Einführung in 5G NR

Erfahren Sie die Grundlagen von 5G NR, einschließlich seiner Frequenzbänder, Anwendungen und der Technologien, die dies ermöglichen.

5G, die nächste (fünfte) Generation der drahtlosen Smartphone-Kommunikation, wurde in der Verbraucherwelt als eine Stufe höher für mobile Geräte stark beworben. Aber was bedeutet 5G in den Augen der Ingenieure, die diese Geräte entwickeln?

In diesem Artikel werden wir tiefer in 5G NR (New Radio) eintauchen und die Mehrfachnutzungsmodelle und Mehrfachfrequenzbänder untersuchen, die von diesem neuen Standard abgedeckt werden. Wir werden auch einen Blick auf einige der fortschrittlichen Technologien werfen, die mit 5G NR verbunden sind.

5G-Standards

Standards für 5G werden vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) entwickelt, das aus Partnern von sieben verschiedenen globalen Standardisierungsorganisationen besteht. Die Standards für 5G begannen mit „Release 15“ im Dezember 2017 und werden in nachfolgenden Releases mit neuen Features, Funktionen und Anforderungen erweitert.

Innerhalb von 3GPP gibt es Technical Specification Groups (TSGs), die daran arbeiten, die 5G-NR-Systeme in zunehmenden Abstraktionsebenen zu definieren. Beispiellevel umfassen, sind aber nicht beschränkt auf:

• Radio Access Network (RAN): Verantwortlich für die Definition der unteren Ebenen (1-3) der Funkleistungsspezifikationen, die Folgendes umfassen:
  • Die physische Schicht
  • Modulation
  • Frequenzduplex (FDD)
  • Zeitduplex (TDD)
  • Beamforming
  • Fehlererkennung
  • Korrektur
• Dienstleistungs- und Systemaspekt (SA): Beaufsichtigt die Gesamtarchitektur und die Servicefunktionen, einschließlich Gebühren, Abrechnung, Netzwerkverwaltung und Sicherheit
• Kernnetzwerk und Terminal (CT): Definiert die Spezifikationen für die Benutzerausrüstung, Übergabe zwischen Netzwerken, Dienstgütezuordnung usw.

Drei Frequenzbänder des abgestuften 5G-Dienstes

Mit der Weiterentwicklung der drahtlosen Telekommunikationstechnologien haben die Frequenzen und die Bandbreite stetig zugenommen. Wie in Abbildung 1 dargestellt, behalten die neueren Generationen eine gewisse Abwärtskompatibilität mit bestehenden Netzwerken, werden jedoch in mehr Frequenzbänder erweitert.

Abbildung 1. Entwicklung der Frequenzzuweisungen für 2G-, 3G-, 4G- und 5G-Netze. Bild mit freundlicher Genehmigung von Ericsson

Dieser Trend macht mit 5G einen großen Sprung nach vorne, da es in die Millimeterwellen (mmWave)-Frequenzen über 30 GHz vordringt. Dadurch kann 5G NR ultrabreite Bandbreiten von bis zu 100 MHz bei Frequenzen unter 6 GHz und bis zu 400 MHz bei höheren Frequenzen unterstützen.

5G kann im Allgemeinen in drei Bänder unterteilt werden:

• FR1
  • Niedrige Frequenzen: MHz–1 GHz
  • Mitte Frequenzen:1–7 GHz
• FR2
  • Höhere Frequenzen: 24–48 GHz

Wie Abbildung 2 zeigt, sind die drei Bänder so konzipiert, dass sie zusammenarbeiten, um unterschiedliche Anforderungen an Bandbreite, Latenz und Abdeckung zu erfüllen.

Abbildung 2. Beziehungen zwischen Bandbreite, Latenz und Abdeckung für die 3 Bänder von 5G NR. Bild mit freundlicher Genehmigung von Advantech

Die ersten Bereitstellungen für 5G liegen im unteren Frequenzbereich (FR1) mit zwei Bändern (bezeichnet als Low und Mid), die die traditionelleren Frequenzen für Smartphones von 450 MHz bis 6 GHz umfassen. Diese niedrigeren Frequenzen bieten den größten Abdeckungsbereich.

Der höhere Frequenzbereich (FR2) bewegt sich nach oben und in den mmWave-Bereich mit Frequenzen von 24 - 100 GHz, um schnellere Download-Geschwindigkeiten zu unterstützen und neue Anwendungen zu ermöglichen, die eine extrem niedrige Latenz erfordern.

Orthogonales Frequenzmultiplexing für 5G NR

Die 5G-Übertragung sowohl für die Uplink- als auch für die Downlink-Verbindungen basiert auf OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). OFDM kombiniert Quadraturamplitudenmodulation (QAM) und Frequenzmultiplex (FDM), um eine Kommunikation mit hoher Datenrate zu ermöglichen.

Da die Unterträgerfrequenzen orthogonal zueinander sind, fluchten die einzelnen Spitzen alle mit den Nullen der anderen Unterträger (Abbildung 3).

Abbildung 3. Das Frequenzspektrum des orthogonalen Frequenzmultiplexing. Bild mit freundlicher Genehmigung von Keysight

Dies minimiert Interferenzen und ermöglicht dem Empfänger, das Signal effizient wiederherzustellen. Diese modulierten Unterträger können verwendet werden, um viele unabhängige Signale (wie FM-Radiokanäle) zu unterstützen, werden jedoch in 5G-Anwendungen normalerweise kombiniert, um die Datenrate für einen einzelnen Kanal zu erhöhen.

Die NR-Spezifikation unterstützt einen einstellbaren Trägerabstand von 15 kHz, 30 kHz, 60 kHz, 120 kHz, 240 kHz oder 480 kHz mit maximal 3300 Unterträgern. Außerdem kann die Unterträgermodulation QPSK (Quad-Phase-Shift-Keying) oder 16-, 64- oder 256-QAM sein. Diese Optionen bieten Vielseitigkeit, die es Betreibern ermöglicht, das Kommunikationsschema zu optimieren, um die Umgebungen und Anwendungen zu erfüllen.

5G-Leistung im Vergleich zu 4G

Wie wir es von jeder neuen Generation der Smartphone-Technologie erwarten, ist 5G schneller und bietet mehr Kapazität als sein Vorgänger 4G. 5G soll Spitzendatentransferraten von bis zu 10-20 Gbit/s und durchschnittliche Datenraten von über 100 Mbit/s unterstützen. 5G ist auch darauf ausgelegt, eine 100-fache Kapazitätssteigerung durch Verbesserungen der Netzwerkeffizienz und eine 10-fache Verringerung der Latenz auf bis zu 1 ms zu unterstützen.

Abgesehen von diesen grundlegenden Verbesserungen wird 5G als ein vielfältigerer Telekommunikationsstandard als 4G entwickelt, um Anwendungen über das standardmäßige mobile Breitband hinaus zu unterstützen, darunter:

• Missionskritische Kommunikation mit geringer Latenz
• Massive Konnektivität für das Internet der Dinge (IoT)
• Unterstützung für alle Spektrumtypen (lizenziert, gemeinsam genutzt, nicht lizenziert)
• Erweiterte Bereitstellungsmodelle einschließlich Hotspots
• Neue Kommunikationsmodelle wie Gerät-zu-Gerät und Multi-Hop-Mesh.

5G-Nutzungsmodelle

Wenn wir von 5G hören, denken wir normalerweise sofort an bessere Smartphones, und das ist tatsächlich ein Aspekt der 5G NR-Spezifikationen. Die Standards werden jedoch entwickelt, um weit mehr als nur bessere Smartphones zu unterstützen. Insbesondere gibt es drei Hauptnutzungsmodelle, wie in Abbildung 4 dargestellt:

• eMBB (Enhanced Mobile Broadband):locker bessere Smartphones, Consumer-Apps
• URLLC (Ultra-zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz):geschäftskritische Dienste
• mMTC (Massive Machine Type Communications):Denken Sie an das Internet der Dinge

Abbildung 4. Anwendungsbeispiele der drei 5G NR-Nutzungsmodelle. Bild [modifiziert] mit freundlicher Genehmigung von 3GPP

eMBB (erweitertes mobiles Breitband)

Der anfängliche Fokus der 5G NR-Netzentwicklung liegt auf eMBB für verbesserte Download- und Upload-Geschwindigkeiten und reduzierte Latenzzeiten. eMBB soll das mobile Videostreaming verbessern und Anwendungen ermöglichen, die mobile Augmented und Virtual Reality (AR und VR) umfassen. Es wird erwartet, dass emBB einen verbesserten Zugang zu drahtlosem Breitband in dicht besiedelten Stadtgebieten, Sport- oder Konzertstätten und intelligenten Büros bietet.

URLLC (Ultra Zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz)

Wie der Name schon sagt, wurde URLLC entwickelt, um Kommunikation mit sehr geringer Latenz für „Echtzeit“-Anwendungen wie autonome Fahrzeuge, industrielle Automatisierung und Fernchirurgie bereitzustellen. Natürlich erfordert jede dieser Anwendungen robuste Netzwerkverbindungen mit geringen Fehlerraten und nicht wahrnehmbarer Latenz (theoretisch nur 1 ms). Diese Anforderungen unterscheiden sich erheblich von denen für einen Sprachanruf oder das Streamen Ihrer neuen Lieblingssendung.

mMTC (Massive Machine Type Communication)

mMTC ist das dritte Nutzungsmodell und unterscheidet sich auch ein wenig von den ersten beiden. mMTC wird die große Bandbreite nutzen, die mit 5G NR verfügbar ist, um die Kommunikation mit einer „massiven“ Anzahl von Geräten mit niedriger Datenrate zu unterstützen. Zu den Anwendungen gehören das Internet der Dinge und Smart Cities, wo eine große Anzahl von Knoten schmale Bandbreiten für Fernerkundung, Überwachung, Verkehrs- und Parkmanagement, Logistik und Flottenmanagement sowie elektronische Werbetafeln benötigen.

Technologien, die 5G ermöglichen

Es gibt viele technologische Fortschritte, die zusammenkommen, um die 5G-Kommunikation zu ermöglichen. In diesem Abschnitt werden einige Schlüsseltechnologien angesprochen, die für Elektroingenieure, die mit der Hardware arbeiten, wahrscheinlich von Interesse sind.

Fortgeschrittene Transistortechnologie

Der kontinuierliche Vormarsch der Silizium-CMOS-Technologie hin zu feineren Geometrien ist offensichtlich wichtig, um die in Mobilteilen, Basisstationen und dem Netzwerk-Backbone erforderliche Verarbeitungsleistung zu erhöhen. Da sich 5G in den Millimeterwellenbereich des Frequenzspektrums ausdehnt, stehen außerdem Verbesserungen der fortschrittlichen Transistortechnologie im Mittelpunkt.

Wie Abbildung 5 zeigt, sind Siliziumgermanium (SiGe), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) alle für den Betrieb in den hochfrequenten FR2-Bändern über 6 GHz geeignet. Insbesondere werden GaN- und SiC-Vorrichtungen häufig in Basisstationen verwendet, wo sowohl hohe Frequenzen als auch hohe Leistungen erforderlich sind.

Abbildung 5. Leistung vs. Frequenz von Materialien mit großer Bandlücke (WBG). Bild mit freundlicher Genehmigung von Analog Devices

Abgesehen von den Transistoren selbst erfordern externe Verbindungen vom Chip zur Leiterplatte (PCB) technologische Fortschritte bei der Verpackung und fortschrittliche Designtechniken. Etwas so Einfaches wie ein 1-mm-Bonddraht in einem Gehäuse wird bei Millimeterwellenfrequenzen zu einer potentiellen Antenne und kann eine komplexe Impedanz aufweisen, die es schwierig macht, eine 50--Impedanzanpassung an die Leiterplatte zu erreichen. Der Wechsel zur Flip-Chip-Montage mit Lötkugeln kann helfen, aber die Herausforderung bei der Impedanzanpassung bleibt möglicherweise bestehen.

Massive Multi-Input-Multi-Output-Antennen

Aufgrund der sehr kurzen Wellenlängen werden Phased-Array-Antennen für die 5G-Millimeterwellenfrequenzen möglich. Zum Beispiel scheint der von Qualcomm in Abbildung 6 gezeigte Millimeterwellen-Handset-Prototyp drei 4x2-Phased-Array-Antennenabschnitte zu haben. Die Phased-Array-Antennen können Beamforming für einen verbesserten Antennengewinn unterstützen.

Abbildung 6. Prototyp eines 5G NR mmWave-Mobilteils. Bild [modifiziert] mit freundlicher Genehmigung von Qualcomm

In den Basisstationen wird erwartet, dass die Verwendung von Phased-Arrays zu sogenannten massiven Multi-Input-Multi-Output-(MIMO)-Systemen explodiert. Unter Verwendung einer großen Anzahl von Antennen und komplexer Algorithmen kann ein massives MIMO-System adaptives Beamforming und räumliche Diversität einsetzen für:

• Spektrale Effizienz durch Fokussierung schmaler Strahlen auf jeden Benutzer
• Energieeffizienz durch Antennengewinn für reduzierte Gesamtstrahlungsleistung
• Verbesserte Datenraten und Kapazität durch Verstärkung und räumliche Vielfalt
• Tracking mobiler Nutzer durch adaptives Beamforming

Eine Kombination aus digitaler und analoger Verarbeitung an der Basisstation schafft einzigartige Übertragungskanäle für einzelne Benutzer. Die einzelnen Benutzer können auch mehrere Antennen verwenden, um die Kommunikation bei Vorliegen von Schwund, Mehrweg und Interferenz zu verbessern.

Abbildung 7. Massive Multi-Input-Multi-Output-Kommunikation für Millimeterwellen-5G. Bild mit freundlicher Genehmigung von Alemaishat et al.

Zusammenfassung

5G NR ist so viel mehr als nur ein verbessertes Netz für mobile Smartphones. Die drei Hauptnutzungsmodelle des verbesserten mobilen Breitbands, der extrem zuverlässigen Kommunikation mit niedriger Latenz und der massiven maschinenartigen Kommunikation werden in den kommenden Jahren wahrscheinlich zu vielen neuen Anwendungen führen.