RUTRONIK Elektronische Bauelemente GmbH

Welche Türen öffnet der fünfte Mobilfunkstandard in der Industrie – und welche müssen ihm erst noch geöffnet werden?

Bild: iStock, triloks

Infrastruktur, Komponenten und weitere Aspekte 5G – Netzwerk der unbegrenzten Möglichkeiten?

18.02.2021

5G ist längst in aller Munde, inzwischen sind auch erste Netze aufgebaut. Doch welche Vorteile bringt 5G tatsächlich mit sich? Wie wird sich die zellulare Infrastruktur verändern? Und was passiert jetzt mit LTE?

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Um zu beurteilen, ob und wann Unternehmen auf 5G setzen sollten, empfiehlt sich ein Blick auf die drei Kernbereiche von 5G. Da sie auch unterschiedliche Ziele verfolgen, versprechen sie verschiedene Verbesserungen:

  • eMBB (enhanced Mobile BroadBand) ist mit Datenübertragungsraten von bis zu 20 Gbit/s auf digitale Lifestyle-Anwendungen und Anwendungen mit einem hohen Bedarf an Bandbreite zugeschnitten, zum Beispiel HD-Videos sowie Virtual und Augmented Reality. Hier sorgen die Highspeed-Datenraten für ultraschnelles Laden von Internetseiten, das Video-Streaming läuft damit unterbrechungsfrei.

  • mMTC (massive Machine Type Communications) bietet in städtischen Gebieten mit einer sehr hohen Verbindungsdichte von MTC-Geräten eine allgegenwärtige, stabile Netzabdeckung. In der finalen 5G-Entwicklungsstufe soll eine Million solcher Verbindungen pro Quadratkilometer unterstützt werden. Das heißt, unzählige Geräte können in derselben Funkzelle gleichzeitig Daten senden und empfangen, ohne sich gegenseitig zu stören. Damit sind Verbindungsprobleme in einem vollen Stadion oder Festzelt Vergangenheit.

  • uRLLC (ultra-Reliable and Low Latency Communications) liefert mit Latenzzeiten von unter 1 ms die Voraussetzungen für zeitkritische Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit wichtig – wenn nicht entscheidend – ist. Damit werden autonomes Fahren, Car-to-Car- und Car-to-Everything-Kommunikation sowie Predictive Maintenance auf Cloud-Computing-Basis erst möglich.

Neue Infrastruktur für 5G

Die ersten eMBB-5G-Lösungen nach dem 3GPP Release 15 sind bereits auf dem Markt. Die avisierten 20 Gbit/s lassen sich mit den meisten von ihnen jedoch nicht realisieren. Denn auf den bestehenden LTE/Sub-6-GHz-Bändern (Frequency Range 1, FR1) steht in der Regel nicht genug Bandbreite zur Verfügung. Deshalb werden für 5G neue Bänder benötigt: die mmWave Ultra-High-Frequenzbänder von 24 bis 100 GHz (FR2).

Sie erfordern eine komplett neue Mobilfunkinfrastruktur. Denn ein LTE-Funkturm deckt einen Umkreis von mehreren Quadratkilometern ab. Die mmWave-Signale reichen dagegen nur maximal 1 km weit, und zwar nicht wie die LTE-Signale rundherum, sondern explizit nur in einer einzige Richtung.

Dass trotzdem schon so viele Unternehmen ihre 5G-eMBB-Projekte starten, liegt am 5G-Frequenzband n78 (3,3 bis 3,8 GHz). Auf diesem lassen sich private beziehungsweise firmeneigene Mobilfunknetze errichten, sogenannte Campus-Netzwerke. Damit können sich Unternehmen weitestgehend unabhängig machen von Mobilfunkanbietern – und sichern sich bei der Umsetzung der Smart Factory einen entscheidenden Vorsprung.

Long Term Evolution (LTE) macht seinem Namen alle Ehre

Sind mit der Einführung des neuen 5G-NR(New Radio)-Standards die bestehenden LTE-Designs obsolet? Die Sorge kommt nicht von ungefähr, schließlich überschneiden sich viele 5G-FR1-Frequenzbänder mit denen von LTE. Es kann jedoch Entwarnung gegeben werden: Mit Technologien wie DSS (Dynamic Spectrum Sharing) können sich unterschiedliche Standards, zum Beispiel LTE und 5G, dasselbe Frequenzband teilen.

Zudem unterstützt 5G NR auch In-Band LTE IoT – also LTE-M und NB-IoT. Der Name Long Term Evolution wird halten, was er verspricht. Neueste LTE-M- und NB-IoT-Lösungen sind bereits mit Konformität zum 3GPP Release 14 verfügbar. Mit jedem neuen 3GPP Release werden beide Technologien weiterentwickelt, bis sie schließlich – Stand heute mit dem 3GPP Release 16 – zu 5G mMTC werden.

Das bedeutet: LTE-IoT-Geräte, die heute mit LTE-M und NB-IoT arbeiten, können unter 5G NR einfach weiterbetrieben werden. Das gilt sowohl für den Einsatz in reinen 5G-Netzwerken (Stand Alone, SA), bei denen 5G NR auf einem 5G-Kernnetz läuft, als auch für den Einsatz in der None-Stand-Alone-Variante (NSA), bei der 5G NR auf einem 4G/EPC (Evolved Packet Core) Kernnetz läuft.

Somit können nicht nur bestehende LTE- und LTE-IoT-Designs nahtlos unter 5G weiter funken – es wird sogar empfohlen, bereits heute mit einer LTE-M-/NB-IoT-Lösung für mMTC-Anwendungen zu starten, um später den Anschluss nicht zu verlieren.

Komponenten für erste Schritte Richtung 5G

Wer sofort mit 5G starten will, findet bereits entsprechende Komponenten, etwa bei Rutronik: Für die Realisierung von eMBB unterstützt die 5G/LTE-Karte FN980m von Telit als eine der ersten bereits das 5G 3GPP Release 15 mit den Frequenzen Sub-6 FDD und TDD sowie mmWave, LTE, WCDMA und GNSS. Unter 5G lassen sich damit bis zu 5,5 Gbit/s im Downlink und 2,7 Gbit/s im Uplink realisieren, unter 4G immer noch 2,4 Gbit/s Downlink und 211 Mbit/s im Uplink.

Mit dem Standard-Formfaktor M.2 (NGFF) und einem Betriebstemperaturbereich von -40 bis 85 °C eignet sie sich für drahtlose Festnetzzugänge mit hoher Sendeleistung, Firmen-Router und -Gateways, Indoor- und Outdoor-Endgeräte (Customer Premises Equipment, CPE), Videoübertragung und -überwachung. In der Variante FN980 ist die Steckkarte auch als 5G/LTE Sub-6-GHz-Lösung für den Anwender verfügbar.

Speziell für mMTC-Anwendungen hat Telit seine xE310-Familie um das Modul ME310G1 erweitert. Durch Unterstützung des 3GPP Release 14 Cat M1/NB2 mit Power Saving Mode (PSM) und extended Discontinous Reception (eDRX) ermöglicht es IoT-Applikationen mit geringem Energieverbrauch beziehungsweise langer Batterielebensdauer. Es ist ideal für Anwendungen mit Tausenden oder Millionen von IoT-Geräten, bei denen neben Energieeffizienz niedrige Kosten wichtiger sind als High-Speed-Datenübertragung, zum Beispiel medizinische Geräte, Fitnesstracker, Industriesensoren, Smart Meter und ähnliche. Mit einem maximalen Koppelverlust (Maximum Coupling Loss, MCL) von bis zu 15 dB/20 dB bietet das Modul zudem eine höhere Abdeckung und damit eine bessere Durchdringung in Gebäuden als frühere zelluläre LTE-Standards.

Auch Nordic Semiconductor hat mit dem SiP(System in Package)-Modul nRF9160 eine Lösung für LTE-M und NB-IoT (3GPP Release 13) im Programm. Das äußerst kompakte, hochintegrierte SiP ist für den globalen Betrieb vorzertifiziert. Im 10 mm x 16 mm x 1 mm großen Gehäuse bringt es die Applikations-MCU, eine Arm-Cortex-M33-CPU mit den Sicherheitstechnologien Arm TrustZone und Arm CryptoCell, das LTE-Modem, ein RF-Frontend sowie Power Management mit. Für das Asset-Tracking mit exakter Positionsbestimmung gibt es eine Variante mit GPS-Unterstützung. Mit vielen digitalen und analogen Schnittstellen sowie Peripheriegeräten ist das nRF9160 ideal für die Geräteanbindung ans Internet per Mobilfunk, für Logistik- und Asset-Tracking, Smart Metering, Smart City, Wearables oder Medical.

Spezielle Antennen für 5G-Anwendungen

Auch zahlreiche unterschiedliche Antennen für 5G-Applikationen finden sich bereits auf dem Markt, so etwa auch im Rutronik-Portfolio: Mit dem Frequenzspektrum von 698 bis 6.000 MHz eignet sich die Ultrabreitband-Dipolantenne der Serie W3554 von PulseLarsen nicht nur ausschließlich für 5G-Anwendungen, sondern auch für 2G, 3G und 4G sowie für GNSS, WiFi, Bluetooth, Bluetooth Low Energy, Zigbee und die ISM-Bänder 868, 915, 2.400 und 5.000 MHz. Die universelle PCB-Antenne misst nur 30 mm x 120 mm x 0,2 mm.

Die kompakte 5G-SMD-Antenne W3415 von PulseLarsen deckt alle Sub-6-GHz-Bänder (4G und 5G) ab, und das bei einer Größe von nur 40 mm x 7 mm x 3 mm. Mit mehreren Antennen auf einem Board lässt sich durch MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 5G optimal nutzen. Dabei wird eine Antenne als Haupt- und eine als Diversitätsantenne verwendet.

Stromversorgung, Computing und weitere 5G-Aspekte

Für den Aufbau eines eigenen unabhängigen Campus-Netzes gibt es spezielle 5G-Netzteile von FSP. Die robusten Versorgungsquellen eignen sich zur Versorgung von Base-Stations, Access Networks, Data Centers oder einzelner Netzwerkteilnehmer. Durch das erweiterte und überarbeitete Portfolio des Herstellers gehört die Notwendigkeit, Netzteile für 5G-Anwendungen selbst zu entwickeln und zu designen, jetzt der Vergangenheit an.

Auch für die Informationsverarbeitung im Netzwerk kann Rutronik mit Lösungen von Asus, Advantech und Intel kundenspezifische Gesamtlösungskonzepte entwickeln. Sollte das Angebot des Distributors einmal nicht alle Kundenbelange direkt abdecken, kann das Unternehmen als Mitglied der 5G Campus Allianz zudem auf zahlreiche interessante Partnerfirmen zurückgreifen.

Fazit

Für eine globale 5G-Netzabdeckung wird sich die zellulare Infrastruktur stark verändern, vor allem auch durch Campus-Netzwerke. Treibende Kraft für diesen Wandel sind die Verbesserungen durch die 5G-Anwendungsprofile. Wer heute bereits auf LTE baut, braucht vor 5G keine Angst zu haben: LTE wird auch unter 5G Bestand haben.

Bildergalerie

  • Die Datenkarte FN980m ist ideal für Anwendungen mit hohen Datenübertragungsraten.

    Bild: Rutronik

  • Das Modul ME310G1 erlaubt Anwendungen mit Tausenden oder Millionen von IoT-Geräten.

    Bild: Rutronik

  • Trotz sehr kompakter Abmessungen ist das nRF9160 hochintegriert.

    Bild: Nordic Semiconductor

  • Ob 5G, 4G, 3G oder 2G, GNSS, WiFi, Bluetooth und mehr: Die Ultrabreitband-Dipolantenne W3554 von PulseLarsen kann alles.

    Bild: PulseLarsen

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