Grundkonzept von 5G

Rüdiger Heintz

16.12.2023

5G - 5.te Generationen des globalen Mobilfunkstandards

1G

1980er Jahre

Analogtelefonie

-

2G

1990er Jahre

Digitaltelefonie

53,6 kb/s - 256 kb/s

3G

2000er Jahre

Internet

384 kb/s - 42 Mb/s

4G

2010er Jahre

Internet

500 Mb/s - 1 Gb/s

5G

2020er Jahre

Vernetzung

20 Gb/s

Datenübertragung - Orthogonale Frequenzmultiplex (OFDM)

Bevor wir auf die Neuerungen von 5G eingehen, müssen wir zuerst den Stand der Technik erläutern.

5G nutzt wie 4G, Wi-Fi 6, VDSL, DAB das Orthogonale Frequenzmultiplex (OFDM).

Am Demonstrator rechts lässt sich das Grundkonzept von OFDM erklären.

Vertiefende Betrachtungen zu OFDM sind in der Vorlesung Signale und Systeme zu finden.

Datenübertragung - Orthogonale Frequenzmultiplex (OFDM)

• Das begrenzte Zeitsignal ermöglicht Zeitmultiplex.
• Durch die Wahl der verwendeten Vielfachen der Grundfrequenz kann die Bandbreite flexibel eingestellt werden, was Frequenzmultiplex ermöglicht.
• Es ergibt sich eine flexible Slotanordnung.

beispielhafte Slotanordnung

Datenübertragung - Konzept

• Die Sendestation (Radio Unit, RU) verteilt die Slots an die Endgeräte (User Equipment, UE)
• In den Slots werden digitale Daten übertragen, dazu wird die Amplitude und Phase in Stufen verändert (Quadraturamplitudenmodulation)
• Je besser die Signalqualität, desto mehr Stufen können verwendet werden.
• Datenrate variiert trotz gleicher Slotgröße.
• Endgeräte müssen sich im Netz registrieren um Slots zu erhalten.
• Es muss freie Slots dafür geben.
• In diesen Slots zur Registrierung kann es Kollisionen kommen.

In 5G gibt es nun zwei grundlegende Neuerungen gegenüber 4G.

Neu bei 5G - Raummultiplex mittels Beamforming

Neben Zeitmultiplex und Frequenzmultiplex verwendet 5G Raummultiplex auf der Basis von Beamforming.

Durch mehrere Antennenelemete in einer Radio Unit (RU) lässt sich eine gerichtete Abstrahlung erzeugen.

Mittels des Demonstrators lässt sich die Erzeugung gerichteter Strahlung erläutern.

Neu bei 5G - Raummultiplex mittels Beamforming

Durch eine zweidimensionale Anordnung der Antennenelemente wird ein dreidimensionales Beamforming ermöglicht.

Eigenschaften von Beamforming

• Durch Erhöhung der Anzahl an Antennenelemente lässt sich die Abstrahlkeule verkleinern
• Die Abstände der Antennenelemente liegt nahe \(\frac{\lambda}{2}\)
• Die Mindestgröße der RU hängt ab von der Anzahl der Antennenelemente und der verwendeten Mindestfrequenz z.B. \(5\text{ GHz} \rightarrow \frac{\lambda}{2}\approx 3 \text{ cm}\)
• Beamforming im Sub-6-GHz wird nur in der RU eingesetzt
• Die UEs senden größtenteils ungerichtet, die RU kann mittels Beamforming aber auch Empfangsrichtungen auflösen.
• Durch die gerichtete Abstrahlung reduziert sich die Sendeleistung pro Bit.

Beamforming

Mittels Beamforming wird die Anzahl der Slots stark erhöht.

Beispiel RU: Ericsson AIR 6488 B43

• 64 Antennenelemente
• Sendeleistung bis 200 W
• Frequenzbänder von 3,6 GHz - 3,8 GHz
• Beamgröße variiert mit Abstrahlwinkel, z.B. (h, v) bei (55°, 3°) ist (22°, 9.5°)
• Ausdehnung: 81.9 x 40 x 25.6 cm

Neu bei 5G - Höhere Frequenzbänder

5G nutzt wie 4G, Wi-Fi 6, VDSL, DAB das Frequenzen unter 6 GHz (Sub-6-GHz).

Zusätzlich sind aber Frequenzen im Bereich 24 GHz - 100 GHz (mmWave) möglich.

Vorteile von mmWave

• Große freie Bandbreiten ermöglichen sehr hohe Datenraten
• Kompakte RUs auch mit Beamforming möglich

Mittels mmWave wird die Anzahl der Slots stark erhöht.

Nachteile von mmWave

• Maximale Reichweite sinkt auf wenige 100 m
• Schlechtere Gebäudedurchdringung erfordert mehr RUs

Es ergeben sich viele kleine Funkzellen (Small Cells).

5G - Mehr Slots und nun?

Es gibt wenige Smartphone Nutzer die eine gute 4G Verbindung für zu langsam erachten.

Rechtfertigt die Energieeinsparung und höhere Datenrate die Einführung von 5G?

Mehr Slots lassen sich nicht nur für höhere Datenraten nutzen!

Weitere Nutzungsansätze von zusätzlichen Slots

• Höhere Ausfallsicherheit durch Mehrfachübertragung
• Mehr Geräte pro Fläche möglich

Anwendungsprofile

Um durch neue Anwendungsfelder wie

neue Märkte zu erschließen wurden Anwendungsprofile definiert.

5G Anwendungsprofile

Durch die drei Anwendungsprofile eMBB, mMTC und URLLC werden neue Anwendungsfelder erschlossen.

5G-Campusnetze

Industrieunternehmen wollen oftmals keine Abhängigkeit von den Mobilfunkanbietern. Daher unterstützt die Bundesnetzagentur den Aufbau von 5G-Campusnetzen.

5G-Campusnetze sind lokale Netze welchen den Mobilfunkstandard 5G verwenden

Die Bundesnetzagentur stellt folgende Bereiche für lokales Breitband bereit

• seit 2019 den Frequenzbereich 3700 - 3800 MHz (Bandbreite 100 MHz)
• Einsatzgebiet laut Bundesnetzagentur "insbesondere für die Industrieautomation bzw. Industrie 4.0, aber auch die Land- und Forstwirtschaft"
• Bisher wurden 341 Anträge genehmigt.
• seit 2023 den Frequenzbereich 24,25 - 27,5 GHz (Bandbreite 3250 MHz)
• Einsatzgebiet laut Bundesnetzagentur "wie z.B. Infrastrukturanbindungen, Industrie 4.0 und das Internet der Dinge"
• Bisher wurden 17 Anträge genehmigt.

Potentiale für Produktion und Logistik

Allgemein

• Echtzeitfähige Fernsteuerung von Anlagen, Geräten usw.

Logistik

• Standort der Stückgüter jederzeit abrufbar
• Zustand der Stückgüter jederzeit abrufbar

Produktion

• Einsparung von Bedienpanels und Nutzung mobiler Bedienpanels
• Anzeige passender Anlageninformationen (z.B. Anleitungen)
• Verlagerung von Rechenleistung in die Cloud
• Maschine bietet über Standardschnittstelle Zugang zu Sensoren und Aktoren
• Einfache Maschinen mit komplexen Auswertemethoden realisierbar
• Vereinfacht Wartung und Nachrüstung
• Ermöglicht Prozessinseln verbunden über fahrerlose Transportsysteme
• Flexible Auftragsverteilung
• Hohe Individualisierungsgrad (Auftragsfertigung mit Losgröße 1)
• Fertigung as a Service

Herausforderung - Lokalisierung

• Eine elektromagentische Welle legt 1 m in ca. 3 ns zurück.
• Verfahren benötigen eine hoch genaue Zeitsynchronisierung und erfordern zusätzlichen Datenaustausch
• Beachte: Verfahren sollen für viele UAs gleichzeitig funktionieren!

Es gibt verschiedene Ansätze.

MC-RTT

Paketumlaufzeit mit mehreren Stationen

DL-TDOA

Zeitdifferenz der Ankunft

• Erfordert gleichzeitiges Senden
  oder Übertragen der Sendezeit
• Auch als Uplink Variante möglich (UL-TDOA)

UL-AoA

Empfangswinkel und Dämpfung

• Winkelberechnung aufwändig
• Auch mit Winkeln zu mehreren Stationen möglich
• Auch als Downlink Variante möglich (DL-AoD)

Aktuelle Produkte

• 2022: Huawai verspricht mit UL-TDOA eine Genauigkeit von 1-3 m bei 90 % der Messungen zu erreichen
• 2023: Ericsson verspricht mit "Radio Dot" ein Indoor Genauigkeit von unter 1 m zu erreichen

Herausforderung - Marktsituation

Die beschriebenen Funktionen werden in den 3GPP Releases 15-18 spezifiziert. Bisher sind die Releases 15-17 freigegeben. 3GPP Releases 15 konzentriert sich auf eMBB.

• Keine Sensoren und Aktoren mit 5G
• mMTC Geräte (Protokoll nach NB-IoT und LTE-M) sind verfügbar werden aber im industriellen Umfeld nicht breit eingesetzt und unterstützen bestenfalls 3GPP Release 15.
• Industrielle 5G Router verfügbar
• Nach 3GPP Release 15 (noch kein Multi-Connectivity)
• z.B. Siemens 5G Router tunnelt ProfiNet über ein 5G VPN.

Erst Geräte welche Release 16 oder höher unterstützen werden das Anwendungsgebiet für Produktion und Logistik erweitern.

Danke für Ihre Aufmerksamkeit