5G

Eine Einführung in die Mobilfunknetze der 5. Generation

Ulrich Trick

• Publisher: De Gruyter Oldenbourg
• Year: 2020
• Print ISBN: 9783110699999
• eBook ISBN: 9783110700381
• Edition: 1
• Topic: Technology & Engineering
• Subtopic: Computer Networking
• Index: Technology & Engineering

Mit 5G hat die Entwicklung der Mobilfunknetze oder überhaupt der Telekommunikationsnetze stark an Fahrt aufgenommen. 5G-Mobilfunknetze nutzen neue Konzepte und Technologien, um heutige und zukünftige Applikationen von hochbitratigen Smartphone- über hochverfügbare Car-to-X- und Smart Grid- bis hin zu Industrie 4.0- bzw. generell IoT-Anwendungen bereitzustellen.

Dieses erste deutschsprachige Buch zur 5G-Technik beginnt mit der Evolution bei den Mobilfunknetzen hin zu 5G und geht in der Folge auf die Basiskonzepte und -technologien wie NGN, IMS, die Virtualisierung mit NFV und MEC sowie SDN und Service Function Chaining ein.

Die besondere Herangehensweise an 5G über Anwendungsfälle und Einsatzszenarien hin zu konkreten Anforderungen sowie die Standardisierung bei ITU und vor allem 3GPP sowie die Regulierung werden aufgezeigt.

Breiten Raum nehmen das Design von 5G-Systemen, die 5G-Zugangsnetze mit ihrer leistungsstarken Übertragungstechnik sowie das Kernnetz mit den innovativen Konzepten der Service Based Architecture und des Network Slicing ein. Erstmalig wird hier ein 5G-System in einer Gesamtsicht dargestellt, abgerundet durch einen Überblick über alle relevanten IT Security-Aspekte.

Abgeschlossen wird die Gesamtbetrachtung durch einen Blick auf die Umwelteinflüsse durch die elektromagnetische Strahlung sowie die Energie- und Rohstoffbedarfe. Darüber hinaus wird die Weiterentwicklung bei 5G bis hin zu 6G skizziert.

Hauptziel des Buches ist es, an 5G-Technik und -Anwendungsszenarien interessierten Personen fundiertes 5G-Wissen zu vermitteln und zur weiteren Auseinandersetzung mit diesem Themengebiet anzuregen. Angesprochen sind allgemein technisch Interessierte, speziell Mitarbeitende von öffentlichen und privaten Netzbetreibern. Interesse sollte dieses Buch auch in den IT-Abteilungen möglicher 5G-Anwenderfirmen wecken, nicht zuletzt natürlich bei Studierenden der Informatik und Elektrotechnik.

1 Evolution zellularer Mobilfunknetze

Mit 5G hat die Entwicklung der Mobilfunknetze stark an Fahrt aufgenommen. Bisher lag der Schwerpunkt solcher Netze in der Bereitstellung von Kommunikationsdiensten für Menschen. Bei 4G sind hier vor allem multimediale Datendienste wie Videostreaming zu nennen mit Smartphone, Tablet oder allgemein Computer als Endgerät. Bei den Vorgängerversionen war noch, je weiter zurück umso mehr, die Telefonie im Fokus. Nun fallen mit 5G die von den heutigen Mobilfunk-Usern konsumierten Multimediaapplikationen unter die „traditionellen Dienste“, wenngleich unterstützt durch noch nie dagewesene sehr hohe Bitraten. Im Vergleich zu den Vorgängerversionen, zumindest vor 4G, kommen jetzt aber die Unterstützung von M2M (Machine to Machine communications) und IoT (Internet of Things) mehr in den Fokus, allerdings noch mit der entsprechenden 4G-Luftschnittstelle, dafür mit einer, bezogen auf die Anfänge bei 4G, hohen Verbindungsdichte. Ganz neu bei 5G ist die Unterstützung von Diensten in system- und sicherheitskritischen Anwendungsbereichen wie Smart Grid für intelligente Energieversorgungsnetze und autonomes Fahren mit sehr hohen Anforderungen an Latenz, Reaktionszeiten und die System- bzw. Diensteverfügbarkeit.

Wie aus Abbildung 1.1 hervorgeht, begann die Einführung der digitalen Mobilfunknetze in den 1990er-Jahren mit der 2. Generation – die 1. Generation nutzte noch analoge Technik – auf Basis der GSM-Technik (Global System for Mobile Communications).

Abb. 1.1: Evolution der Mobilfunknetze [54]

Es bestand und besteht in vielen Netzen weiter aus einem leitungsvermittelten Core Network (CN) GSM und dem zugehörigen Access Network (AN). Im Hinblick auf die einfache Nutzung von IP über ein Mobilfunknetz wurde das CN um einen paketvermittelnden Teil, das GPRS (General Packet Radio Service) erweitert. Parallel wurde das AN migriert, um IP mit mittleren Bitraten mit EDGE-Technik (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) transportieren zu können. Hierbei entstand die heutige Bezeichnung GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network).

Zu Beginn der 2000er-Jahre erfolgte der nächste Schritt, die Einführung der auch als UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) bezeichneten 3. Generation. Dies brachte unter Nutzung der W-CDMA-Technik (Wideband-Code Division Multiple Access) ein deutlich leistungsfähigeres AN, das UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network), mit deutlich höheren Bitraten mit sich, allerdings nach wie vor mit dem aus GSM und GPRS bestehenden, aus 2G bekannten CN. Im Rahmen von 3G wurden in der Folge im AN unter dem Stichwort HSPA (High Speed Packet Access) sukzessive die Bitraten erhöht.

Der nächste Schritt, die 4. Generation, brachte dann eine neue, hochbitratige und nur noch auf IP basierende Zugangsnetztechnik, das E-UTRAN (Evolved-UTRAN), unter der Bezeichnung LTE (Long Term Evolution) mit sich. Ein LTE-System arbeitet gezwungenermaßen für die Bereitstellung von Telefonie mit VoIP (Voice over IP), hier als VoLTE (Voice over LTE) bezeichnet. Wegen der damit geforderten Echtzeitfähigkeit für den IP-Verkehr wurde damit auch ein neuer, echtzeitfähiger IP Core mit der Bezeichnung EPC (Evolved Packet Core) nötig. Notwendig für die Signalisierung bei VoLTE bzw. allgemeiner für Multimedia over IP-Dienste ist das bei der 3G-Evolution in Abbildung 1.1 ebenfalls gezeigte IMS (IP Multimedia Subsystem). Das IMS mit SIP (Session Initiation Protocol) spielt nicht nur für 3G-, sondern auch für 4G- und für 5G-Systeme eine wichtige Rolle zur Vermittlung von Echtzeitkommunikationsdiensten.

Die 4. Generation an Mobilfunknetzen ist heute – neben den parallel oder integriert weiterlaufenden Vorgängerversionen – in Betrieb. Sie liefert auf Basis der LTE-, LTE-Advanced- und LTE-Advanced Pro-Zugangsnetztechnik hohe Bitraten und hat auch bereits die Unterstützung vom M2M bzw. IoT mit einer eigenständigen Air Interface-Variante im Portfolio. Auch das Thema Virtualisierung mit dem Einsatz von nur noch virtuellen, per Software auf Basis von Standard-Hardware realisierten Netzfunktionen hat hier schon seinen Anfang genommen [54].

Aktuell ist nun die 5. Generation der Mobilfunknetze am Start. Sie bringt nicht nur eine neue, extrem leistungsfähige RAN-Technik (Radio Access Network), NR (New Radio) genannt, für sehr hohe Bitraten, sehr geringe Verzögerungen (Latenz) und sehr hohe Verbindungsdichten mit sich, sondern auch einen neuen, hochmodularen und flexiblen 5G Core mit Service Based Architecture (SBA) und Network Slicing. Dabei kommen als unterliegende Techniken NFV (Network Functions Virtualisation) und SDN (Software Defined Networking) in Cloud-Umgebungen zum Einsatz. Aber damit nicht genug, 5G erlaubt es darüber hinaus bei unverändertem Kernnetz, nicht nur NR, Non-3GPP WLAN- und 4G-Zugänge bereitzustellen, sondern auch Festnetzanschlüsse via beispielsweise PON (Passive Optical Network) oder DSL (Digital Subscriber Line) und sogar direkte Zugänge zu einem 5G-Netz über eine Satellitenanbindung. Ein 5G-System kann somit wirklich FMC (Fixed Mobile Convergence) mit nur einer Core Network-Technologie umsetzen. Daher kann man bei 5G eigentlich nicht mehr von einem Mobilfunknetz sprechen. Es handelt sich vielmehr, wenn man ein 5G-System in dieser generellen Art ausbaut und nutzt, um ein konvergentes Netz neuer Generation.

In den folgenden Abschnitten und Kapiteln wird auf diese evolutionäre und zum Teil auch revolutionäre Entwicklung eingegangen. Dabei geht es um einen guten Kompromiss zwischen Einführung der grundlegenden Ideen, Konzepte und Techniken und dem Vertiefen in detaillierteren Betrachtungen. Die folgenden Abschnitte führen hierzu in die Grundlagen ein, beginnend mit Verbindungskonzepten und Routing-Prinzipien. Auf dieser Basis wird die 2G/3G-Evolution erläutert, werden das NGN-Konzept (Next Generation Networks) inkl. VoIP und SIP behandelt. Kapitel 2 beschreibt Konzepte, Protokolle und Techniken der 3. und 4. Generation von Mobilfunknetzen. Hierunter fallen auch IMS und VoLTE. Kapitel 3 führt die von der ITU standardisierten Future Networks ein. Sie definieren bereits mit NFV, Cloud- und Edge Computing sowie SDN wesentliche Bausteine für 5G, greifen sozusagen den 5G-Systemen voraus. Ab Kapitel 4 bis Kapitel 10 erfolgt dann eine systematische Einführung in 5G mit Vertiefungen, wo immer sinnvoll und nötig. Ausgangspunkt sind hier nicht neue technische Möglichkeiten, sondern Use Cases und neue Anwendungsbereiche. Hieraus erst resultieren die Anforderungen. Diese wiederum waren und sind die Basis für die Standardisierung, vor allem bei ITU und 3GPP, und die Regulierung in den einzelnen Ländern. Aus den Anforderungen resultieren notwendige Netzfunktionen, die nach gewählten Designprinzipien in ein 5G-System und eine 5G-Netzarchitektur münden. Hier kann im Sinne einer detaillierteren Betrachtung nach Zugangs- und Kernnetz unterschieden werden. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse münden dann in der Gesamtbetrachtung eines 5G-Systems inkl. des Zusammenspiels mit 4G. Zur Abrundung der Sicht auf die Technik dient ein Blick auf die Security in einem 5G-System.

Die Einführung einer neuen Netzgeneration muss auch unter dem Gesichtspunkt ihrer Bezüge zur Umwelt betrachtet werden. Daher werden hier die Themen nichtionisierende Strahlung infolge der Funkübertragung und Energieverbrauch angerissen. Abschließend wird ein Blick in die Zukunft geworfen, zuerst auf die 5G-Weiterentwickung und dann auf eine bereits angedachte 6. Generation. Dies ist folgerichtig, da ja gemäß Abbildung 1.1 ca. alle 10 Jahre eine neue Mobilfunkgeneration eingeführt wird und es parallel bereits um die Forschung, Standardisierung und Entwicklung der nächsten Netzegeneration geht.

1.1 Verbindungskonzepte und Routing-Prinzipien

Die technische Entwicklung und damit die Migration der Telekommunikationsnetze und speziell auch der Mobilfunknetze kann u.a. gut anhand der jeweils zur Anwendung kommenden Verbindungskonzepte und der daraus resultierenden Routing-Prinzipien charakterisiert werden.

Zum Einstieg in dieses Thema zeigt Abbildung 1.2 das Beispiel eines Verbindungsaufbaus bei einem Telefonat zwischen zwei Teilnehmern (Tln) A und B in einem Fernmeldenetz oder allgemeiner in einem Public Switched Telephone Network (PSTN). Neben der Architekturskizze des Netzes mit den angedeuteten Vermittlungsstellen (VSt) wird hier in einem Message Sequence Chart (MSC) die zeitliche Abfolge der Signalisierungsnachrichten auf den analogen Teilnehmerschnittstellen zum Verbind...

Table of contents

• Title Page
• Copyright
• Contents
• 1 Evolution zellularer Mobilfunknetze
• 2 3G/4G-Mobilfunknetze und NGN (Next Generation Networks)
• 3 Future Networks
• 4 5G Use Cases und Anforderungen
• 5 5G-Standardisierung und Regulierung
• 6 5G-Netze im Überblick
• 7 5G-Zugangsnetze
• 8 5G-Kernnetz
• 9 5G-System
• 10 5G und Security
• 11 5G und Umwelt
• 12 Zukünftige Entwicklungen
• Abkürzungen
• Index