aus dem Netzwerk Insider Januar 2020
Der 5G-Mobilfunk kann nun auch im Unternehmensumfeld ausgerollt werden, angebunden an lokale Netze. Das lokale 5G-Netz tritt also quasi in Konkurrenz zu WLAN. Zwei Funknetze auf demselben Campus – warum sollten Sie das tun? Aufbau und Betrieb zweier Infrastrukturen ist wahrscheinlich weniger wirtschaftlich als sich auf eine zu beschränken. Sollte man also nicht WLAN gänzlich durch 5G-Mobilfunk ersetzen? 5G-Netze scheinen schließlich die Lösung für alle Probleme dieser Welt zu sein, glaubt man den vollmundigen Versprechungen von Industrie und Providern.
Ich werde mit diesem Artikel versuchen, etwas Licht in das „5G-Dunkel“ zu bringen. Was macht den 5G-Mobilfunk so besonders? Was unterscheidet ihn von bisherigen Mobilfunk-Generationen? Welche technischen „Features“ zeichnen ihn aus, und welchen technischen Aufwand muss man für den Aufbau eines eigenen Mobilfunknetzes treiben? Und – last but not least – wofür ist WLAN nach wie vor die geeignete Lösung?
Abbildung 1: Öffentlicher beweglicher Landfunkdienst (ÖbL)
Abbildung 1 lässt erahnen, dass ein Funkgerät mit allem Zubehör ohne Weiteres in den Kofferraum eines Autos passt. Das war Ende der 1950er Jahre. 1958 wurde das sogenannte A-Netz eröffnet (das „A“ stand meines Wissens zunächst für „Autotelefon“). Es handelte sich um ein analoges Sprechfunkverfahren auf Frequenzen des 2-Meter-Bandes, etwas oberhalb von 150 MHz. Es waren zunächst 17 Frequenzen (Kanäle) dafür reserviert. Sende- und Empfangsfrequenzen eines Kanals lagen 4,5 MHz auseinander, und über eine entsprechende Antennenweiche wurde gleichzeitig gesendet und empfangen (voll-duplex). Für den telefonierenden Autofahrer entsprach das Erlebnis also dem des heimischen Telefons.
Die Vermittlung erfolgte von Hand. Man musste „dem Fräulein vom Amt“ also die anzurufende Telefonnummer diktieren. Umgekehrt musste der Anrufer wissen, in welcher Gegend der A-Netz-Teilnehmer gerade herumfuhr, damit der Anruf zum richtigen Funkmast (Basisstation) weitergeleitet wurde. Es wurde ein Selektivrufverfahren auf Basis von vier parallel ausgesandten Tonfrequenzen implementiert, so dass Anrufe im Fahrzeug signalisiert wurden. In den 70ern führte man zusätzlich eine automatische Kanalwahl ein. Ein elektromechanisches (!) Schrittschaltwerk scannte regelmäßig alle 17 Kanäle und suchte nach empfangbaren Basisstationen. Eine solche Anlage (Bosch OF2-B) landete Ende der 70er Jahre, nachdem das A-Netz endgültig abgeschaltet war, auf meinem Basteltisch, und ich konnte ihre Funktion eingehend studieren.
Die erste Generation des Mobilfunks (1G) war damit geboren. Es folge Anfang der 70er das B-Netz mit bis zu 75 Duplex-Kanälen im 2-Meter-Band. Nun konnten die Teilnehmer, wie vom Festnetz gewohnt, selbst wählen. Das C-Netz wurde ab 1985 eingeführt. Die Geräte wurden tragbar (z.B. Phillips Porty, Siemens C5) und hatten am Ende sogar „Handy-Format“ (Nokia C6). Es handelte sich um ein hybrides Verfahren. Während die Sprache nach wie vor analog übertragen wurde, hatte man erstmals ein digitales Verfahren für die Vermittlung implementiert.
Damit wurde das erste zellulare Netz möglich: Man konnte sich telefonierend von Funkzelle zu Funkzelle bewegen, ohne dass das Gespräch abriss. Angeblich funktionierte das sogar zuverlässiger als beim heutigen Mobilfunk. Umgekehrt konnte man unter seiner Nummer erreicht werden, wo auch immer man sich in Deutschland befand. Und überdies war die Nummer nicht mehr im Telefon selbst gespeichert, sondern auf einer persönlichen C-Netz-Teilnehmerkarte, die man ins Mobiltelefon einsteckte. Es handelte sich um den Vorläufer des Subscriber Identity Module (SIM), das seit der zweiten Generation des Mobilfunks (2G) allgemein bekannt ist.
Der 2G-Mobilfunk war vollständig digital. Sprache wurde wie bei ISDN („ich sehe Deine Nummer“) digital kodiert und übertragen. Nach erfolgreichem Gesprächsaufbau wurde für das Endgerät eine feste Bitrate reserviert, die zur Übertragung der ISDN-Sprachdaten in komprimierter Form genutzt wurden. Es handelt sich um eine leitungsvermittelte Technik, auch wenn das Medium drahtlos ist.
Der 2G zugrunde liegende Standard wurde von der Groupe Spécial Mobile (GSM) in den 80er Jahren entwickelt. Inzwischen steht GSM für das Global System for Mobile Communications. Ab 1990 wurden in Deutschland die D- und E-Netze gemäß GSM-Standard aufgebaut. Das erste D-Netz-Telefon, das ich in den Händen meines Chefs sah, war der „Knochen“ (Motorola International 3200). Aber schon bald schrumpften die Geräte zum „Handy“ (z.B. Siemens S3com, Ericsson T39M [2]).
GSM wurde – neben dem Kurznachrichtendienst (Short Message Service, SMS) – schon bald um die Möglichkeit erweitert, IP-Pakete zu übertragen. Neben der reinen Telefonie konnten nun beispielsweise E-Mails übertragen und Websites abgerufen werden. Es entstanden die ersten Smartphones (z.B. Nokia Communicator). Der damit einhergehende Bedarf nach höherer Bitrate wurde durch die dritte Mobilfunkgeneration zunächst gedeckt.
Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) gründete sich Ende der 90er Jahre und machte GSM zum weltweiten Standard. Gleichzeitig übernahm die International Telecommunications Union – Radiocommunications Sector (ITU-R) die Aufgabe, für eine weltweite Harmonisierung von Mobilfunkfrequenzen zu sorgen und Vorgaben für die Mobilkommunikation zu formulieren (International Mobile Telecommunications, IMT, vgl. [3]).
Die Parallelität zwischen leitungsvermittelter Sprachübertragung und der paketbasierten Übertragung im General Packet Radio Service (GPRS) ist in heutigen Mobilfunknetzen immer noch vorherrschend. Mit anderen Worten: während Sie telefonieren, können Sie weder E-Mails empfangen noch Websites aufrufen. Diese hybride Struktur wird letztlich erst mit der vierten Mobilfunkgeneration überwunden.
4G, oder auch Long Term Evolution (LTE), bringt neben einer weiteren Erhöhung der Bitrate die Möglichkeit der paketvermittelten Telefonie mit sich. Wie in modernen Telefonsystemen üblich, wird Sprache digitalisiert, paketiert und mittels IP übertragen (Voice over IP, VoIP). Entsprechend heißt es hier VoLTE. In der Praxis ist VoLTE noch nicht in allen Mobilfunknetzen implementiert. Sie merken das, wenn Sie im Gebäude über WLAN telefonieren („WLAN Call“ bzw. „Wi-Fi Calling“) und sich dann ins Freie bewegen. Wahrscheinlich reißt Ihr Gespräch dann ab. WLAN Call wurde nämlich ebenfalls in 4G spezifiziert und ist quasi VoLTE über WLAN. Ein nahtloses Handover zum Mobilfunk ist nur möglich, wenn das Mobilfunknetz VoLTE unterstützt. Tut es das nicht, bricht das Gespräch ab und muss anschließend leitungsvermittelt neu aufgebaut werden. Mit anderen Worten, die Telefonie ist in vielen Mobilfunknetzen bis zum heutigen Tag 2G.
Die fünfte Mobilfunkgeneration bringt nun eine weitere Leistungssteigerung. Das Smartphone spricht nun „Gigabit“ – so jedenfalls wird es dem unbedarften Anwender verkauft. Und in der Tat werden die ersten 5G-Netze auch nicht mehr als das können. Dazu später mehr. Die ITU-R jedenfalls hat weitergehende Ideen zum 5G-Mobilfunk und diese in IMT-2020 spezifiziert [3]. Abbildung 2 zeigt eine Grafik daraus, die Sie so oder so ähnlich auch in anderen Publikationen über 5G finden werden. Demnach wird der zukünftige Mobilfunk drei grundsätzliche Anwendungsszenarien unterstützen:
Abbildung 2: Anwendungs-Szenarien für IMT im Jahr 2020 und danach, Quelle: https://www.itu.int/en/ITU-R/Documents/ITU-R-FAQ-IMT.pdf
- Enhanced Mobile Broadband (eMBB): Hierunter versteht man noch schnelleres Internet für Smartphones, als LTE es zu bieten vermag. eMBB ist also im Grunde nichts Neues, und das ist es, was Ihnen heute als „5G“ verkauft wird.
- Massive Machine Type Communications (mMTC): Dieses Szenario zielt auf das Internet der Dinge ab. Bis 50.000 Endgeräte (!) pro Funkzelle sollen unterstützt werden. Diese Endgeräte senden natürlich nur sehr selten und nur geringste Datenmengen. Da man also nur geringe Bitraten benötigt, kann die Übertragung sehr langsam erfolgen, was hohe Reichweiten zur Folge hat. mMTC ist also die Technik, mit der sich die inzwischen sprichwörtliche „letzte Milchkanne“ ans Internet anbinden lässt.
- Ultra-reliable and Low Latency Communications (uRLLC): Darauf schielen alle Unternehmen, die Automatisierungstechnik nutzen oder entwickeln. Endlich soll es mit Mobilfunk möglich werden, Daten mit kürzester Latenz und höchst verlässlich übertragen zu können. Dies ist eine Voraussetzung für Anwendungen in der Industrie-Automation oder auch beim autonomen Fahren, im weitesten Sinne also Anwendungen mit Echtzeitdatenverarbeitung.
Damit diese Szenarien möglich werden, hat das 3GPP im Rahmen der 5G-Standardisierung verschiedene Techniken definiert (bzw. ist noch dabei). Einerseits ist dies eine gegenüber LTE noch einmal verfeinerte Luftschnittstelle, also die Technik, mit der Daten ausgesendet und empfangen werden.
Andererseits ist dies die Struktur des Mobilfunk-Core. Gegenüber der bisherigen Spielart, bei der sich die Core-Komponenten in zentralen Rechenzentren der Provider befinden, wird nun Edge Computing unterstützt, bei dem Core-Komponenten unmittelbar an der Anwendung platziert werden. Damit einher geht eine Trennung von Steuerung („Control Plane“) und Datenfluss („User Plane“).
Abbildung 3: Gruppe von 12 Unterträgern bei 5G, Quelle: ITU-R Recommendation M.2083-0, https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/m/R-REC-M.2083-0-201509I!!PDF-E.pdf
Überdies ist eine vollständige Virtualisierung der Core-Komponenten und von Teilen der Basisstationen vorgesehen – bis hin zu der Möglichkeit, mehrere virtuelle Mobilfunknetze auf derselben physischen Infrastruktur zu betreiben, „Slicing“ genannt. In den folgenden Kapiteln gehe ich näher auf einige dieser Aspekte ein.
Die Luftschnittstelle
5G überträgt Daten mit Hilfe des Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM). Das Verfahren kennen Sie vom WLAN. Ich bezeichne OFDM gerne als die „Parallelschnittstelle des Funks“. Sie erinnern sich noch an die Centronics-Schnittstelle zwischen Computer und Drucker? In dem dicken Kabel gab es 8 parallele Datenleitungen. Eine weitere Leitung („Strobe“) zeigte an, dass gütige Daten zu lesen waren. Mit jedem Strobe wurden also bei der Centronics-Schnittstelle 8 Bits übertragen.
In der Nomenklatur des OFDM bezeichnet man das als ein „Symbol“. Nur dass bei OFDM keine Drähte verwendet werden, sondern nebeneinanderliegende Trägerwellen, hier „Unterträger“ genannt. Dabei ist der Abstand der Unterträger so gewählt, dass der benachbarte Träger genau auf dem ersten Nulldurchgang des durch die digitale Modulation entstandenen Spektrums liegt [5]. Es entsteht ein Spektrum wie in Abbildung 3 gezeigt. Dieser Unterkanalabstand ist der reziproke Wert der Symboldauer. Bei 5G werden ganzzahlige Vielfache von 12 Unterkanälen genutzt. Maximal sind es 3.300 Unterkanäle.
Bei 5G wird (wie übrigens schon bei LTE) eine Symboldauer von 66,7 µs verwendet, entsprechend einem Unterkanal-Abstand von 15 kHz. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Symbolen wird eine Pause von 4,76 µs eingefügt [6], so dass alle 71,4 µs ein Symbol ausgesandt wird. Anders ausgedrückt sind es genau 14 Symbole pro Millisekunde. Diese 14 Symbole werden auch als „Subframe“ bezeichnet. 10 Subframes bilden einen Frame. Ein Frame dauert also 10 Millisekunden. Abbildung 4 stellt diesen Zusammenhang anschaulich dar.
Abbildung 4: Frames, Subframes und Symbole
Gruppen aus 14 Symbolen werden auch als „Slots“ bezeichnet. Das kommt daher, dass normalerweise Sendeberechtigungen an mobile Endgeräte als Vielfache dieser kleinsten Einheit vergeben werden. Ein Endgerät kann also Slots belegen, die ihm von der Basisstation zugewiesen werden. Die Aussagen:
- ein Slot entspricht 14 Symbolen,
- ein Subframe dauert immer 1 Millisekunde
sollten Sie sich einprägen. Die Sache wird nämlich bei 5G noch komplizierter. Es ist vorgesehen, dass auch größere Unterkanalabstände verwendet werden können. Dadurch verringert sich die Symboldauer entsprechend. Tabelle 1 zeigt den Zusammenhang zwischen den unterschiedlichen „Numerologien“: So steht bei 60 kHz Unterkanalabstand nur noch ein Viertel der Unterkanäle zur Verfügung. Stattdessen verfügt nun jeder Subframe über vier Slots. Ein Slot dauert entsprechend nur noch 250 µs. Die Gesamtkapazität des Übertragungssystems bleibt gleich, es verfügt jedoch über eine kürzere Reaktionszeit . Dieser Umstand kommt vor allem Echtzeitanwendungen (d.h. dem Anwendungsszenario uRLLC) zugute.
Tabelle 1: Flexible Numerologien bei 5
Zu allem Überfluss belegt ein Endgerät nicht alle zur Verfügung stehenden Unterkanäle, sondern nur einen Teil davon. So können mehrere Endgeräte gleichzeitig senden oder Daten von der Basisstation empfangen. Dieses Verfahren heißt Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA); es wird bekanntlich auch von Wi-Fi 6 eingesetzt, um die Effizienz zu vergrößern.
Fassen wir die Eigenschaften der Luftschnittstelle von 5G zusammen:
- Es wird ein regelmäßiges Raster von Frames, Subframes und Slots ausgesendet.
- Die Aussendung erfolgt parallel auf vielfachen von 12 Unterkanälen (OFDM).
- Die Dauer der Slots und damit die Anzahl der Unterkanäle ist variabel.
- Die Kommunikation mit einzelnen Endgeräten belegt in der Regel nur einen Teil der Unterkanäle, so dass gleichzeitig mit mehreren Endgeräten kommuniziert werden kann (OFDMA).
Abbildung 5: Resource Grid
Unterkanäle und Slots bzw. Symbole lassen sich in einer Matrix darstellen, dem sogenannten „Resource Grid“ (vgl. Abbildung 5). Diese Darstellungsform werden Sie in den Beschreibungen der physikalischen Schicht bei 5G regelmäßig sehen. Informationen werden in Resource Elements und Resource Blocks geordnet. Bestimmte Resource Blocks, die so genannten „Physical Control Channels“, dienen der Steuerung der Datenübertragung. Hierüber weist die Basisstation dem mobilen Endgerät Resource Blocks zur Datenübertragung zu, die „Physical Uplink Channels“ bzw. „Physical Downlink Channels“.
Es ist sogar möglich, dass eine Basisstation mehrere unterschiedliche Numerologien verwendet. Das Resource Grid bekommt dann eine Form, wie in Abbildung 6 beispielhaft skizziert. Stationen, die größere Datenmengen ohne besondere Anforderungen laden möchten, bekommen Resource Blocks mit einem Slot pro Subframe zugewiesen (unten in Abbildung 6). Stationen, die kurze Antwortzeiten benötigen, erhalten Resource Blocks mit zwei Slots pro Subframe und doppeltem Unterkanalabstand (oben in Abbildung 6).
Jetzt sollten Sie den großen Unterschied zu WLAN erkennen. Bei 5G ist immer noch der Ursprung aus der ISDN-Telefonie im Medienzugangsverfahren zu erahnen. Synchrone Frames immer derselben Länge besitzen inhärente „Quality of Service“. Die zentrale Steuerung jeglichen Medienzugriffs durch die Basisstation setzt solche QoS durch. WLAN muss dagegen in dieser Hinsicht als chaotisch bezeichnet werden. WLAN-Stationen entscheiden selber, wann sie senden wollen. Kollisionen sind an der Tagesordnung. QoS lässt sich dort bekanntlich nur schwer umsetzen.
Abbildung 6: Resource Grid mit verschiedenen Unterkanal-Abständen
So gut durchdacht dieses Medienzugangsverfahren ist, so gut müssen Sie Ihre Anwendungen daran anpassen. Die Zahl der Resource Elements pro Zeiteinheit ist schließlich beschränkt. Es ist also vorab genau auszurechnen, welche Anwendung wie viele Resource Blocks welcher Größe pro Zeiteinheit bekommen soll. Bereits jetzt ist also abzusehen, dass die schöne neue Welt der Echtzeitdatenverarbeitung über 5G ein völlig neues Paradigma bei der Anwendungsentwicklung verlangt. Nicht die Anwendung entscheidet über die erforderliche Infrastruktur, sondern die Infrastruktur weist die Anwendung in ihre Grenzen.
Wenn Sie nun an die eigene Implementierung von 5G-Infrastruktur denken, sollten Sie sich mit den Netzwerkelementen vertraut machen. Hier haben wir auf der einen Seite das Radio Access Network (RAN), das etwa den Access Points samt LAN bei einem WLAN entspricht. Auf der anderen Seite steht der Core, entsprechend einem WLAN-Controller, RADIUS Server und Verzeichnisdienst.
Um eines werden sie bei der Beschäftigung mit Mobilfunk-Infrastruktur nicht herumkommen: Vokabeln lernen! Alles ist in Abkürzungen geschrieben. Ich werde mich bemühen, so wenige wie möglich zu gebrauchen.
Das Radio Access Network
Unter einem Radio Access Network (RAN) versteht man die Summe aller Mobilfunk-Basisstationen. Dazu zählt die Infrastruktur, mit der das RAN mit dem Mobilfunk-Core verbunden ist. Diese Infrastruktur ist grundsätzlich ein IP-fähiges Netzwerk, also ein LAN oder, wie bei den öffentlichen Mobilfunk-Anbietern, ein Weitverkehrsnetz. Die Komponenten eines Mobilfunknetzes unterhalten sich also über IP, das ist beruhigend. Allerdings sind die Protokolle der höheren Schichten andere, als die sonst in lokalen Netzen üblichen. Angefangen beim Stream Control Transmission Protocol (SCTP), eine moderne Variante des allseits bekannten TCP, über das Generic Tunneling Protocol (GTP) bis hin zu zahlreichen Layer-7-Protokollen mit Spezialaufgaben. Zum Glück kennt der Protokollanalysator Wireshark alle diese Protokolle bereits, Trouble Shooting ist also grundsätzlich möglich.
Die Mobilfunk-Basisstation selbst besteht aus mehreren Komponenten:
- Eine Zentraleinheit, meist als Baseband Unit (BBU) bezeichnet: Mit dem Core tauscht die BBU einerseits die Nutzdaten aus, das entsprechende Protokoll heißt Non-Access-Stratum (NAS). Andererseits besteht eine Verbindung zur Control Plane des Core, über die alle Steuerinformationen ausgetauscht werden. Die BBU wickelt sogar einige Vorgänge im Zusammenhang mit der Registrierung oder dem Handover von Endgeräten selbsttätig ab, d.h. ohne dass es hierzu eines Austausches mit der Control Plane des Core bedürfte. Die BBU kann eine oder mehrere Funkzellen bereitstellen.
- Remote Radio Units (RRU) wandeln die Informationen von der Baseband Unit in Radio-Signale um, verstärken sie und senden sie über Antennen aus; und umgekehrt im Empfangsfall. Zwischen BBU und RRU wird Information darüber ausgetauscht, welche Frequenzen und welche Unterträger zu verwenden und wie diese zu modulieren sind [7]. Es handelt sich sozusagen um eine Spezifikation der zu übertragenen bzw. empfangenen Layer-1-Informationen. Dafür verwenden einige Hersteller sogar ein standardisiertes Protokoll, das Common Public Radio Interface (CPRI).
- Zwischen BBU und RRUs werden zuweilen noch sogenannte Radio Hubs oder auch Indoor Radio Units eingefügt. Diese Hubs sind im Grunde Medien-Wandler. Zwischen BBU und Radio Hub besteht eine Glasfaser-Verbindung. Die RRUs sind über Twisted Pairs angebunden und werden über PoE mit Energie versorgt. Ein Radio Hub realisiert im Allgemeinen eine Funkzelle. Es ist meist sogar möglich, mehrere Baseband Units an einen Radio Hub anzuschließen. Dann strahlen die RRUs mehrere Funkzellen parallel aus. Das braucht man unter anderem, wenn man eine Inhouse-Mobilfunkversorgung mit mehreren Providern realisieren möchte, wie in Abbildung 7 angedeutet.
Abbildung 7: Indoor-Mobilfunk mit mehreren Providern
Sie erkennen, dass die gezeigte Dreiteilung der Basisstation gut dafür geeignet ist, auf einer strukturierten Gebäudeverkabelung implementiert zu werden. Die Baseband Unit befindet sich im Rechenzentrum und versorgt mehrere Radio Hubs, die in den Etagenverteilern montiert sind. Die RRUs werden wie WLAN-Access-Points in Flurdecken oder Büros montiert und über Kupfer an die Radio Hubs in den Etagenverteilern angeschlossen.
Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass eine Funkzelle mehreren RRUs umfasst. Das ist anders als bei WLAN, wo jeder Access Point eine eigene Funkzelle bildet. Im Mobilfunk ist es üblich, mehrere Radios auf derselben Frequenz zu betreiben (Gleichwellenbetrieb). Dadurch lässt sich eine homogene Abdeckung größerer Flächen erreichen, ohne dass Gleichkanal-Interferenz auftritt. Es lassen sich sogar zwei Funkzellen auf derselben Frequenz unmittelbar nebeneinander betreiben. Das Radio Access Network koordiniert den Medienzugang der benachbarten Funkzellen so, dass keine Störungen auftreten.
Der Mobilfunk-Core
Hier sind nun die meisten Vokabeln zu lernen. Abbildung 8 zeigt die Funktionen eines Mobilfunknetzes und ihre logische Verknüpfung. Die Core-Funktionen im 5G-Mobilfunk sind als Rechtecke mit abgerundeten Ecken dargestellt. Darin finden sich quadratische Symbole, die mit den Begriffen aus der 4G-Welt bezeichnet sind, so dass ein Vergleich möglich wird. Ich gehe im Folgenden auf diese Funktionen ein.
Die Access & Mobility Function (AMF) stellt die Schnittstelle der Control Plane zwischen Radio Access Network und Core bereit. Alle vom mobilen Endgerät (User Equipment, UE) durchgeführten Aktionen, wie Registrierung, Authentisierung, Verbindungsaufbau und Handover werden vom RAN über die AMF zu den anderen Core-Funktionen signalisiert.
In LTE-Netzwerken werden solche Funktionen in der Mobility Management Engine (MME) realisiert.
Die User Plane Function (UPF) sorgt für die Weiterleitung der Daten zwischen RAN und angeschlossenem Datennetz. Die UPF verhält sich also im Wesentlichen wie ein Router. Sie beherrscht Paket-Weiterleitung und Markierung von QoS-Klassen. Sie verwaltet Warteschlangen und begrenzt deren Bitrate. Daten werden enkapsuliert und dekapsuliert, da sie durch Core und RAN zu tunneln sind.
In LTE-Netzwerken erledigen Packet Data Network Gateway (PGW) und Serving Gateway (SGW) diese Aufgaben.
Die Session Management Function (SMF), wie die Bezeichnung nahelegt, verwaltet „Sitzungen“ der Endgeräte. Sie erledigt wichtige Funktionen im Rahmen des Verbindungsauf- und -abbaus. Eine Aufgabe in diesem Zusammenhang ist die Steuerung des Datenverkehrs der Endgeräte durch die User Plane Function. Die SMF sorgt außerdem für die Durchsetzung von QoS-Regeln in der UPF. Mit anderen Worten, sie teilt der UPF für jede Sitzung mit, wie diese bezüglich QoS zu behandeln ist.
Nicht zuletzt sorgt die SMF dafür, dass den Endgeräten IP-Adressen zugewiesen werden (auf Details gehe ich unten noch ein). Außerdem sorgt sie dafür, dass ARP Requests beantwortet werden, die aus dem angeschlossenen Datennetz an die mobilen Endgeräte gerichtet sind [8].
In LTE-Netzwerken sind solche Funktionen in der Control Plane des Packet Data Network Gateway (PGW) angesiedelt.
Das Unified Data Repository (UDR) ist die zentrale Datenbank der Mobilfunk-Nutzer. Hier sind die Daten der SIM-Karten gespeichert und deren jeweilige Berechtigungen in Bezug auf den Zugang zum Mobilfunknetz. Diese Daten werden von PCF, UDM und AUSF wie unten beschrieben genutzt.
In LTE-Netzwerken gibt es als entsprechende Funktion den Home Subscriber Server (HSS).
Die Policy Control Function (PCF) fragt Anwender-spezifische (eigentlich SIM-Karten-spezifische) Regeln beim UDR ab. Die PCF sorgt dafür, dass andere Core-Funktionen, insbesondere SMF und AMF, diese Regeln kennen und durchsetzen. Solche Regeln beziehen sich z.B. auf QoS oder auf die Reservierung von Resource Blocks der Luftschnittstelle. Die PCF hat außerdem die Aufgabe des „Charging“ inne, also das Sammeln und Bereitstellen von Abrechnungsdaten für die jeweiligen Anwender.
In LTE-Netzwerken wird die PCF als Policy and Charging Rules Function (PCRF) bezeichnet.
Unified Data Management (UDM) und Authentication Server Function (AUSF) sind dafür verantwortlich, Anwender anhand der Daten aus dem UDR zu identifizieren. Zu diesem Zweck nutzen sie unter anderem den Subscriber Permanent Identifier (SUPI). Auf dieser Basis generiert das UDM die Schlüssel, die von der AUSF zur Authentisierung der Endgeräte genutzt werden.
Letztlich stellt die AUSF einen AAA-Server (Authentication, Authorization and Accounting) bereit. So wird er in LTE-Netzwerken bezeichnet.
Die Network Slice Selection Function (NSSF) ordnet Endgeräte dem entsprechenden virtuellen Mobilfunknetz (Slice) zu. Zu diesem Zweck kommuniziert sie beim Verbindungsaufbau mit der AMF. Endgeräte-spezifische Informationen erhält sie aus dem UDM.
Das Slicing ist in der Tat ein bedeutendes Feature in 5G, das es in dieser Form zuvor nicht gab. Es wird dank Slicing möglich, mehrere (virtuelle) Mobilfunknetze auf einer physischen Infrastruktur zu errichten. Möglicherweise hatten die Erfinder des Slicing einen schnellen flächendeckenden Ausbau des 5G-Mobilfunks im Sinn. Man könnte Deutschland z.B. in vier Regionen zwischen den Mobilfunk-Providern aufteilen. Jeder Provider baut ein 5G-Mobilfunknetz exklusiv in seiner Region auf und richtet je einen Slice für sich und die drei anderen Provider darauf ein. Man käme insgesamt mit einem Bruchteil der Kosten und schneller zu einer flächendeckenden Versorgung. Leider scheint das nicht im Sinne der Provider zu sein.
Im Unternehmensumfeld kann Slicing dafür genutzt werden, Mobilfunknetze verschiedener Sicherheitsniveaus bereitzustellen. Die Slices entsprechen dann den verschiedenen SSIDs einer physischen WLAN-Infrastruktur. Für jeden Slice muss es je eine eigene SMF und UPF geben. Das umfasst die Möglichkeit, jede UPF mit einem anderen Segment des Datennetzes, entsprechend einer Sicherheitszone, zu verbinden.
Darüber hinaus wird Slicing als das Unterscheidungsmerkmal zwischen den eingangs beschriebenen drei Anwendungs-Szenarien angesehen. So gibt es bereits vordefinierte Typen von Slices (Slice/Service Type, SST) für die Szenarien eMBB, uRLLC und mMTC.
Abbildung 8: Funktionen in einem 5G-Mobilfunknetz
Selbstverständlich benötigt jedes Mobilfunknetz ein Management und Monitoring. Hierfür gibt es spezielle, hersteller-spezifische Software. Ansonsten können die Komponenten des Netzes durchaus von verschiedenen Herstellern stammen. Die Protokolle – in der Abbildung 8 durch Linien symbolisiert – sind nämlich standardisiert. Und in der Tat stützen sich die Provider seit langem auf mehrere Hersteller. In Labortests prüfen sie zuvor die Interoperabilität der Komponenten.
In der Abbildung 8 erkennen Sie links unten die Komponenten des Radio Access Network (RAN). Hier ist sowohl die LTE- als auch die 5G-Welt berücksichtigt. Der Kleinbuchstabe „e“ steht für „evolved“ und bezeichnet LTE, die Weiterentwicklung der 3G-Netze (UMTS). Es handelt sich um das „evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network“ (eUTRAN) bzw. um den „evolved NodeB“, die Basisstation. Bei 5G ist alles „Next Generation“, also entweder „NG“ oder „g“ [9].
Warum ist es wichtig, beide Welten hier zu nennen? Weil 5G-Mobilfunk derzeit noch nicht für sich alleine („Stand-alone“) funktioniert. Man braucht immer noch LTE dazu („Non Stand-alone“).
5G Stand-alone versus Non Stand-alone
Die Standardisierung von 5G ist ein fortlaufender Prozess. Fertig ist bereits das 3GPP Release 15 („Phase 1“). Auf dieser Basis werden derzeit 5G-Mobilfunkentze aufgebaut. Die Fertigstellung der zweiten Phase (Release 16) wird im Sommer 2020 erwartet, die der dritten 2021. Phase 1 konzentriert sich vor allem auf die Luftschnittstelle. Ein Radio Access Network (RAN) dieser Phase funktioniert mit einem LTE-Core, der per Software um einige Funktionen zu erweitern ist. Auf diese Weise erreichen die Provider “Quick Wins”, können also dem Anwender schnell die hohe Performanz des eMBB zur Verfügung stellen.
Die Control Plane wird also derzeit noch auf Basis eines 4G Core abgewickelt. Es lag nahe, dafür auch die bestehende 4G-Luftschnittstelle zu verwenden. Derzeit benötigt 5G also zwei Funkverbindungen:
- Die 4G-Luftschnittstelle überträgt die Control Plane, steuert also das Endgerät.
- The 5G-Luftschnittstelle überträgt ausschließlich Daten (User Plane).
Diese Variante wird als 5G Non-stand-alone (NSA) bezeichnet. Jede 5G-Funkzelle braucht bei NSA sowohl ein 5G-Radio als auch ein 4G-Radio. Anders ausgedrückt müssen Sie heute pro Funkzelle zwei Baseband Units, zwei Radio Hubs und zwei Sätze von Remote Radio Units installieren, je einen für 5G und für 4G. Das könnte Ihre Installation beträchtlich verteuern. Übrigens unterstützen auch die Chipsätze in derzeit verfügbaren 5G-Endgeräten nur 5G NSA.
Abbildung 9: 5G Non-stand-alone (links) and 5G Stand-alone (rechts)
5G Stand-alone (SA) wird erst mit Phase 2 unterstützt werden. Erst dann sind die entsprechenden Core-Funktionen ausreichend spezifiziert. Mit 5G SA kann ein reiner 5G Core mit einem 5G Radio Access Network aufgebaut werden. LTE wird nicht benötigt. Das setzt entsprechende 5G-Endgeräte voraus. Es steht zu erwarten, dass die Provider im öffentlichen Bereich mit dem Ausrollen von 5G SA erst nach Fertigstellung des Release 17 beginnen werden, also nicht vor 2021.
Übrigens werden auch die schönen neuen Funktionen des 5G-Mobilfunks, insbesondere uRLLC, mMTC und Slicing, erst mit 5G SA umzusetzen sein. Sie können sich also getrost noch Zeit lassen mit der Installation eigener 5G-Umgebungen.
Schlussgedanken
Der 5G-Mobilfunk verspricht die Lösung für viele Aufgaben im Rahmen der „Digitalisierung“ unserer Welt zu sein. Mobilfunk ist nun nicht mehr „nur“ zum Telefonieren, Chatten, Surfen und Anschauen von Videos gut. Viele neue Anwendungen lassen sich denken. Hierbei geht es einerseits um das Internet der Dinge und andererseits um „Echtzeitfähigkeit“, also um eine Unterstützung von Anwendungen der Automatisierungstechnik im weitesten Sinne.
Gerade Letzteres ist grundsätzlich interessant für Unternehmen. 5G-Mobilfunk auf dem eigenen Campus würde solche Anwendungen auch in Fertigung und Logistik ermöglichen. Das in solchen Bereichen meist schon überlastete WLAN kann dies meiner Erfahrung nach nur unzureichend leisten.
Allerdings wird auch auf Ihrem Campus 5G nicht die Lösung für alles sein können. Betrachten Sie nur die zur Verfügung stehende Kapazität. Die Bundesnetzagentur stellt Unternehmen maximal 100 MHz Bandbreite zur Verfügung (Bereich 3700 bis 3800 MHz, siehe [5]). Die Gesamt-Übertragungsrate ist durch die Physik begrenzt. Und für „Echtzeitanwendungen“ ist entsprechende Kapazität freizuhalten. Echtzeitfähig ist ein System immer nur dann, wenn es in der Lage ist, garantiert (!) innerhalb einer vorgegebenen Zeit zu antworten.
Sie werden also eine Rechnung aufmachen und feststellen, dass für Daten-intensive Anwendungen gar kein Platz im 5G-Netz ist. Wie gut, dass WLAN Ihnen im 5-GHz-Band insgesamt 320 MHz und im 2,4-GHz-Band noch einmal 60 MHz nutzbare Bandbreite bereitstellt. Drahtlose Anwendungen der Zukunft werden also beides benötigen, sowohl WLAN als auch 5G.
Bleibt noch die Frage, wie man ein solches Netz sinnvollerweise installiert und betreibt. Die Ausrüster bieten bereits heute grundsätzlich passende Technik an (sieht man einmal von der fehlenden Verfügbarkeit von 5G Stand-alone ab). Die großen Provider besitzen Know-how und Erfahrung mit Mobilfunknetzen. Die Frage wird sein, welche Geschäftsmodelle sie zukünftig für Unternehmen anbieten werden.
Aber inzwischen gibt es auch verschiedene kleinere Dienstleister, die Erfahrungen mit Unternehmensnetzen vorweisen können; „Private LTE“ war bisher unter bestimmten Voraussetzungen auch schon möglich. Und selbstverständlich ist es gut, eigenes Know-how aufzubauen, wenn man ein solches Netz betreiben möchte; man macht sich dann nicht von einem externen Betreiber abhängig, was gerade in der Automatisierungstechnik ein wichtiges Kriterium sein kann.
Letztlich steckt bei der Umstellung von Anwendungen auf 5G der Teufel im Detail – so oder so. Ich gebe Ihnen ein Beispiel: Die Vergabe von IP-Adressen an mobile Endgeräte kann im Mobilfunk auf verschiedene Weisen erfolgen. Zum einen kann man die IP-Adresse als Attribut der SIM-Karte bzw. der auf ihr gespeicherten International Mobile Subscriber Identity (IMSI) im Mobilfunknetz hinterlegen. Zum anderen kann man einen DHCP-Server verwenden, z.B. den sowieso im Unternehmen vorhandenen. Dann aber erfährt der DHCP-Server nie den Hostnamen des Endgeräts, weil – wie oben beschrieben – die Session Management Function (SMF) die DHCP-Anfrage im Namen des Endgeräts stellt. Die SMF kennt aber den im Endgerät eingetragenen Hostnamen nicht, sondern nur die Daten aus dem UDM.
Stellen Sie sich vor, der Hostname würde im Rahmen des Instandhaltungsprozesses benötigt. Grundsätzlich unterstützt 5G auch die Durchführung von DHCP direkt durch das Endgerät. Das muss man aber dem Endgerät erst beibringen; es entspricht nicht dem bisher in Mobilfunknetzen üblichen Vorgehen. Es kann also letztlich sein, dass Sie Ihre Prozesse anpassen müssen.
Und das trifft sicher auch auf die Verwaltung von SIM-Karten zu. Jedes 5G-Endgerät benötigt eine solche. Die Verwaltung und Verteilung von SIM-Karten müssen Sie also in Ihren Prozessen geeignet berücksichtigen. Mal abgesehen davon, dass sich – bisher jedenfalls – SIM-Karten nicht einfach mal eben selbst programmieren lassen.
Mein Fazit: WLAN wird uns noch sehr lange erhalten bleiben, auch in produktionskritischen Anwendungen. 5G-Mobilfunk ist wertvoll für Anwendungen, die bisher mit WLAN nicht oder nur mit Schmerzen zu realisieren waren. Erhalten Sie diesen Wert, indem Sie 5G nicht überfrachten!
Links und Verweise
[1] Freilichtmuseum Hessenpark, https://www.hessenpark.de
[2] Wie schade, dass es derart kleine und unscheinbare Handys heute nicht mehr gibt!
[3] https://www.itu.int/en/ITU-R/Documents/ITU-R-FAQ-IMT.pdf
[4] ITU-R Recommendation M.2083-0, https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/m/R-REC-M.2083-0-201509I!!PDF-E.pdf
[5] Genau genommen ist dies eine Folge des Umstands, dass zur Erzeugung der OFDM eine inverse diskrete Fourier-Transformation verwendet wird.
[6] Bei Reflexionen auf der Übertragungsstrecke würde dasselbe Symbol auf unterschiedlichen Wegen mit unterschiedlichen Laufzeiten zum Empfänger gelangen (Mehrwegeempfang). Zwei benachbarte Symbole könnten sich dann gegenseitig stören (Intersymbol-Interferenz). Dies wird dank der Pause, hier „Cyclic Prefix“ genannt, vermieden. Bei WLAN wird diese Pause im Übrigen als „Guard Interval“ bezeichnet.
[7] Unter anderem die Informationen „I“ (in phase) und „Q“ (quadrature) der Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM)
[8] Eine vergleichbare Funktion (ARP Proxy) kennen Sie wahrscheinlich auch von Ihrem WLAN-Controller.
[9] Wir sind gespannt darauf, welchen Präfix man für 6G auswählen wird.
[10] 3GPP TR 45.820 Version 13.1.0, www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/45_series/45.820/45820-d10.zip
[11] Bundesnetzagentur, https://www.bundesnetzagentur.de/lokalesbreitband
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