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Mobilfunk-Antennentechnologie: 5G mmWave: Stand-alone-Lösung oder nicht?

Dienstbetreiber rund um den Globus haben schon damit begonnen, 5G vielerorts bereitzustellen. Die frühen Sub-6-GHz-Rollouts zu 5G sind ein erster Meilenstein, aber erst mmWave ebnet den Weg zu einem tatsächlichen Transformationseffekt, der für das gesamte 5G-Ökosystem notwendig ist.

Mobilfunk Vernetzung Smart City Bildquelle: © National Instruments

Entwickler, die sich mit drahtlosen Lösungen beschäftigen, und Anbieter von 5G-Ökosystemen haben großes Interesse am mmWave-Spektrum, da dieses umfangreiche Bandbreiten für den mobilen Zugriff sowohl auf lizenzierten als auch auf unlizenzierten Frequenzen liefert. Tatsächlich lässt das mmWave-Spektrum für 5G das frühere, von Mobilfunk, WiFi und Bluetooth genutzte Spektrum als geradezu mickrig erscheinen. Ein größeres Spektrum führt zu höheren Datenraten und bietet die Möglichkeit, mehr Anwender bei vergleichbarer spektraler Effizienz abzudecken.

Heute zielen die meisten 5G-Bereitstellungen auf das Sub-6-GHz-Spektrum und die Non-Stand-alone (NSA)-Architektur ab. Die NSA verwendet LTE als Anker für die Steuerungsebene, die Nutzerebene fließt direkt in den EPC (4G) oder den NGC (5G), entsprechend der jeweiligen NSA-Architektur. 5G mmWave wird diesem Beispiel wahrscheinlich folgen, hauptsächlich weil die Technologie noch in den Kinderschuhen steckt. 5G im Sub-6-GHz-Spektrum erweitert zwar die Bandbreite, aber nicht so umfassend wie 5G mmWave. Die 5G-mmWave-Bereitstellungen werden sich auf die NSA-Architektur stützen. Damit stellt sich die Frage, ob 5G als Stand-alone (SA)-Lösung sinnvoll ist.

Für und Wider
Obwohl ein recht großes Spektrum für den mobilen 5G-Zugriff über mmWave-Frequenzen vorgesehen ist, ist die Wellenformübertragung auf diesen Frequenzen viel kürzer als die Sub-6-GHz-Implementierungen. Zudem haben mmWave-Wellenformen eine starke Richtwirkung und können blockiert werden, was zu Verbindungsstörungen führt. Das 3GPP hat einen Großteil der Spezifikation den Prinzipien des Beam-Managements und der Beam-Wiederherstellung gewidmet, um diese Szenarien zu adressieren. Theoretisch sollten die Konzepte funktionieren – aber wird dies auch in der Praxis der Fall sein? Und wenn ja, wie effizient sind sie?

Nun zur Konfiguration – NSA oder SA für 5G mmWave. Zu den Vorteilen von SA für jegliche 5G-Bereitstellungen zählen eine geringere Latenz sowie geringere Kosten, da das Netzwerk für die Steuerungsinformationen nicht auf 4G/LTE zurückgreifen muss. NSA ist für 5G mmWave jedoch ebenfalls sehr sinnvoll, da LTE-Bereitstellungen verfügbar und robust sind. Im SA-5G-mmWave-Szenario ziehen die Steuerungskanäle dasselbe 5G-mmWave-Spektrum wie die Daten heran. Bei NSA-5G-mmWave bietet LTE den Anker. Die Steuerungsinformationen werden über diese Verbindung übertragen. Wenn beispielsweise ein 5G-mmWave-UE mit einer gNodeB verbunden wird – und die Steuerungsebene wie auch die Nutzerebene eine mmWave-Frequenz nutzen – sind die Steuerungsinformationen denselben Hürden bezüglich Interferenz und Blockierung ausgesetzt wie die Datenebene. Deshalb werden Beam-Management und Beam-Wiederherstellung herangezogen, um die Verbindung aufrechtzuerhalten. Aber diese Vorgehensweisen brauchen Zeit und die Wahrscheinlichkeit von Verbindungsstörungen ist recht hoch. NSA bietet eine stabilere Verbindung für die Steuerungsebene und könnte sich beim gNodeB-Hand-over und der Zellenauswahl für die Mobilität als kritisch erweisen. Das Handover ist äußerst wichtig, weil dabei die Rate in einem mmWave-Netzwerk viel höher ausfallen wird. Dies lässt sich auf die höhere Dichte an den Basisstationen zurückführen.

Noch ist nichts entschieden
Die Industrie bewegt sich stetig in Richtung einer 5G-Realität und mmWave bleibt dabei weiterhin eine wichtige Technologie für den mobilen Zugriff, damit die Ziele und Pläne für 5G umgesetzt werden können. Entscheidungen hinsichtlich der Architektur, wie etwa die Abwägung der Vor- und Nachteile von NSA und SA, werden sich immer deutlicher auswirken und deshalb schwieriger zu treffen sein. Erst die Zeit wird zeigen, ob Dienstanbieter tatsächlich 5G-SA-mmWave-Technologien implementieren, doch momentan lässt sich davon ausgehen, dass auf kurze Sicht NSA-mmWave-Bereitstellungen dominieren.

5G NR für drahtlose Kommunikationssysteme bringt aufgrund neuer Frequenzbänder, höherer Bandbreiten und neuer Beamforming-Technologie große Herausforderungen für den Entwurf und das Testen von Systemen mit sich. Damit Innovationen schnell zur Marktreife gelangen, sind deshalb entsprechend leistungsstarke Werkzeuge notwendig.

James Kimery Director, Marketing, RF Research/SDR, National Instruments