgeräte mit einer höheren Datenrate angebunden werden können. Im aktuellen 4G-Standard wird diese Technologie bereits mit 2-4 Antennen pro Sendestation eingesetzt. Bei 5G kommt es zur Erweiterung auf massive MIMO, wobei Antennenfelder mit hunderten Antennen eingesetzt werden.

Allerdings entstehen bei MIMO mit einer steigenden Anzahl an Antennen auch bemerkbare Interferenzen zwischen diesen. Dieses Problem wird durch „Beamforming“ gelöst.

NFV ersetzt dedizierte Hardwarelösungen durch Software, die auf handelsüblichen Servern laufen kann. Eine physische Installation vor Ort fällt damit weg und es kann auf kostengünstigere Standardmodule zurückgegriffen werden. Ein Beispiel sind Security-Appliances, deren Anwendung auf üblichen Servern stattfindet und nicht mehr in dedizierte Hardware installiert werden muss.

Beim „Network Slicing“ wird ein Funknetzwerk virtuell in mehrere autonome und voneinander getrennte Netze, die sogenannten Slices, unterteilt. Jedem dieser Slices lassen sich spezifische Eigenschaften wie hohe Bandbreite, große Anzahl gleichzeitig verbundener Geräte oder niedrige Latenz zuweisen. Die Anzahl möglicher Anwendungsfelder kann jederzeit durch Hinzufügen weiterer Slices mit anderen Eigenschaften erweitert werden. Kosten, Effizienz, Komplexität und Flexibilität sind dadurch frei adressierbar.

Open-RAN ist ein technisches Konzept der O-RAN Alliance, das die Interoperabilität von 5G-Netzen verbessern soll. Mithilfe von Standards und offenen Schnittstellen soll ein modulares System entstehen, in dem die Netzwerkelemente flexibel und herstellerunabhängig austauschbar sind. Damit soll der Abhängigkeit von einem Mobilfunkhersteller entgegen getreten werden und ein offenes System aus frei kombinierbaren Modulen entstehen. Bisher befindet sich Open-RAN allerdings in der Konzeptphase, deren Umsetzung noch nicht terminiert ist.

Ein 5G-Mobilfunknetz besteht aus den zwei Hauptkomponenten des Radio Access Networks (RAN), also dem Zugangsnetz des Sendemastes für die Empfänger wie z.B. Smartphones, und dem Core Network, das die Rechenleistung und Netzwerkfunktionen im Hintergrund durchführt. Das RAN muss dazu in geographisch optimalen Punkten aufgebaut werden, um eine durchgängige Abdeckung leisten zu können. Das Core Network hingegen kann zentralisierter in Deutschland verteilt werden und mehrere RANs bedienen, sodass bspw. Kundendaten und Abrechnungsdaten zentral gespeichert und ermittelt werden.

„Small Cells“ sind kleine Sendestationen mit niedrigerer Reichweite und Sendeleistung, die zur Verstärkung des Mobilfunknetzwerkes eingesetzt werden. Durch den geringen Abstand zu den Sendern, können Geräte (z. B. Smartphones oder IoT-Geräte) immer eine Verbindung mit guter Signalstärke aufbauen. Small Cells werden nach Reichweite und Sendeleistung in Micro, Pico und Femto Cells unterteilt, während Sendestationen, die eine deutlich größere Fläche versorgen können, als „Macro Cells“ bezeichnet werden. Die Reichweite von Femto Cells ist so gering, dass sie wie WLAN-Router innerhalb von Gebäuden benutzt werden. Pico Cells können ein Gebäude und die umliegende Fläche mit 5G versorgen, während Micro Cells für ein kleines Stadtgebiet ausreichen. Macro Cells mit ihrer hohen Reichweite werden für die Abdeckung größerer Regionen eingesetzt.

Der Kernbestandteil des SDN ist die Entkopplung der Kontrollebene und Datenebene im Core Network der 5G-Infrastruktur. Dadurch kann in der Kontrollebene unabhängig die Verbindung zum Endgerät autorisiert und verwaltet werden, wohingegen in der Datenebene die Pakete unabhängig und effizient gesteuert werden können. Die Administration des Netzwerks wird damit flexibler und Datenströme können effizienter gelenkt werden. Das SDN ist eine Voraussetzung für die Umsetzung des Network Slicing von 5G-Netzen.

Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) nennt man diejenigen Anwendungsfälle, bei denen höchste Anforderungen an Verbindungsqualität, Verfügbarkeit und Störanfälligkeit gestellt werden. Dies trifft beispielsweise auf die Übertragung von Steuersignalen an autonome Fahrzeuge oder Roboter und auf die Echtzeitübertragung bei Augmented- und Virtual Reality (AR/VR) Anwendungen zu.