Der Aufstieg privater 5G-Netze

Private 5G-Netze sind im Kommen, um kritische Anforderungen in den Bereichen öffentliche Sicherheit, industrielle Automatisierung und Infrastruktur zu erfüllen. Diese nicht-öffentlichen drahtlosen Netzwerke bieten Unternehmen, privaten Einrichtungen und Behörden die Infrastruktur zur Optimierung und Neudefinition von Prozessen, die mit den Einschränkungen der heutigen Ethernet-, 4G LTE- und WLAN-Netzwerke nicht möglich sind. In diesem Artikel werden die Vorteile und die Komplexität des Aufbaus privater 5G-Netze erläutert.

5G-Basiswissen

5G ist die nächste Generation der mobilen Telekommunikation. Es hat die Anwendungsfälle und die Nutzbarkeit der mobilen Telekommunikation in vielerlei Hinsicht bereits weit über die der früheren Generationen hinaus erweitert. Während frühere Mobilfunksysteme in erster Linie dazu dienten, dass ein Handynutzer mit einem anderen über Text oder Sprache kommunizieren konnte, wurde bei der Entwicklung von 5G berücksichtigt, dass dies nur eine der wenigen und möglicherweise nicht einmal die wichtigste Form der Telekommunikation ist, die unterstützt werden muss. 

Drei Hauptanwendungsfälle/Modi für 5G

Mit 4G LTE wurden Bild- und Videonachrichten, Streaming und allgemeine Internetkommunikation schnell zu den Anwendungen mit den höchsten Datenraten des Dienstes. Mit 5G wird der Datenverkehr in diesen Bereichen voraussichtlich um ein Vielfaches größer sein. Darüber hinaus besteht eine allgemeine Nachfrage nach schnelleren, zuverlässigeren und reaktionsschnelleren Datendiensten für mobile Endgeräte. Diese Parameter sind die Hauptmerkmale von einem der drei herausragenden 5G-Anwendungsfälle (Abbildung 1), des erweiterten mobilen Breitbands (eMMB). Das Grundgerüst von eMMB bietet im Allgemeinen hohe Datenraten, einen schnelleren Zugang zu Hochgeschwindigkeitsdaten und die Möglichkeit, Hunderte von Nutzern gleichzeitig zu bedienen, auch in Gebieten außerhalb stark frequentierter Ballungsräume.

Ultrazuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (URLLC) ist ein weiterer wichtiger Anwendungsfall für 5G. Dieser 5G-Modus soll extrem niedrige Latenzen bieten, um Anwendungen zu erleichtern, bei denen Latenzen unerwünscht oder grundsätzlich gefährlich sind, wie bei autonomen Maschinen, Fahrzeug-zu-Fahrzeug- (V2V) und Fahrzeug-zu-Infrastruktur- (V2I) Kommunikation. Ein weiterer Aspekt von URLLC 5G ist die Erwartung an die Zuverlässigkeit, nicht nur aus Sicht des menschlichen Nutzers, sondern auch aus der Perspektive der Maschinen. Das Ziel ist hierbei eine kabelähnliche Zuverlässigkeit und der Determinismus eines drahtlosen Kommunikationsdienstes.

Einer der wichtigsten potenziellen Einsatzbereiche für 5G in privaten Anlagen ist schließlich die massive maschinelle Kommunikation (mMTC). Bei mMTC 5G geht man davon aus, dass Maschinen eine Vielzahl von Daten-Nutzlasten mit unterschiedlichen Anforderungen austauschen werden, und dass 5G diese Vielzahl von Kommunikationsarten unterstützen sollte. Dieser Anwendungsfall von 5G soll es Maschinen ermöglichen, effektiv zu kommunizieren, ohne sich auf eine zentralisierte Infrastruktur zu verlassen, was Peer-to-Peer- (P2P) und sogar Mesh-Networking-Fähigkeiten erfordern kann.

Abbildung 1: Eine Vielzahl von Beispielen für 5G-Anwendungen. (Quelle: leremy/stock.adobe.com) Homogene vs. heterogene 5G-Implementierungen

Für frühere Generationen der Mobilfunkkommunikation wurde eine homogene „Zellentypologie“ gewählt. Mit 4G LTE änderte sich dies und es entstanden heterogene Netzwerke in städtischen Umgebungen, die eine hohe Nutzung zulassen. Mit 5G wird die Mischung heterogener Netzformen noch größer, mit Makro-, Mikro-, Nano-, Pico- und sogar Femto-Zellen, die alle ihre eigene Vielfalt an Diensten haben können. Die größere Vielfalt an drahtlosen Zugängen hat sich aus den unterschiedlichen Bedürfnissen einer größeren Anzahl von Räumen ergeben, wie z. B. Büros, Stadien, private Einrichtungen, Verkehrsknotenpunkte und Universitäts- und Unternehmensgelände.

Der typische Ansatz der homogenen Zellen ist für die Bedürfnisse dieser neu entstehenden Bereiche nicht praktikabel, und die Telekommunikationsdienstleister (Telcos) sind nicht unbedingt in der Lage, in diesen Gebieten Mobilfunkdienste zu installieren, da viele von ihnen in privater Hand sind und betrieben werden. Daher werden viele dieser privaten Bereiche, wie Einkaufszentren, Bürokomplexe, Produktions- und Lagerhallen sowie industrielle Umgebungen (Landwirtschaft, Öl- und Gasindustrie, Baugewerbe und Bergbau), nicht von öffentlichen Mobilfunknetzwerken versorgt. 

Einschränkungen von WLAN, Ethernet und 4G LTE

Viele bestehende Kommunikationslösungen erfüllen unter Umständen nicht alle bestehenden und neu entstehenden Anforderungen im privaten Bereich. So können beispielsweise Ethernet-Dienste nur physisch verbundene Systeme bedienen. Auch wenn WLAN sicherlich mobiler ist und die jüngste Generation von WLAN-fähigen Geräten (Wi-Fi 6e) über verbesserte Mobilitäts- und Reichweitenfunktionen verfügt, leidet WLAN immer noch unter Mobilitäts-, Latenz- und Zuverlässigkeitsproblemen. 

Darüber hinaus nutzt die WLAN-Kommunikation ISM-Bänder, die nicht lizenziert sind und Störungen durch andere Dienste hinnehmen müssen, wodurch die Zuverlässigkeit in kritischen Situationen möglicherweise nicht gewährleistet ist. Wie frühere Mobilfunkgenerationen ist auch 4G LTE hauptsächlich eine Kommunikationsart zwischen Geräten und Infrastruktur, ermöglicht jedoch keine Peer-to-Peer-Kommunikation. Hinzu kommt, dass der 4G-LTE-Standard keine Modi zur Minimierung der Latenzzeit oder zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit vorsieht.

Vorteile von privaten 5G-Netzen

Private 5G-Netze bieten alle Vorteile öffentlicher 5G-Netze, aber zusätzliche Funktionen und Vorteile, die je nach Platzbedarf implementiert werden können. Obwohl 5G-Standards im Allgemeinen im Vergleich zu anderen Mobilfunkstandards über verbesserte Sicherheits-, Latenz-, Zuverlässigkeits-, Bandbreiten-/Spektrums- und Mobilitätsfunktionen verfügen, können private Netzwerke eingerichtet werden, die bestimmte Funktionsaspekte optimieren, die mit den Zielen des Dienstes übereinstimmen.

Sicherheit
Während öffentliche 5G-Netze über das öffentliche Telekommunikationsnetz und das Internet durch einen Telekommunikationsanbieter und/oder ISP erreichbar sind, können private 5G-Netze mit zusätzlichen Optionen oder Funktionspriorisierung konfiguriert werden. Ein privates 5G-Netz kann nur für verschlüsselten Datenverkehr eingerichtet werden, der über Intranets oder interne Netzwerke abgewickelt wird. Mit zusätzlichen Optionen zur Änderung des Modulationstyps und der Verschlüsselung von 5G-Mobilfunksignalen kann ein privates 5G-Netz so gestaltet werden, dass es nur mit zugelassenen/vorgesehenen 5G-Geräten funktioniert. Dies ermöglicht eine vollständige interne Sicherheit durch die Eliminierung der Exposition gegenüber öffentlichen Schnittstellen für Tätigkeiten, die kritische Anwendungsfälle haben können, wie z. B. Behörden, Industrie oder spezielle Unternehmensumgebungen. Andernfalls kann ein privates 5G-Netz sorgfältig überwacht werden, damit verdächtige Aktivitäten schnell erkannt und verhindert werden können. Einige private 5G-Netzanbieter behaupten, dass ein Netz in Echtzeit kryptografisch zertifiziert werden kann, um 100 % vertrauenswürdig zu sein.

Latenz
Während typische 5G-Netze von einem Nutzergerät zur Infrastruktur kommunizieren müssen, kann ein privates 5G-Netz so konfiguriert werden, dass es mit einem zentralen Server/einer zentralen Datenbank kommuniziert, der/die sich in derselben Einrichtung befindet wie die Hardware der privaten 5G-Netzinfrastruktur. Dies kann die Latenz zum Server drastisch reduzieren, und die Platzierung der 5G-Infrastrukturhardware kann so optimiert werden, dass die Latenz minimiert wird, um die Anforderungen der Applikationen zu erfüllen, die diese Art von Leistung benötigen. Es ist möglich, in privat verwalteten 5G-Netzen Latenzen von weniger als einer Millisekunde zu erreichen, während die Latenzen von 4G-LTE und WLAN in der Regel im Bereich von über 10 Millisekunden liegen, selbst wenn sie privat verwaltet werden. 

Wenn das Ziel außerdem darin besteht, die Latenz zu minimieren, gibt es innerhalb der 5G-Standards Funktionen, die zur Reduzierung des Kommunikations-Overheads genutzt werden können. Diese Funktionen sind möglicherweise nicht für alle 5G-Anwendungsfälle wünschenswert, während private 5G-Anpassungen für bestimmte Anwendungsfälle attraktiv sein können.

Verfügbarkeit/Zuverlässigkeit
Die Verfügbarkeit ist für viele private drahtlose Kommunikationsanlagen ein vorrangiges Ziel. Bei öffentlichen Mobilfunkdiensten oder sogar privatem WLAN kann die Verfügbarkeit nicht garantiert werden, was oft nicht akzeptabel ist. Viele kritische Applikationen sind ohne hochgradig gesicherte Verfügbarkeit nicht funktionsfähig, da Sicherheit und Reaktionsfähigkeit auf Abschaltungen oder neue Richtlinien nicht garantiert werden können. Hier können 5G-URLLC-Funktionen mit dem standardisierten Ziel einer Zuverlässigkeit von sechs Neunen (99,9999 %) eine Zuverlässigkeit und Betriebszeitgarantie bieten, die bisher nur mit kabelgebundenen Kommunikationslösungen erreicht werden konnten.

Bandbreitenzuweisung und Qualität des Dienstes (QoS)
Die Nutzung des Funkfrequenzspektrums und die Zuweisung von Bandbreiten haben oft große Auswirkungen auf den Nutzen von Drahtlosdiensten. WLAN beispielsweise nutzt ausschließlich die unlizenzierten ISM-Bänder im 2,4-GHz-, 5-GHz- und 6-GHz-Bereich des Funkfrequenzspektrums. Diese Bänder haben von Natur aus eine begrenzte Bandbreite und müssen das Funkfrequenzspektrum mit allen anderen Diensten teilen, die in diesen Frequenzen arbeiten. 4G LTE ist außerdem auf Frequenzen unter 6 GHz beschränkt, wo es zu einer erheblichen Überlastung des Funkfrequenzspektrums und potenziellen Störungen kommt. 

Mit 5G New Radio (NR) stehen lizenzierte und unlizenzierte Funkfrequenzspektren im Sub-1-GHz-, Sub-6-GHz-, 24-GHz- bis 29-GHz- und 37-GHz- bis 43-GHz-Bereich zur Verfügung. Insbesondere im Millimeterwellenbereich (mmWave) oder im Hochfrequenzbereich können Hunderte von Megahertz an Bandbreite zur Verfügung stehen. Aufgrund der hohen Richtwirkung und der atmosphärischen Verluste im mmWave-Bereich gibt es auch weitaus weniger Störungen durch gemeinsame Quellen und sogar Dienste, die dasselbe Funkfrequenzspektrum nutzen. Daher kann 5G einen zuverlässigeren Dienst mit anderen verbesserten QoS-Metriken ermöglichen als private LTE-Installationen.

Vielfalt der Mobilitäts- und Kommunikationsarten

Das breite Spektrum, das für 5G-Dienste zur Verfügung steht, ermöglicht eine potenzielle Mischung von Diensten ohne die typischen Kompromisse, die bei drahtlosen Diensten mit weniger Frequenzoptionen auftreten. So kann 5G im Sub-1-GHz-Bereich für extrem große Reichweiten, aber relativ niedrige Datenraten verwendet werden, um große Gebiete mit begrenzter Infrastruktur abzudecken. Außerdem können mit mmWave 5G kürzere Reichweiten abgedeckt werden, wobei die Latenz und der Durchsatz wesentlich geringer sind. 

Die verschiedenen von 5G unterstützten Kommunikationsarten, einschließlich Massive Multi-User Multi-Input Multi-Output (mMu-MIMO) für menschliche und maschinelle Nutzer, bieten die Möglichkeit, eine große Anzahl von Nutzern zu bedienen, die auch hochgradig mobil oder stationär sein können. Darüber hinaus unterstützen die neuesten 5G-Standards auch die maschinelle Kommunikation (niedrige Datenrate und niedrige Einschaltdauer) durch hohe Datenraten und reaktionsschnelle Dienste, die für die Unterstützung von cloudbasierten Diensten wie Augmented Reality und Virtual Reality (AR/VR)-Schulungen oder zur Fehlersuche erforderlich sind.

Aufbau eines nicht-öffentlichen 5G-Netzes

Es gibt keine allgemeingültigen Lösungen für private 5G-Netze. Die Art der 5G-Hardware und -Konfigurationen wird letztlich von den geplanten Einsatzgebieten und Anforderungen des 5G-Netzes abhängen. Glücklicherweise erweitern Anbieter von 5G-Hardwarelösungen und privaten Netzwerken ihr Angebot und ihre Fähigkeiten, da private 5G-Installationen weiter zunehmen. Einige allgemeine Richtlinien können bei einer privaten 5G-Installation helfen, nämlich Überlegungen zur Netzwerkarchitektur, zum Hosten von Funktionen der Steuerungsebene und zum Hosten von Funktionen der Benutzerebene.

Beim Aufbau eines privaten 5G-Netzes ist die Installation des Netzwerks als Teil eines privaten IP-Netzwerks wahrscheinlich am wünschenswertesten. Auf diese Weise kann ein privates 5G-Netz Teil eines privaten VPN sein, das von den typischen Routern und Switches unterstützt wird, die normalerweise verwendet werden. Dies entspricht in etwa der Integration eines typischen IoT-Netzes, auch wenn bei einem 5G-Netz möglicherweise mehr Wert auf geringere Latenzzeiten und hochverfügbare Hardware gelegt werden muss.

Bei den meisten Installationen ist es wahrscheinlich am besten, die Elemente der 5G-RAN- und O-RAN-Kontrollebene so nah wie möglich an den 5G-Zellen zu hosten, idealerweise dort, wo die 5G-Funktionen mit der höchsten Nachfrage benötigt werden. Dies erfordert Host-Server, Middleware und Software zur Unterstützung dieser Funktionen, die idealerweise konform sein sollten, um Überwachung, Wartung und künftige Nachrüstung zu erleichtern. In ähnlicher Weise können auch die Funktionen der 5G-Core-User-Ebene auf Servern gehostet werden, die zumindest mit den Funktionen der 5G-RAN-Kontrollebene zusammengelegt werden. In einigen Fällen können sich die Funktionen der Benutzer- und der Steuerungsebene die Sicherungsserver teilen. Wenn auch andere Datenverkehrsarten abgewickelt werden müssen, können White Boxes als Host für die Funktionen der Benutzerebene verwendet werden. Für 5G-Funktionen auf der Core-User-Ebene sollten diese auf White Boxes gehostet werden, wenn diese Funktionen ein hohes Datenverkehrsaufkommen unterstützen, da die zusätzliche Kapazität von Vorteil sein kann und eine höhere Verfügbarkeit und geringere Latenzzeiten für diese Dienste ermöglicht.

Letztendlich werden 5G-Funk-Transceiver benötigt, um die 5G-Infrastruktur drahtlos mit 5G-Nutzern oder IoT-Geräten zu verbinden (Abbildung 2). Die vollständige Neuentwicklung von 5G-HF-Hardware ist ein teures und zeitaufwendiges Unterfangen und erfordert eine breite Mischung aus technischer Expertise und entsprechenden Einrichtungen. Für die Entwicklung und den Einsatz von privaten 5G-Systemen kann eine gewisse Softwareanpassung erforderlich sein, aber es gibt glücklicherweise 5G-Transceiver-Hardwareplattformen mit gemeinsamen digitalen Hochgeschwindigkeitsschnittstellen, die problemlos in O-RAN-Mobilfunklösungen integriert werden können (Abbildung 3). Ein Beispiel für eine solche 5G-Prototypenplattform ist das Evaluierungsboard ADRV9026 von ADI mit den Funkkarten ADRV9026-HB/PCBZ oder ADRV9026-MB/PCBZ. Die Funkkarten für dieses Board bieten eine 4x4-Transceiver-Plattform für eine schnelle Geräteevaluierung und -entwicklung.

 
(Abbildung 2): Vollständige 5G-Transceiver-Signalkette. (Quelle: Analog Devices)

 (Abbildung 3): 5G-Prototypenplattform mit rebandfähigem HF-Frontend. (Quelle: Analog Devices)

Fazit

Dies ist die Geburtsstunde privater 5G-Netze für Unternehmen, Behörden und industrielle Anwendungen. Im Vergleich zu den bisherigen drahtlosen Kommunikationstechnologien kann die private 5G-Technologie den sichersten drahtlosen Dienst mit den geringsten Latenzzeiten, der höchsten Verfügbarkeit und der größten Vielfalt bieten.