5G ist die fünfte Generation eines Mobilfunkstandards, der 2019 eingeführt wurde und auf der vierten Standardgeneration LTE-Advanced aufbaut. Vorteile gegenüber LTE-Advanced sind höhere Datenraten, geringere Latenzzeiten, Echtzeitübertragung und mehr gleichzeitig im Netz ansprechbare Geräte. Die Weiterentwicklung von 5G wird als 5G-Advanced bezeichnet.
Um eine hohe Flexibilität und Skalierbarkeit zu erreichen, sind die Bestandteile von 5G als voneinander unabhängige Dienste entworfen. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Trennung zwischen dem Kernnetz (5G Core) und dem Funkzugangsnetz gelegt. Die Funkzellen müssen bei 5G engmaschiger ausgebaut werden als bei Vorgängertechniken. Die Standardisierungsorganisation 3rd Generation Partnership Project hat im Dezember 2018 mit Release 15 den ersten Standard veröffentlicht, der Funktionen von 5G beinhaltet. Weitere Funktionen wurden mit Release 16 im Juli 2020 sowie mit Release 17 im Juni 2022 festgelegt.
5G-Mobilfunk sollte nicht mit dem 5 GHz WLAN verwechselt werden.
Eigenschaften Im Vergleich zu LTE-Advanced gibt es bei der 5G-Technik folgende Eigenschaften:
Datenraten bis zu 20 Gbit/s (in der Praxis 100 Mbit/s); Nutzung höherer Frequenzbereiche; Erhöhte Frequenzkapazität und Datendurchsatz; Echtzeitübertragung, weltweit 100 Milliarden Mobilfunkgeräte gleichzeitig ansprechbar; Latenzzeiten von unter einer Millisekunde bis wenigen Millisekunden.
Anwendungen Die 5G-Technik ist grundsätzlich auf drei verschiedene Anwendungsszenarien hin ausgerichtet.
eMBB: Enhanced Mobile Broadband, also eine erweiterte mobile Breitbandverbindung, um Mobilgeräte mit möglichst hohen Datenraten zu versorgen. Heutige Hybrid-Access-Technik über LTE kann zudem in 5G ausgebaut werden, um die Breitbandversorgung auch für Festnetzanschlüsse in ländlichen Regionen zu verbessern. mMTC: Massive Machine Type Communication. Dieser Bereich betrifft hauptsächlich das „Internet der Dinge“ (IoT) und soll möglichst viele Verbindungen mit eher geringen Datenraten und niedrigem Energieverbrauch unterstützen. uRLLC: Ultra reliable low latency communications soll zuverlässige Verbindungen mit geringer Latenz ermöglichen, die beispielsweise für autonomes Fahren oder Industrie-Automation benötigt werden.
In der ersten Phase der 5G-Realisierung im Jahr 2019 wurde fast ausschließlich der Bereich eMBB ausgebaut.
Latenzen Bei 5G wird oft von sehr kurzen Latenzzeiten unter 1 ms gesprochen. Dabei ist allerdings zu beachten, dass sich die gesamte Latenz aus mehreren Anteilen zusammensetzt:
Die Luftschnittstelle, also die Verbindung vom Mobilgerät zur Basisstation. Die Latenz der Luftschnittstelle lässt sich bei 5G unter Laborbedingungen tatsächlich unter 1 ms realisieren. Die Latenz der hinter der Basisstation liegenden Datenverarbeitung hin zum Telekommunikationsnetz. Latenz zum Internet: Greift der Nutzer auf Anwendungen und Daten im Internet zu, kommt noch die Latenz der beteiligten Server hinzu (die völlig unabhängig vom 5G-Standard ist).
Die realen Ende-zu-Ende-Latenzen, die der US-Mobilfunkanbieter Verizon Communications in Chicago im März 2019 erreicht, liegen im Bereich von 30 ms.
Frequenzbereiche Das Frequenzspektrum bei 5G wird in zwei Bereiche unterteilt, die FR1 und FR2 (von engl. Frequency Range) genannt werden. FR1 umfasst im Wesentlichen die Frequenzen zwischen 600 MHz und 6 GHz. In diesem Frequenzbereich werden sowohl FDD (Frequency Division Duplexing) als auch TDD (Time Division Duplexing) verwendet. Der Frequenzbereich FR2 beginnt oberhalb von 24 GHz und arbeitet im Millimeterwellenbereich. Bis Mai 2019 waren Frequenzen bis 40 GHz für 5G freigegeben, eine Erweiterung bis 60 oder 80 GHz ist jedoch in Zukunft prinzipiell möglich und geplant. Mit einer breiten Nutzung im öffentlichen Mobilfunk ist erst in einigen Jahren zu rechnen. Elektromagnetische Wellen im Millimeterwellenbereich sind zwar hilfreich, um große Datenmengen zu übertragen, die Reichweite nimmt aber bei höheren Frequenzen immer mehr ab. Auch können Funkwellen bei zum Beispiel 28 GHz einfache Hindernisse wie Wände oder Bäume nicht durchdringen.
Elektromagnetische Wellen lassen sich jedoch gezielt durch Phased-Array-Antennen formen und auf ein Ziel ausrichten. Bei 5G kommt diese Technik bei Millimeterwellen zum Einsatz, um einzelne mobile Empfangsgeräte bei Bedarf gezielt mit hohen Datenraten zu versorgen.
Die 5G-Spezifikation sieht bis zu 256 Einzelantennen vor, die für sogenanntes massives MIMO verschaltet werden können.
Bei 5G kommt auch die so genannte Carrier Aggregation (CA) massiv zum Einsatz, wobei bis zu 16 Carrier kombiniert werden können, um den Datendurchsatz weiter zu erhöhen.
Frequenzbereich FR1 3GPP 38.104 (Rel 18. März 2023) Tabelle der FrequenzbänderBandNameModusDownlink [MHz]Bandbreite[MHz]Uplink [MHz]RegionUntenMitteObenUntenMitteObenn12100FDD21102140217060192019501980Globaln21900 PCSFDD19301960199060185018801910Nordamerikan31800FDD18051842,518807517101747,51785Globaln5850FDD869881,589425824836,5849Globaln72600FDD26202655269070250025352570EMEAn8900FDD925942,596035880897,5915Globaln12700 aFDD729737,574617699707,5716Nordamerikan13700 cFDD74675175610777782787Nordamerikan14700 PSFDD75876376810788793798Nordamerikan18800 LowerFDD860867,587515815822,5830Japann20800FDD79180682130832847862EMEAn241600 LFDD152515421559341626,51643,51660,5Nordamerikan251900+FDD19301962,519956518501882,51915Nordamerikan26700 APTFDD859876,589435814831,5849Nordamerikan28700 APTFDD758780,580345703725,5748APAC, EUn29700 dSDL717722,572811Nordamerikan302300 WCSFDD23502355236010230523102315Nordamerikan34TD 2000TDD20102017,5202514EMEAn38TD 2600TDD25702595262050EMEAn39TD 1900+TDD18801900192040Chinan40TD 2300TDD230023502400100Chinan41TD 2600+TDD249625932690194Globaln46TD unlicensedTDD51505537,55925775Globaln47V2XTDD58555890592570Globaln48TD 3600TDD355036253700150Globaln50TD 1500+TDD14321474,5151785n51TD 1500-TDD14271429,514325n53TD 2500TDD2483,52489,3249511,5n54TD 1700TDD16701672,516755n652100+FDD21102155220090192019652010Globaln66AWS-3FDD21102155220090/70171017451780Nordamerikan67700 EUSDL73874875820EMEAn70AWS-4FDD19952007,5202025/1516951702,51710Nordamerikan71600FDD617634,565235663680,5698Nordamerikan74L-BandFDD14751496,515184314271448,51470EMEAn75DL 1500+SDL14321474,5151785Nordamerikan76DL 1500-SDL14271429,514325Nordamerikan77TD 3700TDD330037504200900n78TD 3500TDD330035503800500n79TD 4500TDD440047005000600n80UL 1800SUL7517101747,51785n81UL 900SUL35880897,5915n82UL 800SUL30832847862n83UL 700SUL45703725,5748n84UL 2100SUL60192019501980n85700 a+FDD72873774618698707716Nordamerikan86UL AWSSUL70171017451780n89UL 850SUL25824836,5849n90TD 2600+TDD249625932690194Globaln91FD 1500-FDD14271429,514325 / 30832847862Nordamerikan92FD 1500+FDD14321474,5151785 / 30832847862Nordamerikan93FD 1500-FDD14271429,514325 / 35880897,5915Nordamerikan94FD 1500+FDD14321474,5151785 / 35880897,5915Nordamerikan95UL n34SUL1520102017,52025Chinan966 GHzTDD5925652571251200Nordamerikan97UL n40SUL100230023502400APACn98UL n39SUL40188019001920Chinan99UL n24SUL341626,51643,51660,5Nordamerikan100RMR 900FDD919,4922,29255,6874,4877,2880n101RMR 1900TDD19001905191010n102Lower 6 GHzTDD592561756425500n1047 GHzTDD642567757125700n105APT 600FDD61263265240663683703
SDL = Supplementary Downlink
SUL = Supplementary Uplink
Frequenzbereich FR2-1 3GPP 38.104 (Rel 18. März 2023) +BandNameModusDownlink (MHz)Bandbreite(MHz)Uplink (MHz)RegionuntenMitteobenuntenMitteobenn25728 GHzTDD2650028000295003000weltweitn25826 GHz2425025875275003250n25941 GHz3950041500435004000n26039 GHz3700038500400003000n26128 GHz US275002792528350850Nordamerikan26248 GHz4720047700482001000
Frequenzbereich FR2-2 3GPP 38.104 (Rel 18. März 2023) +BandNameModusDownlink (MHz)Bandbreite(MHz)Uplink (MHz)RegionuntenMitteobenuntenMitteobenn263UnlicensedTDD5709563999,870904,613809,6weltweit
5G NR 5G New Radio (NR) bezeichnet das vom 3GPP für 5G standardisierte Funkzugangsnetz (RAN), also die Komponenten der 5G-Basisstationen und die Luftschnittstelle zwischen der Basisstation und mobilen Endgeräten. Wie bereits das Funkzugangsnetz von LTE (E-UTRAN), arbeitet 5G NR vollständig paketorientiert. 5G NR ist darauf ausgelegt, Dienste mit unterschiedlichsten Datenverkehrsprofilen zu unterstützen (z. B. Dienste mit hohem Durchsatz, niedrigen Latenzen, kurzen Datenbursts …).
Die Basisstationen im 5G-RAN werden als gNodeB (next-generation NodeB) bezeichnet. NR sieht erstmals vor, die Bestandteile einer gNodeB optional auch in ihre Echtzeit-Komponenten und Nicht-Echtzeit-Komponenten zu unterteilen. Während die Echtzeit-Komponenten als gNB-DU (Distributed Unit) weiterhin in unmittelbarer Nähe zur Antenne installiert werden müssen, können die Nicht-Echtzeit-Komponenten mehrerer Basisstationen als reine Softwarebestandteile in einer gNB-CU (Central Unit) zusammengefasst werden. Damit ist es möglich, 5G gNB-CUs auch in einer Cloud zu implementieren.
Modulations- & Multiplexverfahren Der Mobilfunk der 5. Generation verwendet OFDM mit zyklischem Präfix als Multiplexverfahren. Neben OFDM wird im Sendebetrieb der Mobilgeräte (Uplink) auch SC-FDMA (Single Carrier FDMA; teilweise auch als DFT-s-OFDM bezeichnet) eingesetzt, das aufgrund des niedrigeren PAPR größere Zellradien ermöglicht. Beide Multiplexverfahren werden u. a. auch im Vorgängerstandard LTE eingesetzt. Neu ist der Einsatz von OFDM auch im Uplink.
Die verwendeten Modulationen sind: QPSK (Quadraturphasenumtastung), 16QAM, 64QAM und 256QAM (Quadraturamplitudenmodulation). In Verbindung mit SC-FDMA kann im Uplink zudem auch mit π/2-BPSK moduliert werden.
Zum Schutz gegen Übertragungsfehler werden LDPC-Codes sowie in den Steuerungskanälen Polar-Codes verwendet. Die Coderate ist dabei variabel und kann diskrete Werte zwischen 3 % und 93 % annehmen.
Die tatsächlich verwendete Kombination aus Modulationsschema und Coderate hängt von der Qualität des Übertragungskanals ab und wird dabei stets so gewählt, dass die gewünschte Blockfehlerrate (BLER) erreicht wird (meist 10 %; bei kritischen Anwendungen ist der Wert geringer).Mota, Mateus P. et al.: Adaptive Modulation and Coding based on Reinforcement Learning for 5G Networks. IEEE, 2019 Kann ein Block beim Empfänger nicht fehlerfrei dekodiert werden, sorgt das HARQ-Verfahren (Hybrid Automated Repeat Request) für eine erneute Übertragung. Im besten Fall benötigt HARQ hierfür 0,25 ms.
LTE-NR Dynamic Spectrum Sharing Wie bereits LTE nutzt 5G NR das OFDMA-Multiplexverfahren. Aufgrund dieser technischen Ähnlichkeit beider Standards ist die dynamische gleichzeitige Nutzung eines Frequenzbandes durch LTE sowie 5G NR möglich. Dies wird als Dynamic Spectrum Sharing (DSS) bezeichnet. Die zur Verfügung stehende Bandbreite eines von LTE und 5G NR unterstützten Frequenzbands kann dabei bedarfsgerecht auf die in einer Funkzelle aktiven 4G- und 5G-Nutzer aufgeteilt werden.
Open RAN In den offiziellen Spezifikationen des 3GPP ist für das 5G-RAN nur eine begrenzte Anzahl an definierten Schnittstellen zu benachbarten Komponenten – wie dem Kernnetz – vorgesehen. Die Open RAN Spezifikation der O-RAN Alliance führt darüber hinaus weitere offene und interoperable Schnittstellen innerhalb des 3GPP-RAN ein. Damit soll der Wettbewerb zwischen den Mobilfunkausrüstern erhöht werden, da solche Unternehmen nicht mehr die gesamten, komplexen Bestandteile des RAN implementieren müssen, sondern sich auf kleine, innerhalb von O-RAN standardisierte, Komponenten konzentrieren können.
5G Standalone und 5G Non-Standalone Der 5G-Standard sieht zwei Implementierungsoptionen für 5G vor: