Enhanced Mobile Broadband (eMBB)

Die drei Hauptszenarien von 5G: In einem Netzwerk lässt sich immer nur ein Szenario in vollem Umfang nutzen.

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Das heutige 5G basiert auf Release 15. Es konzentriert sich hauptsächlich auf die Bedürfnisse von Konsumenten und wird von den derzeit verfügbaren Handheld-Geräten sowie von einigen Betreibern von Mobilfunknetzen unterstützt. eMBB verfolgt das Ziel, Spitzen-Datenraten von 20 Gbit/s und reale Datenraten von 1 Gbit/s pro Gerät zu erreichen. Das ist etwa 10- bis 20-mal schneller als 4G. 
Dafür übernimmt und verbessert 5G das Modulationsschema, das schon 4G verwendet, den Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA). Bei OFDMA werden Informationen über mehrere Sub-Carrier gesendet. Eines der Hauptmerkmale ist das Sub-Carrier-Spacing (SCS), also der Abstand zwischen zwei Sub-Carriers. Es gibt eine Beziehung zwischen der Symboldauer und dem Sub-Carrier-Spacing. Die Verbindung zwischen dem Sub-Carrier-Spacing, der Symboldauer und dem Slot-per-Frames wird Numerologie genannt und mit dem griechischen Buchstaben µ angegeben. Im Gegensatz zu 4G ist bei 5G das Carrier-Spacing dynamisch. Dadurch lässt es sich an die Bedürfnisse der Nutzer anpassen. 5G nutzt das Spektrum dadurch effizienter als 4G. Die Effizienz steigt von 90 auf 95 %.

Jeder Sub-Carrier kann mit unterschiedlichen Modulationsverfahren moduliert werden: QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation), 64-QAM und 256-QAM. Letzteres ist nicht Bestandteil von 4G. Bei höheren Modulationsordnungen lassen sich mehr Bits über ein OFDM-Symbol senden, mit einer entsprechenden Zunahme der Datenrate. Das setzt jedoch eine bessere Verbindungsqualität voraus. 
Darüber hinaus ist je nach Anzahl der verfügbaren Carriers auch eine Carrier-Aggregation möglich. Wenn ein Netzwerk etwa zwei 20-MHz-Blöcke verwendet, können zwei Datenströme gleichzeitig an ein Endgerät gesendet werden, einer über jeden Carrier. Das Endgerät rekombiniert dann die Daten zu einem Datenstrom. 

Die Downlink-Datenrate in Abhängigkeit vom Frequenzbereich: Die dargestellten Werte stellen die theoretisch maximal erreichbaren Spitzendatenraten in einem Netzwerk mit einem einzelnen Benutzer dar.

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Außerdem ist mit 5G die Ver­wendung von MIMO-Antennen (Multiple Input Multiple Output) möglich. Damit kann ein Empfänger mehrere Datenströme gleichzeitig über mehrere Antennen-Signale empfangen, die er rekombiniert. Auch die verfügbare Frequenz hat Einfluss auf die erreichbare Datenrate. Derzeit sind es für 5G 3,4 bis 3,8 GHz – auch bekannt als Sub-6-GHz-Frequenzspektrum – und der Millimeterwellenbereich um 26 GHz. Die meisten der in Europa bereits zugewiesenen Frequenzen für 5G liegen im Sub-6-GHz-Bereich. 

Zusammenfassend heißt das: Die maximale Datenrate ist abhängig von der Anzahl der Carrier (Carrier-Aggregation), der Modulation, der Anzahl der MIMO-Schichten und dem Frequenzbereich. Die Datenraten sind für den Downlink unter der Annahme berechnet, dass das Modulationsverfahren 256-QAM, die maximalen acht MIMO-Schichten und alle Slots für den Downlink für einen einzelnen Benutzer verwendet werden. Sie stellen die theoretisch maximal erreichbaren Spitzendatenraten in einem Netzwerk mit einem einzelnen Benutzer dar. 

Bei der gegenwärtigen Implementierung von 5G wird aktuell nur Time Division Duplex (TDD) berücksichtigt. Dies bedeutet, dass das zugewiesene Spektrum zwischen Uplink-, Downlink- und Steuerkanälen zeitlich aufgeteilt werden muss, was den oben genannten theoretisch maximalen Durchsatz in einem realistischen Umfeld potenziell reduziert. 

Es stimmt, dass 5G im Downlink circa 20 Gbit/s erreichen kann, jedoch nur bei einer Bandbreite von 400 MHz, die nur im Millimeterwellenspektrum verfügbar sein wird. Im Bereich von 3,7 bis 3,8 GHz, der von der deutschen Regierung für private lokale Anwendungen zugewiesen wurde, sind nicht mehr als 4,6 Gbit/s zu erwarten. 
Das für die Industrie wichtigste Szenario ist URLLC. Dieses Hauptszenario wird die anspruchsvollen Anforderungen industrieller IoT-Anwendungen erfüllen. Es bietet eine höchst zuverlässige Kommunikation mit geringsten Latenzzeiten und soll Anwendungen von Automated Guided Vehicles (AGV) bis hin zu drahtlosen Sicherheitsanwendungen unterstützen (zum Beispiel Not-Halt). Deren Umsetzung gelingt nur mit minimalen Latenzzeiten. 

Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC)

Die Latenz- und Zykluszeiten des Funkverkehrs über 5G.

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Die Latenz ist definiert als die Zeit, die ein Datenpaket benötigt, um das User Equipment (UE, Endgerät) zu erreichen und von der User Plane Function (UPF) an ein externes Netzwerk oder eine externe Anwendung übermittelt zu werden.  Es handelt sich um die End-to-End-Verzögerung des gesamten 5G-Systems.

Bei 5G kann die flexible Numerologie (µ) die Luftübertragungslatenz verringern. Dazu wird ein Informations-Slot in kürzerer Zeit gesendet. Es werden Self-Contained-Slots und innerhalb der Slots Mini-Slots verwendet. Das Funkschnittstellenprotokoll von 5G ist in Frames von 10 ms strukturiert. Jeder Frame umfasst 10 Subframes von je 1 ms, die wiederum in Slots unterteilt sind, welche 14 OFDM-Symbole enthalten. Ein Slot kann, abhängig von der gewählten Numerologie, von 1 ms bis zu einem Mindestwert von 125 µs dauern. In sämtlichen Fällen beträgt die Anzahl der Symbole pro Slot stets 14. Das bedeutet, dass in einem Subframe mit einem SCS von 30 kHz innerhalb von 1 ms insgesamt 28 Symbole übertragen werden. In einem 60-kHz-SCS-Slot lassen sich 56 Symbole übertragen und so weiter.

Diese Werte gelten für die Theorie. Reale Werte müssen in einem echten Stand-alone-5G-Netz gemessen werden und betreffen nur den physikalischen Teil der Funkübertragung. Diese Verzögerung gilt es zu allen Verzögerungen durch die Verarbeitung des Funkprotokolls und der Verzögerung im Core-Netzwerk hinzuzurechnen. 
Das 5G-Core-Netzwerk basiert – im Gegensatz zu den Netzknoten in älteren Mobilfunktechnologien – auf virtuellen Funktionen. Die virtuellen Funktionen haben den Vorteil, dass sie einfach auf einem Edge Device eingesetzt werden können, zum Beispiel der Software des RAN (Radio Access Network), der UPF und eventuell auch als Anwendung auf derselben Maschine, was zu einer geringeren Latenz führt. 

Sub-Carrier-Spacing und Slot-Dauer: Die genannten Werte sind Theorie-Werte. Reale Werte müssen in einem echten Stand-alone-5G-Netz gemessen werden und betreffen nur den physikalischen Teil der Funküber­tragung.

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Industrielle Anwendungen erfordern eine möglichst niedrige Latenz bei der Kommunikation. Eine Verzögerung der Kommunikation führt nämlich zu höheren Zykluszeiten bei den Anwendungen. Die Zykluszeit ist die Zeit, die von einer Client-Anwendung oder einem Gerät benötigt wird, um eine Anfrage an eine Controller-Anwendung zu senden und die Antwort zurück-zuliefern. Für deterministische und betriebskritische industrielle Anwendungen ist es daher unerlässlich, die Zykluszeit auf ein Minimum zu beschränken. Das 5G-Netz bringt sowohl beim Uplink als auch beim Downlink eine Verzögerung ein, die nicht notwendigerweise gleich sein muss. Die Anwendungen benötigen ebenfalls eine gewisse Bearbeitungs- und Antwortzeit. Die Summe all dieser Faktoren ergibt die Zykluszeit. 

Latenzzeiten und Zyklen

Das 5G-Spektrum in Deutschland: Die Bundesnetzagentur hat für die lokale Nutzung 100 MHz von 3,7 bis 3,8 GHz reserviert.

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Bei 5G tragen mehrere Punkte zur Latenz bei: die Verarbeitung im Endgerät, die drahtlose Übertragung, die 5G-Protokollverarbeitung, die Verbindung zwischen RAN und dem Core sowie die Verzögerung bei der Verarbeitung des Core-Netzwerk-Protokolls. Die Gesamtleistung ist auch von der Implementierung des 5G-Netzes abhängig. 

Zudem kann die Latenzzeit in privaten und öffentlichen Netzwerken sehr unterschiedlich sein. Nutzt ein Unternehmen ein öffentliches Mobilfunknetz, muss es mit höheren Latenzzeiten rechnen, da die Daten außerhalb des Werks große Entfernungen überbrücken müssen, um das Core-Netzwerk zu erreichen. Private Netzwerke sind im Vergleich dazu vollständig vor Ort installiert. Dadurch gibt es keine großen Entfernungen zwischen den verschiedenen Netzelementen und die Verzögerung im Backbone wird auf ein Minimum reduziert. Zudem lässt sich die Implementierung des 5G-Netzes optimal auf die Anwendungen abstimmen. Daher erreicht ein privates Netzwerk standardmäßig bessere Latenzzeiten. 

Vincenzo Fiorentino ist System Manager Industrial Wireless Communication bei Siemens.

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Gemäß den Spezifikationen von 5G hat das kürzeste Packet Delay Budget (PDB) eine Obergrenze von 5 ms, die durch die Verwendung von 5G-Servicequalitäts-klassen gewährleistet werden soll. Derzeit sind jedoch keine Messungen bekannt, die solche Werte nachweisen. Daher ist zumindest bei den ersten 5G-Einsätzen von einem realistischen Latenzwert von etwa 10 ms auszugehen.

Vorteile privater Netzwerke

Sander Rotmensen ist Leiter Produktmanagement für drahtlose Industriekommunikation bei Siemens.

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Private 5G-Netze ermöglichen es den Unternehmen, die Vorteile von 5G zu nutzen. Ein privates Netzwerk ist im Vergleich zu einem öffentlichen Netz sicherer, da das drahtlose Signal nur dort verfügbar ist, wo es benötigt wird. In einem Netzwerk in Eigenbesitz bleiben die Daten vor Ort, und die User können entscheiden, welche Daten wo verarbeitet werden – etwa in einer Cloud. Zudem können User ihr privates 5G-Netzwerk selbst kontrollieren und sind in der Lage, es je nach Anwendungsfall anzupassen. Für solche privaten Netze muss der Industrie ausreichend Spektrum zur Verfügung stehen.
Viele Länder erwägen, lokale Spektren entweder im Sub-6-GHz-Bereich oder im Millimeterwellenbereich oder sogar in beiden verfügbar zu machen. In Deutschland hat die Bundesnetzagentur (BNetzA) bereits 100 MHz von 3,7 bis 3,8 GHz für die lokale Nutzung reserviert. Das gibt Unternehmen die Möglichkeit, Spektren für einen günstigen jährlichen Beitrag anzumieten.