5G – Technologie, Fähigkeiten und Anwendungen

Das 21. Jahrhundert ist das „vernetzte“ Jahrhundert. Die drahtlose Kommunikationstechnologie hat sich in den letzten Jahren durch Forschung und Erfindungen rasant weiterentwickelt. Nach dem Aufkommen der drahtlosen 4G-Mobiltechnologie haben Forscher und Mobilfunkbetreiber begonnen, auf den (technologischen) Fortschritt in Richtung 5G-Kommunikationstechnologie hinzuarbeiten, um bestehende wichtige Anforderungen wie erhöhte Datenübertragungsgeschwindigkeiten, höhere Kapazität, geringere Latenzzeiten und verbesserte QoS (Servicequalität) zu erfüllen.

Die drahtlose Technologie der fünften Generation (5G), die erweiterte Zugangstechnologien wie BDMA (Beam Division Multiple Access) und FBMC (Filter Bank Multi-Carrier Multiple Access) umfasst, wird die drahtlose Technologie der vierten Generation (4G) leicht ersetzen. 5G wird nicht nur schneller sein als die aktuelle 4G-Technologie, sondern auch das Potenzial haben, andere Sektoren wie Fertigung, Automotive, Gesundheitswesen und Energie zu revolutionieren. Es wird den Übergang von kabelgebundener zu kabelloser Konnektivität in einer Vielzahl von industriellen Umgebungen. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über 5G, seine Fähigkeiten und Anwendungen.

5G-Technologie und ihre Fähigkeiten

5G-Technologie steht für fünfte Generation, die nächste Generation der drahtlosen Netzwerktechnologie, die entwickelt wurde, um die Reichweite der Mobiltechnologie über die Fähigkeiten von LTE hinaus zu vergrößern. Sie ist die neueste Version der Mobilfunktechnologie. 5G zeichnet sich durch drei wesentliche Merkmale aus: höhere Geschwindigkeiten, geringere Latenzzeit und die Möglichkeit, viele Geräte gleichzeitig anzuschließen. Aufgrund der höheren verfügbaren Bandbreite und der neuen Antennentechnologie ermöglicht 5G eine signifikante Erhöhung der Datenmengen, die durch drahtlose Systeme gesendet werden. Millimeterwellen-Technologie (mmWave) versorgt diese 5G-Netzwerke.

Die 5G-Technologie wird die Art und Weise ändern, wie Mobiltelefone in Bereichen mit sehr hoher Bandbreite wie 1 GB/s oder mehr verwendet werden. Wenn 5G über ein VoIP-fähiges Gerät übertragen wird, werden Menschen auf ein beispielloses Maß an Anrufvolumen und Datenübertragung stoßen. Die 5G-Technologie wird Dienste wie allgegenwärtige Netze, Funkressourcenverwaltung, Höhenplattformsysteme (HAPS-Systeme) usw. bereitstellen.

Die 5G-Wireless-Technologie ist ein bedeutender Fortschritt gegenüber früheren Generationen. Sie löst alle bisherigen Schwachstellen, wie geringe Abdeckung, mangelnde Leistung an den Zellrändern und Anrufausfälle. 5G verspricht eine bessere Abdeckung und Konnektivität.

Abbildung 1: Vergleichstabelle aller Generationen

So funktioniert 5G

Die Einführung der 5G-Technologie hat zu Fortschritten im Netzwerkdesign geführt. Das 5G NR, das als weltweiter Standard für eine bessere drahtlose 5G-Luftschnittstelle gefeiert wird, umfasst Spektren, die zuvor in 4G nicht genutzt wurden. Für die neuen Antennen kommt massive MIMO-Technik (Multiple Inputs, Multiple Outputs) zum Einsatz, die es vielen Empfängern und Sendern ermöglicht, riesige Datenmengen gleichzeitig zu übertragen.

Die 5G-Technologie ist jedoch nicht auf NR beschränkt. Sie stärkt ein konvergentes und heterogenes Netzwerk, das nicht lizenzierte und lizenzierte drahtlose Technologien kombiniert. Dies erhöht die Bandbreite, die den Benutzern zur Verfügung steht.

5G verbessert das digitale Erlebnis durch Automatisierung, die durch maschinelles Lernen (ML) unterstützt wird. Die Forderung nach Ansprechzeiten im Bereich von Bruchteilen von Sekunden (zum Beispiel bei selbstfahrenden Fahrzeugen) treibt 5G-Netze dazu, Automatisierung mit ML und langfristig mit künstlicher Intelligenz (KI) und Deep Learning (DL) zu schaffen. Aktives Management und automatisierte Dienst- und Verkehrsbereitstellung verbessern das vernetzte Erlebnis und reduzieren gleichzeitig die Infrastrukturkosten.

5G-Technologien und -Techniken

In Anbetracht der Einbeziehung von 5G-Normen wurden mehrere Technologien und Ansätze entwickelt. Mit diesen neuen Ansätzen und Technologien wird 5G in der Lage sein, einen dynamischen und flexiblen Service bereitzustellen. Zu den Technologien, die für 5G entwickelt werden, gehören:

5G-Anwendungen/-Anwendungsfälle

Das Ziel der 5G-Technologie ist es, neue Arten von Anwendungen zu ermöglichen. Es handelt sich nicht nur um eine entwicklungsmäßige Aktualisierung der vorherigen Mobilfunkgeneration, sondern um eine bahnbrechende Technologie, welche die Grenzen des Zugriffs, der Kapazität, der Leistung und der Latenzzeit bei der Konnektivität weltweit beseitigen soll. Wie in der Abbildung unten dargestellt, sind die drei wichtigsten Anwendungsfälle von 5G wie folgt: Erweiterte mobile Breitbanddienste, massive maschinelle Kommunikation und äußerst zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz.

Abbildung 2: 5G-Anwendungsfälle

Erweiterte mobile Breitbanddienste (eMBB)

Das Wachstum von eMBB spiegelt das des modernen mobilen Breitbands wider und ermöglicht größere Datenmenge und ein besseres Benutzererlebnis. Ein Paradebeispiel ist die Unterstützung höherer Datenübertragungsgeschwindigkeiten für Endnutzer.

Typische eMBB-Anwendungen

• UHD-Video (4K, 8K), 3D-Video
• Taktiles Internet, Cloud-Gaming und Breitband-Kioske
• Fernunterrichtsraum, Hologramm
• Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR)
• Echtzeitsimulation und Training

Massive maschinelle Kommunikation (mMTC)

mMTC bezieht sich auf Dienste mit einer großen Gerätepopulation, wie Fernsensoren, Überwachungsgeräte für Ausrüstung und Aktoren. Geringe Gerätekosten und ein effizienter Geräteenergieverbrauch sind zwei Anforderungen an solche Dienste. Dies ermöglicht eine längere Batterielaufzeit für die Geräte, die mehrere Jahre betragen kann. Jedes Gerät empfängt und erzeugt lediglich eine begrenzte Datenmenge. Infolgedessen hat die Unterstützung für hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten in diesem Zusammenhang an Bedeutung verloren.

Typische mMTC-Anwendungen

• Smarthome
• Smart City

Äußerst zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (URLLC)

URLLC-Dienste erfordern eine äußerst niedrige Latenz und eine enorme hohe Zuverlässigkeit. Beispiele hierfür sind Verkehrssicherheit, Fertigungsautomatisierung und automatische Steuerung.

Typische URLLC-Anwendungen

• Industrielle Automatisierung
• Selbstfahrende Fahrzeuge
• E-Health, gefährliche Umgebungen, Rettungseinsätze
• Fahrzeugkommunikation
• Drohnen

In der heutigen 5G-Ära entwickeln sich der Kfz- und der Transportsektor in Richtung intelligente Transportsysteme (ITS), die zahlreiche Vorteile bieten werden, wie erhöhte Sicherheit, reduzierte Verkehrsüberlastung, optimaler Kraftstoffverbrauch und eine positive Auswirkung auf die Umwelt. Die V2X-Kommunikation ist ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung von ITS-Systemen, die es Fahrzeugen ermöglichen, miteinander, mit Fußgängern, der Straßeninfrastruktur und dem Internet zu kommunizieren.

Dutzende Development Kits, Software und Firmenmodulen stehen zur Verfügung, um Design, Entwicklung und auch Projekte mit 5G-Technologie durchzuführen. Farnell hat sich mit vielen verschiedenen Lieferanten zusammengetan, die ein breites Spektrum an industriellen 5G-Bauelementen anbieten, wie z. B. Wireless-Module und Adapter, Antennen, Steckverbinder, Development Kits für HF- und Wireless-Anwendungen, Development Kits für Takt und Timing, IC-Module, Debugger, Emulatoren, JTAG-Tools & Zubehör, Development Kits für Schnittstellenkommunikation, und Development Kits für Anzeigen, um Design, Entwicklung und Projekte mit 5G-Technologie durchzuführen.