5G ist die Kommunikationsinfrastruktur, die revolutionäre Anwendungen in anderen Märkten möglich machen wird, darunter der Industrie-, Automobil- und Medizinsektor und sogar die Wehrtechnik. In einer Welt, die durch das Internet of Things (IoT) immer stärker vernetzt ist, macht 5G mit entscheidenden Verbesserungen der Datenraten (bis zu 10 GBit/s, also zehnmal mehr als bei 4G), der Latenz (bis auf 1 ms herab und damit zehnmal weniger als bei 4G) und der Dichte (Unterstützung von bis zu einer Million IoT-Geräten pro Quadratkilometer) zahlreiche innovative Anwendungen möglich. Insbesondere geht es dabei um Applikationen, in denen Sicherheit, Zuverlässigkeit, Dienstqualität, Effizienz und Kosten gleich wichtig sind.

Bild 1: Die 5G-Technik wird "Dinge" mit "Diensten" verbinden. Dienste sind vorwiegend in der Cloud angesiedelt, während sich die Dinge eher bei Konsumenten und Unternehmen befinden.

Bild 1: Die 5G-Technik wird Dinge mit Diensten verbinden. Dienste sind vorwiegend in der Cloud angesiedelt, während sich die Dinge eher bei Konsumenten und Unternehmen befinden. Texas Instruments

Wie Bild 1 illustriert, wird die 5G-Technik Dinge mit Diensten verbinden, wobei sich die Dinge bei Konsumenten oder Unternehmen befinden, während die Dienste vorwiegend in der Cloud angesiedelt sind. Das 5G-Netz soll gemäß dem von den Anwendern verlangten Servicelevel flexibel parallele Verbindungen zuweisen können und ein optimales Preis-Leistungs-Verhältnis bieten.

5G ist mehr als nur ein weiteres „G“ in der Entwicklung der Kommunikationsstandards, sondern ein Sammelbegriff, der mindestens drei bedeutende Trends einschließt. Gemäß den Definitionen der International Telecommunication Union ist der erste dieser Trends eMBB (enhanced Mobile Broadband) und stärkt Innovationsgebiete wie etwa Augmented Reality und Virtual Reality. Beim zweiten Trend, der als mMTC (massive Machine-Type Communication) bezeichnet wird, geht es um die allgegenwärtige Anbindung von Sensoren im IoT. Beim dritten Trend schließlich handelt es sich um die extrem zuverlässige, latenzarme Kommunikation für kritische Anwendungen, wie etwa autonomes Fahren oder die Durchführung chirurgischer Eingriffe aus der Ferne.

Gestaffelte Einführung

5G New Radio (NR) ist an LTE-Advanced angeknüpft, das ein essenzieller Bestandteil der 5G-Plattform bleiben wird, um den Betrieb über eine bestehende zentrale Netzwerkinfrastruktur zu gewährleisten. Diese Methode hat es der Industrie ermöglicht, sich mit der Einführung des 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Release 15, das Ende 2017 finalisiert wurde, stetig zu dem unterhalb von 6 GHz liegenden Teil des Spektrums hinzubewegen. Release 15 wird bis 2020 die Grundlage für den Großteil des ersten 5G-Deployments sein.

Bild 2: Der Standard, der das Spektrum oberhalb von 6 GHz betrifft, ist das für die Einführung in der zweiten Jahreshälfte 2019 vorgesehene Release 16.

Bild 2: Der Standard, der das Spektrum oberhalb von 6 GHz betrifft, ist das für die Einführung in der zweiten Jahreshälfte 2019 vorgesehene Release 16. Texas Instruments

Der Standard, der das Spektrum oberhalb von 6 GHz betrifft, ist jedoch das für die Einführung in der zweiten Jahreshälfte 2019 vorgesehene Release 16 (Bild 2). Dieser Standard bildet die Grundlage für kritische Kommunikationsdienste, Virtual Reality und LPWA-IoT (Low Power Wide Area). Es wird erwartet, dass Release 16 die Kommunikationsindustrie insgesamt umgestaltet, indem es viele jener Applikationen möglich macht, die häufig als das wahre Potenzial der 5G-Vision gelten. Darin sollen alle neuen Fähigkeiten wie das Spectrum Sharing, der zelluläre Vehicle-to-Everything-Standard (C-V2X) für den Automobilbereich und vieles mehr enthalten sein.

Wirtschaftliche Aspekte von 5G

Bild 3: Die Weiterentwicklung der Funk-Parameter. Bei Fixed-Wireless-Anwendungen sind Datenraten von 300 MBit/s und mehr möglich.

Bild 3: Die Weiterentwicklung der Funk-Parameter. Bei Fixed-Wireless-Anwendungen sind Datenraten von 300 MBit/s und mehr möglich. Texas Instruments

Der erste wirtschaftliche Aspekt fällt unmittelbar ins Auge: 5G verbessert die Netzwerkkapazität, die Übertragungsraten, die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit, während sich die Latenz verringert – alles auf dem gleichen Kostenniveau wie 4G. Bei Fixed-Wirless-Anwendungen sind Datenraten von 300 MBit/s und mehr möglich (Bild 3).

Interesse weckt 5G indes nicht nur bei den Anbietern von Kommunikationsdiensten, sondern zusätzlich wird hier eine Vielzahl unkonventioneller Akteure aktiv. Zum Beispiel beobachten OTT-Medienanbieter (Over The Top) wie Facebook, Microsoft, Google oder Amazon die geschäftlichen Möglichkeiten genau. Diese OTT-Anbieter sind Eigentümer der Cloud, in der die meisten Dienste angesiedelt sind, was sie zu entscheidenden Akteuren in der 5G-Mission macht. Nicht in ihrem Besitz befindet sich dagegen der Zugangsteil, der weiter vollständig unter der Kontrolle der Kommunikationsdienst-Anbieter ist.

Besonderheiten der 5G-Technik

Viele Netzwerkfunktionen wurden auch schon zu 4G-Zeiten virtualisiert, wodurch die öffentliche Cloud als Teil der Infrastruktur (Infrastructure as a Service) entscheidend expandieren konnte. Die Pipeline bleibt allerdings fest in den Händen der Kommunikationsdienst-Anbieter. Ein symbiotisch funktionierendes System erfordert die Einrichtung und das intelligente Management geeigneter Verbindungen zwischen Anbietern und Benutzern. Die Weiterentwicklung dieser Verbindungen umfasst neue Technologien wie das Network Slicing und das Edge Computing als zwei entscheidende Merkmale der 5G-Technik.

Network Slicing

Bild 4: Network Slicing bietet Betreibern die Möglichkeit, die Packet-Traffic-Schicht von der Steuerungsschicht zu separieren.

Bild 4: Network Slicing bietet Betreibern die Möglichkeit, die Packet-Traffic-Schicht von der Steuerungsschicht zu separieren. Texas Instruments

Wie Bild 4 deutlich macht, gibt das Network Slicing den Betreibern die Möglichkeit, die Packet-Traffic-Schicht von der Steuerungsschicht zu separieren und so den parallelen Betrieb verschiedener Anwendungen und Dienste für eine ganze Palette von Anwendern zu ermöglichen, die unterschiedliche Anforderungen in Sachen Qualität, Latenz und Bandbreite stellen. 5G wird also viele logische Netzwerk-Slices aufweisen, was im Prinzip eigenen Fahrspuren für bestimmte Anwendungen und Kunden entspricht.

Zum Beispiel kann ein Betreiber viele Kunden haben, die für Augmented Reality Tools auf eMBB angewiesen sind, während der Betreiber gleichzeitig auch andere Kunden unterstützen muss, die das Netz für mMTC, autonomes Fahren oder Teleoperationen brauchen, was nach völlig anderen Netzattributen verlangt. Jede Anwendung stellt ganz spezifische Anforderungen und durch Aufteilen (Slicing) des Netzwerks in verschiedene, spezialisierte Sitzungen oder parallele Verbindungen wird es möglich, die einzelnen Slices passend zu optimieren.

Edge Computing

Infolge der Zunahme kritischer Anwendungen, die nach sofort verfügbaren Rechen-Ressourcen verlangen, verbunden mit den durch künstliche Intelligenz (KI) unterstützten intelligenten Funktionen wie autonomes Fahren, Telemedizin und virtuelle Realität ist es unerlässlich, die Rechen-Ressourcen an die Edge und damit näher an die finalen Anwender zu rücken. Zum Beispiel würde ein Auto auch nach dem Empfang eines Bremsbefehls noch eine gute Strecke zurücklegen, wenn für die Hin- und Zurückübertragung durch das gesamte Netz einige Millisekunden nötig wären. Wenn es mit Edge-Ressourcen gelingt, diese Latenz um den Faktor zehn zu reduzieren, verringert sich die Zeitspanne zwischen Befehl und Bremsung gravierend.

Entscheidende Hardware für die 5G-Zukunft

Das 5G-Netz bietet NR-Zugangsstandards und -Features und eignet sich damit für eine ganze Reihe vertikaler Märkte mit vielfältigen Anwendungen. Hieraus resultiert eine Unmenge Hardware-Anforderungen, wie etwa in aktiven Antennensystemen (AAS) als Weiterentwicklung des Remote-Radio-Head-Konzepts durch Einbindung der Antenne. Diese Integration hilft bei der Bewältigung der 5G-Forderung nach vermehrter Kapazität, indem durch die Implementierung der massive-MIMO-Technologie (mMIMO) für räumliche Diversität und zielgerichtete Strahlen gesorgt wird.

AAS, mMIMO und Beamforming

Eck-Daten

5G ist mehr als nur ein weiteres „G“ in der Entwicklung von Funkstandards. Die Technologie bringt eine Reihe von Besonderheiten mit sich. Der Beitrag beleuchtet Merkmale von 5G wie Network Slicing und Edge Computing und beschreibt ausführlich, welche Anforderungen die Technologie an die Hardware stellt. Behandelte Themen umfassen dabei die Taktung, integrierte Transceiver sowie Stromversorgung und thermisches Management.

Mit der AAS-Technologie lässt sich die Effizienz der Basisstationen maximieren, sodass die Betreiber ihre Kapazität drastisch erhöhen (bis um den Faktor fünf für 5G) und ihre Netzabdeckungs-Ziele erreichen können. Cluster aus Leistungsverstärkern (Power Amplifiers, PAs) zusammen mit Antennenelementen sind essenzieller Bestandteil aktiver Antennensysteme (zurzeit mit bis zu 1024 PAs) und implementieren die Full-Access-Funktion des Netzwerks zur Verbindung mit dem Basisband-Knoten, der entweder am selben Standort wie das AAS oder in einer Zentrale (Cloud-RAN) angeordnet sein kann. mMIMO ist eine Technik, die den Benutzern auf Basis der räumlichen Diversität zahlreiche gleichzeitige und separate Datenpfade eröffnet. Sie ermöglicht die Mehrfachnutzung von Frequenzen, die der entscheidende Wegbereiter für eine höhere Kapazität der BTS mit der Implementierung eines räumlichen Multiplexings ist. Die Nutzung mehrerer verschiedener Antennen erlaubt außerdem ein verbessertes Beamforming.

Hinsichtlich der Hardware ist die Dichte die größte Herausforderung. Als erstes ist das thermische Management angesichts der immer kleineren Gehäuse wichtig. Zweitens geht es darum, wie sich durch intensive Integration von Funktionen und Komponenten die Erwartungen effektiv erfüllen lassen. Drittens muss all dies mit hoher Performance bei geringem Stromverbrauch bewältigt werden.

Um dies zu ermöglichen, ist alles in einem AAS – von den Transceivern über die Taktbausteine bis zum Power Management – neu zu entwickeln oder zumindest anzupassen, damit die anspruchsvollen Anforderungen der Technologie erfüllbar sind. Hiermit lässt sich bei den HF-Transceivern beginnen, die in größerer Zahl unter Einschluss von Zusatzfunktionen integrierbar sind, um intelligente Systemlösungen zu schaffen und viele neue Bauelemente mit gleichartigen Power-Management-Anforderungen zu bündeln.

Taktung und integrierte Transceiver

Mehrkanalige, hochintegrierte HF-Transceiver sind die zentralen 5G-Puzzlesteine. Benötigt wird eine HF-Signalbandbreite bis zu 1 GHz mit der Möglichkeit zum Multiband-Betrieb. Die Implementierung einer HF-Sampling-Technik macht es möglich, die beschriebenen Eigenschaften mit einer einfacheren Architektur und zu geringeren Kosten zu verwirklichen. Serializer/Deserializer-Transceiver mit der Eignung für mehr als 10 GBit/s sind zusammen mit integrierten, jitterarmen PLLs (Phase-Locked Loops) beziehungsweise VCOs (Voltage-Controlled Oscillators) weitere entscheidende Features dieser neuen System-on-Chip-Lösungen. Sie vereinfachen die Erzeugung des Abtasttakts, indem sie die Verwendung eines Referenztakts von geringerer Frequenz zulassen.

Wichtig ist dabei auch die Einhaltung der Timing-Anforderungen breitbandiger 5G-Netze. Wie schon bei den derzeitigen Mobilfunknetzen müssen die Timing-Quellen, also die VCXOs (Voltage-Controlled Crystal Oscillators) beziehungsweise TCXOs (Temperature-Compensated Crystal Oscillators), einen sehr geringen Jitter aufweisen und den Forderungen nach immer weniger Rauschen genügen. Damit unterstützen sie im Interesse optimal leistungsfähiger Millimeterwellen-Übertragungen die Quadrature-Amplitude-Modulationen höherer Ordnung.

Bezüglich der Cloud-RAN-Architektur fungiert die neueste CPRI-Spezifikation (Common Public Radio Interface) mit der Bezeichnung eCPRI (Ethernet CPRI) als Multipoint-Verbindung zwischen dem BBU-Pool (Baseband Unit) und dem RRU-Netzwerk (Remote Radio Unit) und stellt breitbandige Verbindungen für den Bedarf mehrerer RRUs bereit. Hinzu kommen neuere Timing-Anforderungen infolge der Nutzung von 5G-eCPRI für den Front-Haul-Transport in 5G. Die Zeit- und Frequenzsynchronisation, die bei Punkt-zu-Punkt-CPRI-Verbindungen prinzipbedingt garantiert war, darf nicht mehr nachträglich berücksichtigt werden. Vielmehr ist sie als Bestandteil der gesamten 5G-Timing-Lösung zu bedenken. Der Taktbaum hat sich infolgedessen von einer VCXO-basierenden Jitter-Cleaner-Lösung für den CPRI-Transport zu einer TCXO-basierenden Network-Synchronizer-Lösung für die Timing-Anforderungen in eCPRI entwickelt.

Erwartet wird ferner, dass die 5G-Makro-Basisstationen für Übertragungen im Bereich unterhalb von 6 GHz den Kommunikationsstandard Multi-Carrier Global System for Mobile (GSM) unterstützen. Der Taktbaum muss deshalb auch die Spot-Phase-Noise-Anforderungen erfüllen, die die allgemeinen GSM-Blocker-Spezifikationen nicht verletzen. Für 5G-mMIMO-Basisstationen erlaubt das Beamforming eine effiziente Nutzung des Spektrums bei gleichzeitiger Minimierung der Störbeeinflussungen. Hieraus resultieren strenge Vorgaben bezüglich des zeitlichen Versatzes zwischen den verschiedenen Ausgängen eines Taktbaums für die HF-Signalkette. Verschiedene, auf der Leiterplatten- oder Chipebene ansetzende Techniken wie etwa der Zero-Delay-Modus können die Laufzeit-Schwankungen des Taktbaums über Prozess-, Spannungs- und Temperatureinflüsse minimieren – ganz abgesehen von Antennenkalibrierverfahren auf der Systemebene mit dem Ziel, die Effizienz des Beamformings zu steigern.

Stromversorgung

5G verändert außerdem das Point-of-Load-Paradigma zur Berücksichtigung der stark variierenden Stromverbräuche von IoT-Geräten, Kleinzellen und aktiven Antennen. Der Leistungsbedarf kann hier zwischen einigen Zehntel Milliwatt und einigen hundert Watt betragen. Wachsender Leistungs- und Strombedarf hat ferner dafür gesorgt, dass die Spannung des Verteilerbusses auf 12 V angehoben wurde.

Weil der Leistungsbedarf bei den RRUs und BBUs zunimmt, kommt dem Power-Management-Bus (PMBus) eine immer wichtigere Aufgabe zu. Hochspannungs-Abwärtswandler erfahren zwischenzeitlich Weiterentwicklungen, um der wachsenden Zahl der PAs gerecht zu werden. Zu den Forderungen gehören eine dreidimensionale Wärmeableitung sowie Wandler mit 100 V Betriebsspannung und variablen Grenzströmen. Zur Versorgung der empfindlichen Taktungs- und Transceiverschaltungen in Funkeinheiten bei gleichzeitig zunehmender Dichte besteht überdies die Tendenz zur Verringerung der Abmessungen und des Rauschens mit mehrkanaligen Spezial-Wandlern. Als Ersatz für Low-Dropout-Regler dienend, schalten die Wandler mit mehr als 1 MHz, wobei der bestehende Wirkungsgrad gewahrt wird.

Das Minimieren des Bauteileaufwands, der Komplexität und der Kosten ist entscheidend dafür, das Rennen bei der 5G-Hardware zu gewinnen. Der Schlüssel zum Erreichen dieser Ziele liegt wiederum im Bündeln der Funktionen in integrierten Schaltungen.

Wie geht es mit 5G weiter?

Bei Betrachtung der jüngsten Geschichte der Kommunikationsbranche ist ein Zehn-Jahres-Zyklus bei der Umstellung auf die jeweils nächste Technologie erkennbar. Das Tempo bei der 5G-Einführung scheint ähnlich zu sein und generiert entsprechende Erwartungen, wann diese Technik zur Reife gelangt.

Wenn mit Release 16 der höhere Abschnitt des Frequenzspektrums erschlossen ist, kommen weitere Aspekte der 5G-Technik vermehrt zur Geltung. Im Millimeterwellen-Bereich arbeitende Mesh-Netze können in dicht besetzen Innenstädten als kostengünstigere Backhaul-Lösungen für Kleinzellen-Basisstationen fungieren. Dadurch mausert sich diese Technologie zu einem entscheidenden Wegbereiter für das autonome Fahren, da die Fahrzeuge untereinander und mit Verkehrsampeln kommunizieren und ihr digitales Kartenmaterial aktualisieren müssen.