5G steht schon in den Startlöchern

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Virtuelle Instrumente in der Praxis VIP 2017 5G steht schon in den Startlöchern Sarah Yost National Instruments Corporation, Austin, USA Kurzfassung...

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Virtuelle Instrumente in der Praxis VIP 2017

5G steht schon in den Startlöchern Sarah Yost National Instruments Corporation, Austin, USA

Kurzfassung Alles dreht sich um 5G. Egal wann und wo, sobald das Thema auf innovative neue Technologien kommt, steht 5G klar im Mittelpunkt. Doch auch wenn die jüngsten Ankündigungen auf dem Mobile World Congress vermuten lassen, dass 5G bereits Realität ist, sind wir doch noch nicht ganz am Ziel – aber auch nicht mehr allzu weit davon entfernt. Die Mobilfunk-Community hat ein ereignisreiches Jahr hinter sich. Es wurden nicht nur wichtige Fortschritte bei der 5G-Standardisierung und zukünftigen Regulierung gemacht, auch die Erforschung von Millimeterwellen-Übertragungen (mm-Wellen) und die Entwicklung neuer Technologien, die 5G schon bald zur kommerziellen Realität machen sollen, schreiten unablässig voran. Aber was bedeuten die Erfolge des vergangenen Jahres für 5G und, was noch wichtiger ist, wann wird 5G endlich Wirklichkeit?

Abstract It’s all about 5G. No matter where you go who and you’re talking to, 5G is at the center of conversations about exciting new technology. While recent announcements from Mobile World Congress indicate that 5G is already here, it’s not. But we’re getting very close. Business & Technology Trends

The wireless communications community has had a busy year – from progress made on the standardization process and essential updates communicated from regulatory bodies, to gaining understanding of the channel for newly proposed millimeter wave (mmWave) frequencies and technologies under development that will turn 5G into a commercial reality, anticipation for 5G is at an all-time high. So, what do all the accomplishments from the past year mean for 5G? And when will 5G be here?

5G: eine Kombination aus Frequenzen unterhalb von 6 GHz und mm-Wellen Viele Aspekte von 5G müssen zwar noch definiert werden, aber eins ist jetzt schon sicher: Das Spektrum unterhalb von 6 GHz wird eine tragende Rolle spielen und von Frequenzen im mm-Wellen-Bereich ergänzt werden. Bild 1 zeigt die unterschiedlichen Anwendungsfälle, die von 5G abgedeckt werden sollen. Dazu gehören sowohl extrem zuverlässige Datenübertragungen mit hoher Bandbreite für mobile Dienste (Enhanced Mobile Broadband, eMBB) als auch Maschine-zu-MaschineKommunikation (M2M) für das IoT (Internet of Things), bei der nur geringe Bandbreiten und eine äußerst geringe Latenz erforderlich sind. Die teils gegensätzlichen Anforderungen lassen sich jedoch nur schwerlich, wenn überhaupt, mit nur einem Frequenzband umsetzen. Ein Dilemma, das durch die Kombination aus zwei Frequenzbändern gelöst werden soll. Das Spektrum unterhalb von 6 GHz bietet dabei die nötigen Ausbreitungseigenschaften und Abwärtskompatibilität für schmalbandige Anwendungen, während mm-Wellen-Frequenzen mit ihrer enormen Bandbreite die für 5G geplanten eMBB-Szenarien ermöglichen.

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5G steht schon in den Startlöchern

Bild 1: Zielanwendungen für 5G: Von Enhanced Mobile Broadband bis zur Maschine-zu-Maschine-Kommunikation

Zeitplan

Business & Technology Trends

Die Internationale Fernmeldeunion (International Telecommunication Union, ITU) hat die Forschungsarbeiten für 5G in zwei Phasen unterteilt (Bild 2): In Phase eins geht es um Frequenzen bis 40 GHz, während Phase zwei sich mit Frequenzen bis 100 GHz beschäftigt. Phase eins soll planmäßig Ende Juni 2018 abgeschlossen sein, zeitgleich mit dem LTERelease 15 des 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Im Dezember 2019 soll dann auch Phase zwei beendet sein, was auf den Veröffentlichungszeitpunkt von LTE-Release 16 fällt. In Bild 2 ist sowohl der ITU als auch der 3GPP-Zeitplan für 5G zu sehen, Stand Herbst 2016.

Bild 2: 5G-Zeitplan von ITU und 3GPP

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Sarah Yost Der von der ITU angesetzte Zeitplan und die anvisierten Frequenzen sind jedoch als vorläufig anzusehen. Die RAN-Arbeitsgruppe (Radio Access Network) des 3GPP hat im März 2017 bei ihrer 75. Plenarsitzung bereits einen „Way Forward“-Plan vorgestellt, der eine schnellere Einführung der Luftschnittstelle 5G New Radio (NR) vorsieht, wie in Bild 3 zu sehen.

Business & Technology Trends

Bild 3: Beschleunigter Zeitplan für das NR-Release des 3GPP (Stand: März 2017)

Bild 4: Auf der RAN4-Sitzung (Nr. 82) vorgeschlagenes Frequenzspektrum für New Radio (NR) als Empfehlung für RAN-Plenarsitzung 75

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5G steht schon in den Startlöchern Zudem hat der japanische Mobilfunkanbieter NTT DoCoMo während der letzten Sitzung (Nr. 82) der RAN4-Arbeitsgruppe Empfehlungen für die zu nutzenden Frequenzbänder vorgestellt. In Bild 4 sind die Frequenzbereiche und die jeweiligen Telekommunikationsanbieter aufgelistet.

28 GHz und Verizon Die Berichterstattung über die Forschungen im Frequenzbereich bis 40 GHz hat sich im vergangenen Jahr verstärkt auf das 28-GHz-Band konzentriert, obwohl noch weitere Frequenzbänder in Frage kommen. Treibende Kraft für die Forschungen rund um 28 GHz sind die US-amerikanische Federal Communications Commission (FCC) und der Mobilfunkanbieter Verizon. Mit dem Spectrum Frontiers Proposal hat die FCC im Juli 2016 weitere Millimeterwellen-Frequenzen für die flexible Nutzung freigegeben und eine Grundlage für zukünftige Regulierungen geschaffen. Das 28-GHz-Band ist dabei eines von drei Frequenzbändern, die in den USA aktuell für eine flexible Nutzung verfügbar sind [1]. In Bild 4 sind die von der FCC zugewiesenen Frequenzbänder dargestellt. Wie von der RAN4-Arbeitsgruppe vorgeschlagen, haben sich die weltweiten Telekommunikationsanbieter, darunter auch die europäischen Netzbetreiber Orange, British Telecom und Telecom Italia, übereinstimmend auf die Nutzung des Frequenzbereichs von 24 GHz bis 28 GHz geeinigt. Dies scheint zunächst überraschend, da das 28-GHz-Band in Europa aufgrund bestehender Frequenzzuteilungen bis vor Kurzem noch nicht für 5G in Betracht gezogen wurde. Allerdings bieten die niedrigeren Frequenzen in diesem Band Potenzial für 5G-Dienste. Wie zu erwarten, setzen sich die europäischen Netzbetreiber auch für die Zuweisung von Spektrum im 32-GHz-Band ein (Bild 5). Business & Technology Trends

Bild 5: Von der FCC zugewiesene mm-Wellen-Frequenzen

Verizon hat sich bereits letztes Jahr eine Lizenz für das 28-GHz-Band vom Telekommunikationsanbieter XO Communications gesichert und Pläne verkündet, die Frequenz für erste 5G-Bereitstellungen zu nutzen. Obwohl für Tests in diesem Frequenzband noch keine standardisierte Technologie zur Verfügung steht, will Verizon Hardware einsetzen, die mittels

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Sarah Yost Software-Updates auf die zukünftigen Spezifikationen aktualisiert werden kann [2]. Auch andere amerikanische Netzbetreiber haben sich auf die Nutzung des 28-GHz-Bandes geeinigt, wobei AT&T und T-Mobile weitere Forschungen und Feldversuche in Zusammenarbeit mit Geräteherstellern angekündigt haben. 2015 hat Verizon das 5G Technical Forum (5GTF) unter Beteiligung von Cisco, Ericsson, Intel, LG, Nokia, Qualcomm und Samsung ins Leben gerufen. Ziel der Arbeitsgruppe ist es, unter Nutzung des mm-Wellen-Spektrums eine drahtlose Alternative zu Glasfaseranschlüssen (Fiber to The Home, FTTH) zu entwickeln, den sogenannten Fixed Wireless Access (FWA). Das 5GTF stützt sich dabei weitgehend auf den LTE-Standard und erweitert diesen um Konzepte, die derzeit auch vom 3GPP für 5G untersucht und vorgeschlagen werden. Dazu gehören die Vergrößerung des Unterträgerabstands um das Fünffache (75 kHz anstelle von 15 kHz, woraus sich eine 100-MHz-Bandbreite pro Komponententräger ergibt) bei umgekehrt proportionaler Verkleinerung der Symboldauer, um den Timing-Vorgaben von LTE zu entsprechen. Darüber hinaus wurden Steuersignale hinzugefügt und die Bitübertragungsschicht für digitales Beamforming und Precoding erweitert. National Instruments hat im März 2017 auf der IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC) in San Francisco einen Echtzeitprototyp der 5GTF-Technologie vorgestellt. Auch wenn es sich hierbei nicht um den ersten Prototyp dieser Spezifikation handelte, wurde damit die Funktionsfähigkeit der Technologie zum ersten Mal öffentlich demonstriert.

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Verizon ist sich des Risikos bewusst, mm-Wellen-Technologie vor der finalen Standardisierung für 5G einzuführen. Denn ob die letztlich vom 3GPP festgelegten Spezifikationen mit der 5G-Technologie von Verizon übereinstimmen, wird sich erst noch zeigen. Sollte dies jedoch der Fall sein, hat sich Verizon einen deutlichen Vorsprung im Rennen um 5G gesichert. Wenn nicht, wird das Unternehmen womöglich einen Großteil seiner Hardware austauschen müssen.

New Radio (NR) New Radio (NR) soll als Luftschnittstelle übergreifend für alle Anwendungsfälle und Frequenzbänder eingesetzt werden. Dazu gehören auch die drei von der ITU definierten Hauptanwendungsbereiche von 5G: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) und Massive Machine Type Communications (MMTC). Dafür muss die Bitübertragungsschicht flexibel genug sein, um einen deutlich höheren Datendurchsatz und die Vernetzung des Hundertfachen an Geräten im Rahmen von Narrowband-IoT-Anwendungen (NB-IoT) zu unterstützen. Außerdem muss sie u. a. für das zukünftige autonome Fahren die erforderliche Zuverlässigkeit und geringe Latenz bieten. Keine leichte Aufgabe, auch angesichts der Tatsache, dass die für NR vorgeschlagenen Spezifikationen deutlich komplexer als die 5G-Technologie von Verizon sind. Einige Aspekte ähneln sich jedoch, wie das Hinzufügen von Beamforming-Technologie (Strahlausrichtung). NR wird zudem soweit wie möglich die LTE-Spezifikation nutzen, allerdings mit abweichenden Abtast- und Unterträgerfrequenzen. Trotz des Hypes um NR und des Bestrebens, den Standard früher als geplant zu finalisieren, wurden bisher relativ wenige Daten zur Leistungsfähigkeit der Spezifikation veröffentlicht. Bei den bisher mit 28 GHz durchgeführten Versuchen ging es in erster Linie um die Charakterisierung des Funkkanals (Channel Sounding) und weniger um die Umsetzbarkeit der NRSpezifikation. NI hat hierfür ein Prototyping-System entwickelt, mit dem sich Multi-User-

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5G steht schon in den Startlöchern MIMO-Verbindungen realisieren lassen. Das System basiert auf dem NI mmWave Transceiver System und nutzt flexibles, LabVIEW-basiertes IP für die Bitübertragungsschicht.

Ausblick Die Antwort auf die Frage „Was ist 5G?“ wird für Anfang 2018 erwartet. Aufgrund des beschleunigten Zeitplans, der im März 2017 auf der 75. RAN-Plenarsitzung des 3GPP vorgestellt wurde, ist bereits Ende 2017 mit den finalen Spezifikationen der Bitübertragungsund MAC-Schicht für NR zu rechnen. Für die Festlegung der Frequenzen gibt es zwar keinen festen Zeitrahmen, doch sind viele Netzanbieter bestrebt, 28-GHz-Technologie und -Hardware noch in diesem Jahr in Feldversuchen einzusetzen. Südkorea plant die Demonstration seiner vorläufigen 5G-Technologie für das zweite Quartal 2018. Zu diesem Zeitpunkt wird der Standardisierungsprozess höchstwahrscheinlich noch nicht vollständig abgeschlossen sein, doch wird sich definitiv ein klareres Bild für 5G abzeichnen. Die Spezifikationen für 5G werden also nicht mehr lange auf sich warten lassen. Jetzt kommt es darauf an, die passenden Technologien zu entwickeln und bereitzustellen.

Literatur [1] Use of Spectrum Bands Above 24 GHz for Mobile Radio Services, GN Docket No. 14-177, Notice of Proposed Rulemaking, 15 FCC Record 138A1 (rel. Oct. 23, 2015) [2] http://www.fiercewireless.com/tech/verizon-files-to-conduct-28-ghz-market-trials-4-states

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