5G New Radio (NR)

Was ist 5G New Radio (NR)?

5G New Radio (5G NR) umfasst eine Reihe von Standards, die den 4G-Standard für die drahtlose Kommunikation im LTE-Netz ersetzen. Ein wichtiges Ziel von 5G NR besteht darin, das Wachstum der drahtlosen Kommunikation durch die effiziente Nutzung eines größeren Frequenzspektrums für mobiles Breitband zu unterstützen.

5G umfasst im Wesentlichen das Funkzugangsnetz (Luftschnittstelle) und eine neue Core-Netzarchitektur. Die Luftschnittstelle wird als 5G New Radio bezeichnet.

5G NR wurde entwickelt, um Übertragungen mit einer Bandbreite, die der von Glasfasern entspricht und für anspruchsvolle Anwendungen wie Video-Streaming erforderlich ist, zu ermöglichen. Das gilt genauso für Übertragungen mit geringer Bandbreite, die bei der M2M-Kommunikation (Machine-to-Machine) in großem Maßstab zum Einsatz kommen. 5G NR wird zudem Übertragungen, die eine extrem niedrige Latenz erfordern, unterstützen – ein wichtiger Aspekt bei der Fahrzeug-Fahrzeug- und Fahrzeug-Infrastruktur-Kommunikation.

Ähnlich wie seine Vorgänger wurde der 5G-NR-Standard vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) entwickelt. Hierbei handelt es sich um einen Zusammenschluss von Telekommunikationsunternehmen, die technische Standards für die Mobilfunktechnologie festlegen. Die erste Fassung von 5G NR erschien in 3GPP Release 15.

Wie funktioniert 5G NR?

5G NR setzt eine Reihe neuer technischer Verfahren ein, die mehr Daten schneller durch das Core-Netzwerk transportieren und die Übertragungsvorgänge über die Luftschnittstelle revolutionieren, das heißt die Interaktion des Clientgeräts mit der Funkhardware des Netzbetreibers. Zu den Verbesserungen, die 5G NR mit sich bringt, zählen:

• Breite des Spektrums, das von einigen Hundert Kilohertz bis zur Millimeterwelle (mm-Welle) reicht, um verschiedene Anwendungsfälle, Zellengrößen und Datenraten zu ermöglichen,
• Modulation – neue OFDMA-Verfahren (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) – und Techniken für die Kanalcodierung,
• Algorithmen zur Frequenzwiederverwendung, selbst in Umgebungen mit hoher Nutzungsdichte.
• Massive MIMO (Multiple Input, Multiple Output) und verbesserte Beamforming-Fähigkeiten.
• Slot-Time-Betrieb, der entwickelt wurde, um eine Kommunikation mit ultraniedriger Latenz zu ermöglichen.

Alle genannten Funktionen bilden die Grundlage für die erheblichen Steigerungen in Bezug auf Kapazität, Durchsatz und Abdeckung von 5G NR.

Die wichtigsten Anforderungen für 5G NR

Damit eine Verbindung als 5G NR eingestuft werden kann, müssen mehrere Performance- und Konnektivitätsanforderungen erfüllt sein. Diese Anforderungen beinhalten folgende Punkte:

• Die Verbindung muss drahtlose mobile Verbindungen unterstützen.
• Die Konnektivität muss das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) unterstützen, ein Konzept, das alle Geräte und kabelgebundenen oder drahtlosen Verbindungen umfasst, die das digitale Erlebnis eines Nutzers ausmachen, sowie sensorartige Headless-Clientgeräte.
• Sie muss ein schlankes Signalisierungsdesign implementieren. Das bedeutet, dass Signale nur bei Bedarf aktiviert werden, wodurch sich die von den Clientgeräten insgesamt benötigte Rechenleistung reduzieren lässt.
• Die Verbindung muss eine adaptive Bandbreite nutzen, die es den Geräten erlaubt, wann immer möglich auf eine niedrigere Bandbreite und einen geringeren Stromverbrauch umzuschalten. So können diese für die Zeit, in der höhere Bandbreiten erforderlich sind, Energie zu sparen.
• 5G NR sieht auch strikte Anforderungen an die Datenübertragung vor. Indem alle Nutzer und Verbindungen gezwungen werden, bestimmte Regeln einzuhalten, wird das gesamte Netzwerk schneller und effizienter.

Vorteile von 5G NR

Zu den Vorteilen von 5G New Radio gegenüber selbst den besten LTE-Netzen (Long-Term Evolution) gehören folgende Aspekte:

• größere Kapazität im Wireless-Bereich
• höhere Energieeinsparungen pro Gerät
• geringere Zeitspanne zwischen Updates, das heißt ein reduzierter durchschnittlicher Zeitzyklus für die Erstellung von Diensten
• verbesserte Verbindungen für eine größere Anzahl von Nutzern
• verbesserte Technologie zur Aufrechterhaltung der Qualität einer Verbindung über ein großes geografisches Gebiet
• höhere Geschwindigkeit und Datenraten, so dass mehr Bits pro Zeiteinheit verarbeitet werden
• gesteigerte Effizienz bei der gemeinsamen Nutzung von Daten.

5G NR: Bereitstellungsmodi

Wie bei der Einführung neuer Mobilfunktechnologien üblich, gibt es verschiedene Möglichkeiten, 5G NR an einem bestimmten Standort zu realisieren. Welcher Bereitstellungsmodus zum Einsatz kommt, hängt von mehreren Faktoren ab. Dazu gehören etwa die vorhandene Infrastruktur, die Frage, ob es sich um ein Projekt auf der grünen Wiese handelt oder nicht, und welche Clienttypen im Bereich der 5G-NR-Services zu erwarten sind.

Für die Bereitstellung von 5G NR stehen die folgenden drei Hauptmodi zur Verfügung:

1. Im SA-Modus (Standalone) wird das komplette technische 5G-Paradigma bereitgestellt. Es werden keine verbliebenen technischen 4G-Grundlagen verwendet. Wenn die Clients von der Bereitstellung profitieren können, werden alle 5G-Vorteile umgesetzt.
2. Im NSA-Modus (Nonstandalone) ist ein Standort im Wesentlichen ein Hybrid. Ein Teil der 4G-Netzwerkinfrastruktur bleibt erhalten. Einerseits bieten die Funkfrequenzen von 5G NR Vorteile. Andererseits muss man beim Uplink im Vergleich zum SA-Modus gewisse Abstriche machen. Dieses Modell ermöglicht es den Mobilfunkanbietern, die vollständige 5G-Architektur an den Standorten schrittweise einzuführen und so ihre 5G-Fortschritte zu bewerben.
3. Im dritten Bereitstellungsmodus, Dynamic Spectrum Sharing, lässt sich die gleiche Frequenz sowohl im 4G- als auch im 5G-Modus im Time-Slice-Verfahren nutzen, wobei fortschrittliche Antennen- und Transceiver- Technologien zum Einsatz kommen. Infolgedessen muss man kein bestimmtes Frequenzband ausschließlich für 4G oder 5G reservieren.

5G und LTE: Hauptunterschiede und Schließen der Lücke

Da die Vormachtstellung von LTE durch 5G abgelöst wird, ist es wichtig, zu verstehen, wie sich die beiden Technologien unterscheiden.

Die Architektur des 5G-NR-Netzwerks wird sich von dem auf Mobilfunkmasten basierenden LTE-Modell etwas unterscheiden. Der Grund liegt darin, dass die höheren Frequenzen, die genutzt werden, eine große Anzahl kleinerer, an Masten und Gebäuden angebrachten Knotenpunkte erfordern, um das Netz zu den Nutzern zu bringen. Während die Betreiber der Mobilfunknetze ihre Infrastrukturen für 5G NR aufrüsten, können Verbraucher und Unternehmen die Fortschritte auf einer Reihe von Websites verfolgen.

Für private 5G-NR-Bereitstellungen bieten speziell reservierte Frequenzen eine interessante Option. Es ist auch wichtig, zu erwähnen, dass 5G-Netzwerke kompatible Clients benötigen, um die Vorteile der neuen Technologie voll ausschöpfen zu können. Darüber hinaus erfolgt die Entwicklung von 5G NR in Phasen, genau wie dies bei 4G/LTE der Fall war. Deshalb werden nicht alle 5G-NR-Netze in Bezug auf Funktionalität und Kapazität jederzeit gleich sein.

5G NR bringt Fortschritte bei den Mobilfunktechnologien, die man bei 4G nicht findet. Diese Weiterentwicklungen bieten beeindruckende Vorteile und ermöglichen das Endziel, extrem zuverlässig zu sein. Zu diesen Neuerungen zählen die folgenden Punkte:

• Flexible Numerologie ist ein komplexes technisches Konzept, das eine dynamische Anpassung von Zeit-Slots und Unterträgerabständen ermöglicht, um eine geringe Latenz für Anwendungen zu erreichen, die dies benötigen, und um bei Bedarf eine Koexistenz zwischen LTE und NR zu unterstützen.
• Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) wird gelegentlich in Diskussionen über 5G NR erwähnt. HARQ arbeitet auf den untersten Netzwerkschichten, um Forward Error Correction (FEC) und Funktionen für eine erneute Übertragung bei niedrigen Bitfehlerraten adaptiv zu optimieren.
• Time Division Duplexing (TDD) ist eine Technik, bei der Uplink- und Downlink-Funktionen auf der gleichen Frequenz stattfinden. TDD wurde bei 5G NR hinsichtlich Geschwindigkeit und Flexibilität neugestaltet.
• Der inaktive Zustand ist eine verbesserte Energiesparfunktion von 5G NR, die den Idle- und Connected-Modus von 4G erweitert. Im einfachsten Fall reduziert der neue inaktive Zustand die Belastung der Control Plane, wenn viele Geräte aus dem Ruhezustand aufwachen müssen, um Daten zu übertragen.