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Die Realität des Industrial 5G

29. Juli 2020, 09:30 Uhr   |  Meinrad Happacher


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

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

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

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. 

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1. Die Realität des Industrial 5G
2. Enhanced Mobile Broadband (eMBB)
3. Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC)
4. Latenzzeiten und Zyklen

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