Was muss jeder Ingenieur über 5G wissen?

In den letzten Jahren haben Forscher hart daran gearbeitet, neue Konzepte und Technologien zu erforschen, um die Frage zu beantworten: „Was ist 5G?“

Das 3GPP [3rd Generation Partnership Project] entwickelt und veröffentlicht harmonisierte Spezifikationen, die drahtlose Standards definieren. Er hat bereits einen 5G-Arbeitsplan festgelegt, und die erste Definitionsphase für 5G mit dem Namen New Radio (NR) [neues Radio] wurde Anfang Dezember 2017 verabschiedet.


Abb. 1 - Die erste Spezifikation der NR-Technologie für 5G wurde Ende 2017 genehmigt. Geplante Aktualisierungen sind für 2018 geplant

Obwohl sich die erste Phase von NR vom LTE-Protokoll unterscheidet, das in der heutigen Mobilkommunikation weit verbreitet ist, gibt es eine Ähnlichkeit zwischen ihnen. Die auffälligsten Unterschiede zwischen LTE und NR sind Bandbreite und Betriebsfrequenz. Darüber hinaus bietet NR neue Möglichkeiten für die Strahlungskonzentration - sowohl in der analogen als auch in der digitalen Kommunikation. Die Tabelle vergleicht die wichtigsten Spezifikationen von LTE und NR.

	LTE	NR Phase 1
Arbeitsfrequenz	Bis zu 6 GHz	Bis zu 52 GHz
Streifenbreite	Bis zu 20 MHz	Bis zu 100 MHz bei einer Frequenz <6 GHz, bis zu 1 GHz bei einer Frequenz> 6 GHz
Carrier Association	Bis zu 32	Bis zu 16
Analoge Strahlkonzentration (dynamisch)	Wird nicht unterstützt	Unterstützt von
Digitale Strahlkonzentration	Bis zu 8 Schichten	Bis zu 12 Schichten
Kanalcodierung	Daten: Turbocodierung, Kontrolle: Faltungscodierung	Daten: LDPC, Kontrolle: Polarkodierung
Unterträger	15 kHz	15, 30, 60, 120, 240 kHz
In sich geschlossener Hilfsrahmen	Wird nicht unterstützt	Verfügbar
Überlastung des Spektrums	90% Kanalbreite	Bis zu 98% Kanalbreite

Um die engen Fristen für die 5G-Implementierung einzuhalten, wurde ein schrittweiser Implementierungsplan vorgeschlagen. Der Plan besteht aus zwei Versionen von NR: eigenständig und integriert. Die integrierte Version funktioniert mit LTE eNB als primärem und mit den zweiten Hilfszellen-NR-gNBs (entsprechend 5N NR eNB), die an den EPC angeschlossen sind. Diese Version des Standards wurde im Dezember 2017 genehmigt. Das Diagramm zeigt, wie es aussehen wird:


Abb. 2

Das eingebaute 5G NR ermöglicht es, die vorhandene Infrastruktur für die erstmalige Implementierung der 5G-Technologie zu nutzen. Die Standalone-Version ist so konzipiert, dass sie mit zukünftigen Versionen von Wireless-Standards von unten nach oben kompatibel ist. Autonome Netzwerke können mit kombinierten Netzwerken koexistieren und gleichzeitig arbeiten. Das genaue Datum der Präsentation der autonomen Technologie wurde noch nicht festgelegt, aber ein solches Schema wurde bei der Entwicklung der ersten Phase von NR berücksichtigt. Ein eigenständiges Falldiagramm ist unten dargestellt:


Abb. 3 ( Quelle )

Verizon und Korea Telecom (KT) beteiligen sich nicht nur am Standardisierungskonsortium, sondern suchen auch nach Möglichkeiten, Technologien vor 5G zu kommerzialisieren. Verizon versucht, im Winter 2017 einen permanenten drahtlosen Zugang basierend auf dem 5G Technical Forum (Verizon 5GTF oder V5GTF) bereitzustellen. V5GTF wird mit 28 GHz betrieben und für die Bereitstellung von Hochgeschwindigkeitsinternet in Fällen der "letzten Meile" verwendet, deckt jedoch nicht die Mobilkommunikation ab. KT hingegen versucht, frühere 5G-Technologien für die Olympischen Winterspiele einzusetzen. Spezifikationen für diese Pläne wurden noch nicht veröffentlicht.

Bei der Erörterung von 5G löste die Arbeitsfrequenz heftige Debatten aus, und jetzt beginnt Klarheit zu diesem Thema zu entstehen. Die Tabelle enthält eine Zusammenfassung der betrachteten Frequenzen basierend auf der Teilnahme an 3GP.

Die Bedeutung von Millimeterwellen

Es ist wichtig zu beachten, dass Frequenzen bis zu 6 GHz in der 5G-Technologie weiterhin eine wichtige Rolle spielen. Unternehmen suchen nach Möglichkeiten, den Durchsatz im Vergleich zu LTE um das Fünffache zu steigern. Die in der Tabelle aufgeführten Frequenzen machen einen großen Teil der berücksichtigten Frequenzen aus, dies ist jedoch keine vollständige Liste. Zum Beispiel plant T-Mobile, das Frequenzspektrum im Bereich von 600 MHz zu nutzen, um 5G in den USA einzuführen.

Und obwohl die Millimeterfrequenzen für die erste NR-Phase je nach Implementierungsbereich besser definiert sind, erfordert der Standard mehrere Bereiche. Beispielsweise haben chinesische Regulierungsbehörden Bereiche von 24,75 bis 27,5 und 37 bis 42,5 GHz vorgeschlagen. Die FCC in den USA schlug 28-GHz- und 2-Bänder aus dem 37-40-GHz-Band vor. Die Europäer sagten, dass 28 GHz nicht funktionieren werden und sie konzentrieren sich auf das 24-27 GHz-Spektrum sowie auf 38-39 GHz. Korea und Japan tendieren zu 28 GHz.

Ein guter erster Schritt zum Verständnis des 5G-Kommerzialisierungsprozesses ist ein klares Verständnis des Kommunikationsstandards. Andere Schwierigkeiten wirken sich jedoch auch auf die Geschwindigkeit der Bereitstellung der neuen Technologie aus - sowohl im Bereich der Komponentenentwicklung und des Systemdesigns als auch bei der Verifizierung und Zertifizierung von Geräten. Das Hinzufügen von Technologien wie der Strahlkonzentration erfordert eine Änderung der integrierten Hochfrequenzschaltungen wie Verstärker und Transceiver. Um Systemverluste zu minimieren, werden Antennenarrays zunehmend in Verstärker und Transceiver auf einem einzelnen Chip oder Modul integriert. Infolgedessen können Ingenieure diese Geräte nicht mehr mit Kabeltests testen. Drahtlose Tests, die bisher als inakzeptabel angesehen wurden, werden immer obligatorischer.

Bevorstehende Schwierigkeiten bei Tests und Messungen

NR ist insbesondere für Millimeterwellen viel komplexer als LTE. Die meisten vorhandenen Testgeräte sind nicht für die Kombination mit höheren Trägerfrequenzen, breiteren Durchsatzkanälen und drahtlosen Messungen ausgelegt. Selbst einfache Messaufgaben wie die Leistungsmessung müssen im Fall von 5G überdacht werden, da es in der Branche keine klare Definition und Übereinstimmung darüber gibt, was es bedeutet, kalibrierte drahtlose Messungen zu erhalten.

Obwohl der Standardisierungsprozess der ersten und zweiten Kommunikationsebene kurz vor dem Abschluss steht, bleiben viele Probleme ungelöst. Bisher hat 5G eine neue Ära in der drahtlosen Kommunikation eingeleitet, und es ist klar, dass dies nur der Anfang ist. In der RFID-Entwicklungs-, Verifizierungs- und Messbranche ist es an der Zeit, drahtlose Forschung und Innovationen zu nutzen, damit 5G kommerzialisiert werden kann.