Definition

Was ist 5G New Radio (5G NR)?

| Autor / Redakteur: Stefan Luber / Andreas Donner

Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt. (Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

5G New Radio ist die Funkschnittstelle der Mobilfunktechnik der fünften Generation. Sie wird vom 3rd Generation Partnership Project spezifiziert und deckt ein breites Funkspektrum bis hin zu Millimeterwellen ab. Um eine optimale spektrale Effizienz und hohe Übertragungsraten zu erzielen, kommen Techniken wie Beamforming, Massive MIMO und OFDM zum Einsatz.

Der Begriff 5G New Radio, abgekürzt 5G NR, steht für die Luftschnittstelle (Funkschnittstelle) in Mobilfunknetzwerken der fünften Generation (5G). Spezifiziert wird die Schnittstelle vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Erste Spezifikationen sind im Release 15 (5G NR Phase 1) seit 2018 veröffentlicht. Die Veröffentlichung von Release 16 (Phase 2) wird noch im Jahr 2019 erwartet.

5G New Radio soll hohe Datenraten bis in den zweistelligen Gigabitbereich ermöglichen und für eine optimale spektrale Effizienz der verwendeten Funkfrequenzen sorgen. Weitere Anforderungen an die Technik sind die Unterstützung großer Anschlussdichten von bis zu einer Million mobiler Geräte pro Quadratkilometer und kurze Latenzzeiten von nur einer Millisekunde und darunter.

Im Gegensatz zu den Mobilfunkstandards der dritten (3G; UMTS) oder vierten Generation (4G; LTE) unterstützt 5G NR einen wesentlich größeren Bereich an Funkfrequenzen, der bei Frequenzen unter einem Gigahertz beginnt und bis in den so genannten Millimeterwellenbereich (Frequenzen größer 30 Gigahertz) reicht. Um die vielen Anforderungen an die Schnittstelle zu erfüllen, verwendet 5G NR Technologien wie Massive MIMO, Beamforming, orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (OFDM; Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), flexible Trägerabstände und Trägerbandbreiten sowie kleine Funkzellen, auch Small Cells genannt.

Die verschiedenen Deployment Modes von 5G New Radio

Für einen möglichst nahtlosen Übergang von der jetzigen 4G-Mobilfunktechnik (LTE) zur Mobilfunktechnik der fünften Generation sind verschiedene Deployment Modes für 5G New Radio vorgesehen. Diese Modes sind:

  • der Non-Standalone Mode (NSA)
  • der Standalone Mode (SA)

Erste Implementierungen verwenden zunächst im Non-Standalone Mode erfolgen, der auf Basis bestehender LTE-Netze verwendet werden kann. Er nutzt die Kontrollschicht des vorhandenen LTE-Netzes und stellt gleichzeitig die höheren Datenraten der 5G-Übertragungsschicht bereit. Der Standalone Mode verwendet in einer nachfolgenden Phase die 5G-Kontroll- und -Übertragungsschicht. Dadurch ist das Deployment hier ohne LTE-Infrastruktur möglich. Erst im Standalone Mode lassen sich die volle Leistungsfähigkeit und die verschiedenen Anwendungsprofile von 5G nutzen.

Die verschiedenen Frequenzbereiche von 5G NR

5G-Mobilfunknetze haben eine große Vielfalt an Anwendungsfällen abzudecken, die je nach Anwendung hohe Übertragungsraten, hohe Endgerätedichten, niedrige Latenzzeiten, hohe Energieeffizienz oder hohe Zuverlässigkeit erfordern. Wiederzufinden sind die Anwendungsfälle in den drei grundlegenden 5G-Anwendungsprofilen:

  • mMTC (Massive Machine Type Communications)
  • eMBB (Enhanced Mobile Broadband)
  • uRLLC (Ultra Reliable and Low Latency Communications)

Um die vielen verschiedenen Anforderungen zu erfüllen, gestattet die Luftschnittstelle 5G NR im Vergleich zu den vorherigen Mobilfunktechnologien die Nutzung eines wesentlich größeren Spektrums an Frequenzen. Für die Versorgung von Geräten in einem Keller oder an anderen ungünstigen Standorten sind beispielsweise niedrige Frequenzen mit großen Wellenlängen erforderlich. Diese sind jedoch hinsichtlich der maximal möglichen Datenraten begrenzt, weshalb für Anwendungsfälle im Multi-Gigabit-Bereich wesentliche höhere Frequenzen eingesetzt werden müssen.

Je höher die eingesetzten Frequenzen sind, desto größer sind zwar die maximal möglichen Datenraten, doch sinkt gleichzeitig die Reichweite, da die Funksignale von Gegenständen oder Gebäuden wesentlich stärker absorbiert werden. Niedrigere Frequenzen haben den Vorteil größerer Reichweiten, erreichen aber keine hohen Übertragungsraten.

Grundsätzlich unterstützt 5G New Radio Frequenzen von weit unter einem Gigahertz bis hin zu so genannten Millimeterwellen von bis zu 100 Gigahertz. Nur mithilfe dieses riesigen Frequenzbereichs kann 5G NR alle geforderten Leistungsmerkmale bereitstellen. Zur besseren Unterscheidung ist der Frequenzbereich in die folgenden drei Unterbereiche aufgeteilt:

  • Low-Bands: Frequenzen unter einem Gigahertz
  • Mid-Bands: Frequenzen zwischen einem und sechs Gigahertz
  • High-Bands: Frequenzen über 24 Gigahertz (Millimeterwellen)

Je nach verwendeten Frequenzen haben die Träger und Subträger unterschiedliche Bandbreiten und Abstände. Eine weitere Anforderung an 5G NR ist, dass die Luftschnittstelle den Einsatz von sowohl lizenzierten als auch unlizenzierten Frequenzbändern gestattet.

Wichtige Technologien und Konzepte für 5G New Radio

Zur Bewältigung aller Herausforderungen, die das riesige unterstützte Frequenzspektrum an 5G NR stellen, kommen zusätzlich Techniken wie Small Cell Networks, Massive MIMO, Beamforming und OFDM zum Einsatz.

Damit Millimeterwellen die gewünschte Netzabdeckung erreichen, sind viele kleine Sendestationen, so genannte Small Cells, notwendig. Sie sind in unmittelbarer Nähe der Teilnehmer installiert, arbeiten mit niedrigen Sendeleistungen und ermöglichen den Zugang zum Mobilfunknetz mit hohen Übertragungsraten. Darüber hinaus ist die Zelltechnik wesentlich flexibler, da sich die kleinen Funkzellen über die Luftschnittstelle untereinander verbinden und vermaschen lassen. Grundsätzlich soll so sogar die direkte Kommunikation zwischen zwei Endgeräten ohne Beteiligung des zentralen Funkmasts einer Makrozelle möglich sein.

Per Massive MIMO (Massive Multiple Input Multiple Output) lassen sich Daten über parallele Verbindungen übertragen, wodurch sich der Datendurchsatz vervielfacht. Möglich wird das durch die geschickte Ausnutzung vieler Sende- und Empfangsantennen. Im Bereich der Millimeterwellen können bis zu mehrere hundert Antennen gleichzeitig genutzt werden.

Beamforming sorgt dafür, dass sich die Übertragungsleistung in verschiedene Raumrichtungen hin zu den Endgeräten optimieren und bündeln lässt. Signale werden dabi nicht mehr wie bei herkömmlichen Antennen gleichmäßig in alle Richtungen, sondern gezielt in Richtung des Endgeräts ausgestrahlt.

5G NR verwendet wie LTE das orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) als Modulationstechnik. Allerdings ist OFDM auf die Besonderheiten des großen unterstützten Frequenzbereichs angepasst und verhält sich flexibler. Die Träger und Subträger sind abhängig vom Frequenzbereich variabel. Träger mit unterschiedlichen Abständen und Bandbreiten lassen sich flexibel kombinieren, um große Kanalkapazitäten zu erreichen. Während bei LTE die Abstände zwischen zwei Subträgern immer 15 Kilohertz und die Bandbreiten 20 Megahertz betragen, können die Abstände bei 5G New Radio bis zu 240 Kilohertz und die Bandbreiten mehrere hundert Megahertz betragen.

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