5G-Tests

5G NR ist der erste Kommunikationsstandard, der für ein breites Spektrum von Endverbraucher- und Industrieanwendungen konzipiert wurde und den Fokus auf die Systemeffizienz legt.

Die servicebasierte Architektur im 5G-Kernnetz unterstützt eine enorme Systemflexibilität, eine disaggregierte Implementierung, den Zugriff unabhängig von der Funkzugangstechnologie (Radio Access Technology, RAT), Software-basierte Verfahren zur Umsetzung von Cloudification- und Virtualisierungsstrategien sowie neue vertikale Anwendungsfälle. Anders als bei früheren Mobilfunktechnologien basiert das Entwicklungskonzept von 5G nicht nur auf der chronologischen Abfolge der 3GPP Releases. Für die Evolution von 5G ist es vorgesehen, neue Funktionen in Technologie-Untergruppen oder vertikalen Anwendungsfall-Szenarien zu kategorisieren, die im Rahmen der Releases weiterentwickelt werden und in gegenseitiger Abhängigkeit stehen können.

• Mit 3GPP Release 15 wurde die Grundlage für 5G NR als RAT mit einer neuen, flexiblen Numerologie, fortgeschrittener Kanalcodierung und leistungsfähigen Modulationsschemas gelegt. Mit 5G Core (5GC) führte 3GPP ein servicebasiertes Architekturmodell der relevanten Kernnetzfunktionen ein. 5G NR und 5GC bilden als Kerntechnologien die Grundlage für die Entwicklung kommender Releases. Dieses Release adressiert hauptsächlich eMBB-Anwendungsfälle. Es sieht hierfür größere Kanalbandbreiten und erweiterte Trägerbündelungsverfahren vor. Außerdem werden die Frequenzen in den Millimeterwellenbereich ausgedehnt, um die Funkressourcen-Verfügbarkeit zu verbessern. Release 15 wurde im Juni 2019 abgeschlossen („Functional Freeze“).
• 5G Release 16 baute auf den in Release 15 eingeführten Funktionen wie Mobile Broadband auf und zielte auf technologische Verbesserungen und eine Optimierung des Funktionssatzes ab. Release 16 adressierte jedoch hauptsächlich zwei vertikale Märkte, nämlich Automotive und Industrie 4.0, in denen häufig eine niedrige Latenz sowie eine zuverlässige und sichere Kommunikation gefordert sind. Infolgedessen wurden neue Funktionen wie V2X Sidelink, 5G-Positionsbestimmung, 5G in unlizenzierten Bändern (NR-U), DSS und Network Slicing sowie Unterstützung für private 5G-Netze eingeführt. Die Funktionsentwicklung für Release 16 war im Juni 2020 vollendet.
• Die Funktionsentwicklung für 5G Release 17 wurde im Juni 2022 abgeschlossen. Das Release erweiterte und verbesserte die in Release 15 und 16 eingeführten Funktionen und bot außerdem Neuerungen wie den Satellitenzugang über nicht-terrestrische Netze, eine bessere Batterieleistung, die Erweiterung von FR2 sowie die Einführung von RedCap. Mit Release 17 wurde das terrestrische Netz erstmals durch ein satellitengestütztes Netz ergänzt. Durch die Einbindung nicht-terrestrischer Netze (NTN) werden wesentliche Einschränkungen der herkömmlichen 2D-Netze überwunden.
  Diese Entwicklung hin zu einem vereinten 3D-Netz verweist bereits auf die künftige 6G-Technologie. Release 17 hat mit RedCap die Komplexität reduziert und so den Weg für neue Geräteklassen und Dienste geebnet. RedCap schlägt eine Brücke zwischen eMBB und mMTC und unterstützt zukünftig sogar Funktionen für Ambient IoT in Release 19. Darüber hinaus ist die Ausweitung der 5G-Dienste auf neue und zusätzliche Frequenzspektren vorgesehen – insbesondere wird FR2 bis 71 GHz erweitert.
• Release 18 ist das erste Release von 5G-Advanced und markiert damit einen Meilenstein der 5G-Technologie. Es werden verschiedene Verbesserungen bestehender Technologie-Aspekte eingeführt und vorhandene Technologien optimiert. Gleichzeitig umfasst dieses Release revolutionäre Aspekte in Gestalt neuartiger Technologien im Kontext von künstlicher Intelligenz und Extended Reality (XR), die den Grundstein für 6G legen. Es sieht Machine-Learning-Verfahren auf verschiedenen Netzwerkebenen, optimiertes Beamforming/MIMO, präzisere Positionsbestimmungen und eine verbesserte Energieeffizienz vor. Um neue Anwendungsfälle zu erschließen, wurden insbesondere Verbesserungen bei RedCap sowie XR-Anwendungen (Extended Reality) vorgenommen. XR erfordert nicht die Einführung neuer Technologien, sondern die Optimierung bestehender 5G-Technologien, um für solche revolutionären Anwendungsfälle eine ausgezeichnete QoE zu erreichen. Die Nutzung erweiterter RedCap-Funktionen und neuer RedCap-Endgerätekategorien auf Basis von Rel. 18 führt zu einem geringerem Stromverbrauch und geringeren Gerätekosten und ermöglicht neue Anwendungsfälle wie 5G Mission Critical (MCX) oder das Future Railway Communication System (FRMCS). Ein wichtiger Aspekt ist zudem die Einführung von FR2 für NTN. Dadurch wird nicht nur die Satellitenkommunikation über 5G ermöglicht, sondern es werden auch datenintensive NTN-Dienste sowie neue NTN-Gerätekategorien wie VSAT-Systeme für Flugzeuge, Schiffe und Fahrzeuge unterstützt. Die Funktionsentwicklung für Release 18 wurde im Juni 2024 abgeschlossen.
• Release 19, das bis Ende 2025 fertiggestellt sein soll, wird sich in erster Linie auf die Optimierung der Performance und die Erfüllung kritischer Anforderungen in kommerziellen 5G-Netzen konzentrieren. Es wird Massive MIMO mit größeren Antennenarrays unterstützen, die Verbindungs- und Netzwerkleistung verbessern und das Potential von „FR3“ (7 GHz bis 24 GHz) für 5G-Anwendungen untersuchen. Die Nutzung dieses Spektrums ist mit großen Hürden verbunden, da es bereits belegt ist. Um die Übertragung in benachbarten Frequenzbereichen nicht zu stören, muss 5G NR neue Mechanismen einführen, wie etwa Geolokalisierungsdatenbanken, Konzepte zur Leistungsbeschränkung oder parallelen Frequenznutzung (Dynamic Spectrum Sharing) und eine störungsresistente Empfängerarchitektur. In diesem Release werden zudem neue Architekturen für Ambient IoT-Geräte – Geräte ohne Batterie, die Energy Harvesting einsetzen – im Rahmen von 5G-Advanced untersucht. Auch herkömmliche Anwendungsfälle wie Sprache und Video werden in 5G unterstützt. Neue Sprach-Codecs und Protokollszenarien in VoNR optimieren die Sprachqualität durch höhere Sprach-Codec-Datenraten. Es werden aber auch Audio-Codecs mit geringerer Komplexität für einfache maschinenbasierte Audionachrichten eingeführt. Dies soll die Grundlage für neue Dienste bilden, die XR- oder AR-Anwendungen unterstützen und künftigen Innovationen den Weg bereiten.
• Release 20, für das Anfang 2026 der Startschuss fallen soll, nimmt neue Anwendungsfälle ins Visier. Hierfür soll der bestehende Funktionssatz von 5G-Advanced optimiert und erweitert werden. Release 20 sieht jedoch auch ein Study Item zu 6G vor, um die Grundlage zu legen für die 6G-Standardisierung, die Gegenstand der Release 21-Serie werden soll.

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5G NR-Testherausforderungen

Das Testen der 5G New Radio (NR)-Technologie ist aufgrund ihrer Komplexität und des breiten Anwendungsspektrums, das sie unterstützt, mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Zu diesen Herausforderungen gehören:

• Frequenzbereich: 5G NR arbeitet in einem breiten Frequenzspektrum, das auch das Sub-8-GHz- und Millimeterwellenband umfasst.
• Komplexe Signale: 5G NR unterstützt komplexere Modulationsschemas sowie Multiple-Input, Multiple-Output (MIMO)- und Beamforming-Technologien. Die Tests werden dadurch anspruchsvoller und erfordern fortschrittliche Over-the-Air-Lösungen.
• Hohe Datenraten: Das Testen von Spitzendatenraten um 10 Gbps auf der Anwendungsebene stellt keine einfache Aufgabe dar. Die Messgeräte müssen in der Lage sein, hohe Datenraten zu verarbeiten, und Endbenutzeranwendungen für Ende-zu-Ende-Tests unterstützen.
• Massive Machine Type Communications (mMTC): Künftig werden sehr große Gerätezahlen an das Internet der Dinge angebunden sein. Solche Geräte weisen typischerweise eine geringe Komplexität auf und erfordern entsprechend einfache Testlösungen. Mit dem massenweisen Einsatz von IoT-Geräten in potenziell schwer erreichbaren Bereichen werden Ausfallrisiken zu einer enormen Bedrohung, der durch vorherige Tests begegnet werden muss. Neue Anwendungsfälle sind Geräte, die IoT-NTN oder RedCap unterstützen.
• eMBB-Tests: eMBB zielt auf wesentlich höhere Datengeschwindigkeiten und niedrigere Latenzen ab, die eine genaue Verifizierung durch Tests notwendig machen. Auch wenn diese komplexe Aufgabe mit Herausforderungen verbunden ist, muss unbedingt sichergestellt werden, dass sowohl das Netz als auch das Mobilgerät die hohen Leistungserwartungen erfüllen können. Der CMX500 hat in einem wegweisenden Test eine Datenrate von 10 Gbit/sauf IP-Ebene erreicht.

Ihre messtechnischen Herausforderungen mit 5G NR – von Messungen an Komponenten und Chipsätzen bis hin zu fertigen Endgeräten und Basisstationen – sind unsere Motivation zur Einführung innovativer Lösungen für Ihren Erfolg. Bringen Sie Ihre 5G-Produkte mit den Messtechniklösungen von Rohde & Schwarz schneller und zuverlässiger auf den Markt. Rohde & Schwarz betrachtet die große Vielfalt der 5G-Anwendungen und -Anwendungsfälle als Chance und Herausforderung zugleich. Wir entwickeln unsere Testlösungen kontinuierlich weiter, um die neuesten Funktionen und Anforderungen abzudecken. Hierzu gehört beispielsweise ein neues Konzept für NTN-Tests, mit denen ein Paradigmenwechsel verbunden ist, da dem traditionellen Begriff der „Basisstation“ buchstäblich der Boden entzogen wird. Außerdem muss der Systemsimulator jetzt einen bewegten Satelliten mit HF-Artefakten wie Fading, Dopplerverschiebung oder zeitvarianten Verzögerungen emulieren.

Der CMX-lite wurde speziell als Testsystem mit geringer Komplexität und hoher Qualität entwickelt, das optimal auf die limitierten Fähigkeiten von RedCap-Geräten und sämtliche HF- und Protokolltests abgestimmt ist. Diese modulare Plattform lässt sich problemlos zu einem vollausgestatteten 5G-Testsystem aufrüsten. Das multitechnologische Konzept des Systemsimulators unterstützt 5G- und Wi-Fi-Interworking-Tests mit einer einzigen Box. Die Modularität ermöglicht zudem die Erweiterung um zusätzliche Testgeräte, wie etwa einen Audiotester für fortgeschrittene Audio- und Sprachqualitätsmessungen.

Als ein Weltmarkt- und Technologieführer auf allen Gebieten der HF- und Mikrowellenmesstechnik unterstützen wir die Mobilfunktechnik während des gesamten Lebenszyklus mit Lösungen fürs Labor über die Produktion bis hin zu Feldmessungen.

Unsere Testlösungen sind auf komplexe Anwendungsfälle zugeschnitten und berücksichtigen die neuesten Architektur-Innovationen.