Aufbau vom 5G-Netzwerk
- Manfred Preyer
- 2. März 2018
- 19 Min. Lesezeit
Aktualisiert: 1. März
Im Kern besteht ein 5G-Netzwerk aus drei Hauptbereichen: dem Endgerät (z.B. dein Smartphone), dem Zugangsnetz (der "Funkteil") und dem Kernnetz (das "Gehirn" und die "Verwaltung").
Das Besondere an 5G ist, dass es im Vergleich zu Vorgängern (wie 4G/LTE) nicht nur ein einzelnes Netzwerk ist, sondern eine Plattform, die viele verschiedene Dienste gleichzeitig und effizient bereitstellen kann.
Hier sind die wichtigsten Komponenten im Detail:
1. Das 5G-Endgerät - User Equipment:
Das ist alles, was sich mit dem 5G-Netz verbindet:
Mobiltelefone und Smartphones
5G-fähige Laptops, Tablets und Router
IoT-Geräte (Internet of Things) wie Sensoren, Kameras oder vernetzte Autos
2. Das 5G-Zugangsnetz - Radio Access Network - RAN:
Dieser Teil ist für die Funkverbindung verantwortlich. Hier gibt es einen bedeutenden Wandel gegenüber 4G.
Die 5G-Basisstation (gNB - next generation NodeB): Die Basisstation ist der Sendemast. Im Gegensatz zu 4G ist die 5G-Basisstation jedoch oft in zwei logische Einheiten aufgeteilt (disaggregierter Aufbau):
Die Funkeinheit (RU - Radio Unit): Sie ist ganz oben am Mast und wandelt die digitalen Funksignale in analoge Funkwellen um und sendet/empfängt sie. Sie ist so nah wie möglich am Benutzer.
Die verteilte Einheit (DU - Distributed Unit): Sie sitzt etwas weiter unten oder in einem Schaltschrank am Fuß des Masts. Sie kümmert sich um Echtzeit-Aufgaben wie die Terminierung der Funkverbindungen (Scheduling) und Fehlerkorrektur. Sie ist eine Art "vorgezogener" Teil des Kernnetzes, um extrem schnelle Reaktionen zu ermöglichen.
Die zentrale Einheit (CU - Central Unit): Diese kann sich an einem zentraleren Ort befinden und mehrere DUs steuern. Sie übernimmt nicht-zeitkritische Aufgaben und kommuniziert dann mit dem Kernnetz.
Vorteil dieser Aufteilung (Open RAN): Netzbetreiber können Hardware und Software verschiedener Hersteller mischen, was Flexibilität und Kostenersparnis bringt.
Frequenzbänder - 5G nutzt ein breites Spektrum an Frequenzen:
Low-Band (unter 1 GHz): Für große Flächenabdeckung und guten Durchdringung in Gebäuden (z.B. in ländlichen Gebieten).
Mid-Band (1-6 GHz): Der ideale Kompromiss aus Reichweite und Geschwindigkeit. Das ist das Rückgrat vieler 5G-Netze (z.B. um 3,6 GHz).
Millimeterwellen (mmWave, über 24 GHz): Für extrem hohe Kapazitäten und Geschwindigkeiten (Gigabit-Bereich), aber nur auf kurze Distanz und anfällig für Hindernisse. Eher in Stadien, Bahnhöfen oder für Industrieanwendungen.
3. Das 5G-Kernnetz - 5G Core - 5GC:
Das ist die "Zentrale" des Netzes. Es ist im Vergleich zu 4G komplett neu entwickelt und basiert auf einer Cloud-nativen, servicebasierten Architektur (SBA - Service-Based Architecture). Statt großer, monolithischer Hardware-Blöcke gibt es hier viele kleine Software-Funktionen (Network Functions - NFs), die als Mikrodienste in der Cloud laufen und über standardisierte Schnittstellen miteinander reden.
Die wichtigsten Komponenten sind:
AMF - Access and Mobility Management Function: Der erste Ansprechpartner für das Endgerät. Es verwaltet die Verbindung zum Netz, die Mobilität (z.B. wenn du von einer Funkzelle in die nächste wechselst) und ist für die Sicherheit zuständig.
SMF - Session Management Function: Zuständig für die Datenverbindung, die "Session". Sie weist dem Endgerät IP-Adressen zu, verwaltet die Quality of Service (QoS) und steuert den Datenpfad.
UPF - User Plane Function: Das ist das absolute Herzstück für deine Daten. Sie leitet den eigentlichen Internet-Datenverkehr (User Plane) vom Endgerät ins Internet oder in andere Netze weiter. Sie ist der "Router" im 5G-Netz. Ihre Aufgabe kann geografisch nah am Kunden platziert werden (Edge Computing), um extrem geringe Latenzen zu erreichen.
PCF - Policy Control Function: Verwaltet die Richtlinien im Netz, z.B. wer welche Priorität bekommt oder welche Datenrate erlaubt ist.
UDM - Unified Data Management: Die zentrale Datenbank, in der alle Teilnehmerdaten, Profile und Berechtigungen gespeichert sind (ähnlich dem HLR in älteren Netzen).
AUSF - Authentication Server Function: Kümmert sich um die Authentifizierung der Nutzer.
NSSF - Network Slice Selection Function: Eine sehr wichtige 5G-Funktion. Sie entscheidet, welchem "Network Slice" ein Endgerät zugeordnet werden soll.
4. Die Schlüsselkonzepte von 5G:
Network Slicing: Das Netzwerk kann in mehrere logische, voneinander unabhängige Teilnetze (Slices) unterteilt werden. Jeder Slice ist für einen bestimmten Anwendungsfall optimiert. Zum Beispiel:
Slice A - fürs Smartphone: Hohe Bandbreite für Videos.
Slice B - für autonomes Fahren: Extrem niedrige Latenz und hohe Zuverlässigkeit.
Slice C - für Sensoren): Spart Energie und unterstützt Millionen von Geräten mit geringem Datenaufkommen.
Multi-access Edge Computing - MEC: Rechenleistung und Speicher werden nicht mehr nur in einem zentralen Rechenzentrum bereitgestellt, sondern an den Rand des Netzes (zur Basisstation) verlagert. Dadurch werden Daten kürzer übertragen und die Latenz sinkt drastisch – entscheidend für Anwendungen wie Augmented Reality oder Industrieautomation.
Wie ist das 5G Netz aufgebaut?
Im Gegensatz zu 4G, wo die Netzelemente oft große, monolithische Blöcke waren, ist das 5G-Kernnetz wie eine moderne Cloud-Anwendung aufgebaut.
Mikrodienste - Network Functions - NFs: Jede Funktion (wie AMF, SMF, UPF) ist ein eigenständiger Software-Dienst. Sie können unabhängig voneinander skaliert, aktualisiert und gewartet werden.
API-Schnittstellen - Application Programming Interfaces: Diese Dienste reden nicht mehr über fest verdrahtete Punkt-zu-Punkt-Verbindungen miteinander, sondern über standardisierte APIs. Eine NF fragt einfach einen Dienst einer anderen NF an (z.B. "Ich brauche die Teilnehmerdaten für Nutzer X") und bekommt eine Antwort. Das macht das Netz extrem flexibel und erlaubt es Drittanbietern (mit Erlaubnis), auf bestimmte Netzfunktionen zuzugreifen (Stichwort: Network Exposure Function - NEF).
Service Communication Proxy (SCP): Denk dir den SCP als einen intelligenten Vermittler. Anstatt dass jede NF weiß, wo alle anderen sind, fragt sie beim SCP an: "Ich brauche eine Instanz der SMF, die folgende Kriterien erfüllt." Der SCP findet die passende und leitet die Anfrage weiter. Das ist essentiell für ein dynamisches Cloud-Netz.
Wie ist die Datenübertragung technisch umgesetzt?
5G New Radio (NR) ist der Name des neuen Funkzugangsverfahrens. Es ist ein großer Sprung gegenüber 4G.
Flexible Numerology (Die variable Rahmenstruktur): In 4G war der Abstand zwischen den Funkwellen (Subcarrier Spacing) fest bei 15 kHz. 5G kann diesen Abstand variabel einstellen (15 kHz, 30 kHz, 60 kHz, 120 kHz, 240 kHz).
Warum ist das wichtig? Ein größerer Abstand bedeutet kürzere Übertragungszeiten (Slots), was zu extrem niedrigen Latenzen führt (ideal für URLLC - Ultra-Reliable Low Latency Communications). Ein kleinerer Abstand ist robuster und besser für große Reichweiten geeignet (ideal für massive IoT). 5G kann also je nach Bedarf die "Struktur" der Funkwellen anpassen.
Beamforming - Die gezielte Datenübertragung: Frühere Netze sendeten wie eine Glühbirne in alle Richtungen. 5G mit Beamforming ist wie ein Laserpointer. Die Basisstation sendet gebündelte Funkstrahlen (Beams) gezielt zu dem Endgerät. Die Basisstation hat viele kleine Antennen (MIMO - Multiple Input Multiple Output). Durch geschickte Überlagerung der Signale dieser Antennen kann die Basisstation die Richtung des Signals steuern. Das Endgerät führt einen "Beam-Sweep" durch und meldet zurück, welcher Beam am besten ankommt. Das spart Energie, reduziert Störungen und erhöht die Reichweite, besonders bei den hohen mmWave-Frequenzen.
Die Protokollschichten (User Plane) - SDAP (Service Data Adaptation Protocol): Eine neue Schicht direkt über PDCP. Ihre Hauptaufgabe ist die Quality of Service (QoS) Flows zu verwalten. Sie markiert die Datenpakete (z.B. mit einem QFI - QoS Flow Identifier) und stellt sicher, dass ein Datenpaket für ein Video-Streaming (hohe Bandbreite) auch den richtigen Funkkanal bekommt, während ein Paket für einen Notruf (niedrige Latenz, hohe Priorität) einen anderen Kanal bekommt.
Die Protokollschichten (User Plane) - PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio Link Control), MAC (Medium Access Control), PHY (Physical Layer): Diese Schichten gibt es ähnlich auch in 4G, sind aber in 5G optimiert. PDCP kümmert sich um Kompression und Verschlüsselung, RLC um die Sicherstellung der korrekten Reihenfolge von Paketen, MAC um die Terminierung (wer darf wann senden?) und PHY um die eigentliche Signalverarbeitung.
3. Was ist Network Slicing?
Das ist vielleicht das wichtigste wirtschaftliche Konzept von 5G.
eMBB - Enhanced Mobile Broadband: Hier zählt hohe Datenrate (z.B. 1 Gbit/s). Die Latenz ist zweitrangig.
mMTC - Massive Machine Type Communications: Eine Spur für IoT, niedrige Datenrate, niedriger Energieverbrauch.
URLLC - Ultra-Reliable Low-Latency Communications: Eine extra gesicherte Leitung für Rettungsfahrzeuge mit extrem niedriger Latenz (< 1 Millisekunde) und höchster Zuverlässigkeit (99,999%).
Technisch Umgesetzung:
Das Endgerät möchte sich verbinden.
Es sendet bei der ersten Anmeldung eine Anfrage an das Netz, die u.a. einen Network Slice Selection Assistance Information (NSSAI)-Wert enthält. Das ist quasi der "Name" des gewünschten Slices (z.B. "Slice für autonomes Fahren").
Die NSSF (Network Slice Selection Function) im Kernnetz prüft, ob der Nutzer berechtigt ist, diesen Slice zu nutzen.
Wenn ja, werden alle folgenden Netzfunktionen (AMF, SMF, UPF) genau für diesen einen Slice ausgewählt und konfiguriert. Der Datenverkehr dieses Geräts wird dann durch diesen dedizierten, logischen Kanal geleitet.
4. Multi-access Edge Computing (MEC) – Die Verlagerung der Intelligenz
Um die extrem niedrigen Latenzen zu erreichen, müssen die Daten nicht mehr bis ins zentrale Rechenzentrum des Betreibers reisen.
Das Konzept: Rechen- und Speicherkapazität wird an den "Rand" (Edge) des Netzes verlagert – also direkt an die Basisstationen oder an Knotenpunkte in der Nähe.
Ein konkretes Beispiel:
Ein Auto mit Augmented-Reality-Display nähert sich einer Kreuzung.
Die Kreuzung hat Sensoren und Kameras, die Daten an die nächste 5G-Basisstation senden.
In dieser Basisstation (oder direkt daneben) läuft ein MEC-Server. Er empfängt die Sensordaten, berechnet in Echtzeit, ob ein Fußgänger die Straße überquert, und schickt eine Warnung direkt an das Auto.
Der Clou: Die Daten mussten nie ins zentrale Internet oder in eine weit entfernte Cloud. Die gesamte Kommunikation (Sensor -> Basisstation mit MEC -> Auto) findet im lokalen 5G-Netz statt. Das reduziert die Latenz von vielleicht 50 ms (Hin- und Rückweg ins Internet) auf unter 10 ms.
5. Die Schnittstellen im Überblick
Damit all diese Komponenten miteinander kommunizieren können, gibt es standardisierte Schnittstellen (Interfaces). Hier die wichtigsten:
N1: Schnittstelle zwischen Endgerät (UE) und AMF (für die Steuerungsebene).
N2: Schnittstelle zwischen der (zentralen Einheit der) Basisstation (gNB-CU) und dem AMF (für Steuerung).
N3: Schnittstelle zwischen der (verteilten Einheit der) Basisstation (gNB-DU) und der UPF (für die Nutzerdaten). Das ist der "Daten-Autobahnzubringer".
N4: Schnittstelle zwischen SMF und UPF. Hier sagt die SMF der UPF, wie sie mit den Datenpaketen umgehen soll (z.B. "Leite Pakete von Nutzer X ins Internet weiter").
N6: Schnittstelle zwischen der UPF und dem externen Datennetz (dem Internet oder einer Firmen-Cloud). Das ist die "Ausfahrt" ins weltweite Netz.
N8, N10, N12, N13, ...: All diese Schnittstellen verbinden die verschiedenen NFs im Kernnetz miteinander, meist über APIs.
Vertiefung
Jetzt gehen wirin die Tiefe der Tiefe und schauen uns die wirklich spezifischen, hochtechnischen Details an. Wir sprechen über die genauen Protokollabläufe, die Sicherheitsarchitektur, die Unterschiede zwischen SA und NSA, die Feinheiten der Antennentechnik und die Virtualisierung.
1. Der 5G-Standard: Standalone (SA) vs. Non-Standalone (NSA)
Bevor wir tiefer einsteigen, ist es wichtig, die zwei Einführungsphasen von 5G zu verstehen.
Non-Standalone (NSA): Die erste Ausbaustufe. Hier wird das bestehende 4G/LTE-Netz als Anker genutzt. Die Steuerung (Control Plane) läuft über das 4G-Netz, während die Daten (User Plane) bereits über das neue 5G-Netz (für mehr Speed) übertragen werden können. Das war der schnelle Weg, um 5G-Geschwindigkeiten anzubieten, ohne sofort ein komplett neues Kernnetz bauen zu müssen.
Standalone (SA): Der vollwertige 5G-Zustand. Hier wird sowohl die Steuerung als auch die Datenübertragung komplett über das 5G-Netz (5G Core + 5G NR) abgewickelt. Nur im SA-Modus können die revolutionären 5G-Funktionen wie Network Slicing und MEC (Multi-access Edge Computing) richtig genutzt werden, da diese tief im 5G-Kernnetz verankert sind.
2. Detaillierte Protokollabläufe: Die Registrierung eines Geräts
Was passiert eigentlich genau, wenn du dein 5G-Smartphone einschaltest? Ein vereinfachter, aber detaillierter Blick:
Zellsuche und Synchronisation: Das Endgerät (UE) scannt die Frequenzen und findet eine 5G-Basisstation (gNB). Es synchronisiert sich mit dem SSB (Synchronization Signal Block) , einem speziellen, periodisch gesendeten Signal.
Systeminformationen lesen: Die gNB sendet Systeminformationen (SIBs - System Information Blocks). Das UE liest SIB1, um zu erfahren, wie es sich Zugang zum Netz verschaffen kann (Zugangsklassen, Notruffunktionen).
Zufallszugriff (Random Access - RACH Procedure): Das UE sendet eine kurze "Hallo, ich bin da"-Nachricht (PRACH-Preamble) an die gNB. Das ist der erste Kontakt.
Verbindungsaufbau (RRC Setup): Die gNB antwortet und es wird eine RRC (Radio Resource Control) -Verbindung aufgebaut. Das ist quasi die "Verwaltungsleitung" zwischen UE und gNB.
Initiale Registrierung am Kernnetz: Das UE verpackt seine eigentliche Anmeldung in eine RRC-Nachricht und sendet sie an die gNB. Die gNB leitet diese als AN-Nachricht über die N2-Schnittstelle an den AMF (Access and Mobility Management Function) weiter.
Authentifizierung und Sicherheit (Die Sicherheits-Schleife):
Der AMF leitet die Anfrage an den AUSF (Authentication Server Function) und den UDM (Unified Data Management) weiter.
Es wird ein kryptografischer Handshake durchgeführt, basierend auf der SIM-Karte des Nutzers. Ein wichtiger Unterschied zu 4G: 5G unterstützt 5G-AKA (Authentication and Key Agreement) und optional EAP-AKA' (Extensible Authentication Protocol), was eine stärkere gegenseitige Authentifizierung ermöglicht (das Netz authentifiziert sich auch gegenüber dem Gerät).
Es werden Sitzungsschlüssel generiert, um die gesamte weitere Kommunikation zu verschlüsseln.
Kontextaufbau und Slice-Auswahl: Der AMF holt die Teilnehmerdaten vom UDM. Gleichzeitig fragt er bei der NSSF (Network Slice Selection Function) an, welchen Network Slice dieses Gerät nutzen darf. Basierend auf den Berechtigungen des Nutzers und den angefragten Diensten wird ein Slice ausgewählt.
PDU-Session-Aufbau (Die Datenverbindung): Das UE möchte nun eine Datenverbindung (PDU Session - Protocol Data Unit Session) aufbauen.
Der AMF beauftragt die SMF (Session Management Function) damit, eine Session zu erstellen.
Die SMF wählt eine passende UPF (User Plane Function) aus – vielleicht eine ganz in der Nähe (für geringe Latenz) oder eine zentrale (fürs Internet).
Die SMF konfiguriert die UPF über die N4-Schnittstelle (z.B. "Leite alle Pakete mit dieser IP-Adresse ins Internet weiter und wende folgende QoS-Regeln an").
Die SMF informiert den AMF, dass die Datenleitung steht.
Der AMF schickt über die gNB eine Nachricht an das UE: "Du hast jetzt eine Datenverbindung. Hier sind die Details."
Fertig: Das UE kann jetzt Daten senden und empfangen. Die Datenpakete fließen nun direkt über die UPF (über N3 von der gNB zur UPF und N6 von der UPF ins Internet).
3. Die Sicherheitsarchitektur im Detail
5G wurde mit "Security by Design" entwickelt und behebt einige Schwachstellen von 4G.
Verschlüsselung und Integritätsschutz:
In 4G wurde der Teil der Strecke zwischen Basisstation und Kernnetz oft nicht verschlüsselt. In 5G ist die N2- und N3-Schnittstelle (zwischen gNB und Kernnetz) immer verschlüsselt und integritätsgeschützt (IPsec).
Auch die Funkstrecke (UE <-> gNB) ist natürlich verschlüsselt. Neu ist der Integritätsschutz für die User Plane (die eigentlichen Nutzdaten). In 4G war das optional und wurde selten genutzt, da es Rechenleistung kostete. In 5G kann es für bestimmte Slices (z.B. URLLC) zwingend vorgeschrieben werden, um Manipulationen zu verhindern.
Subscriber Identity Protection: In 4G wurde die dauerhafte Identität des Nutzers (IMSI - International Mobile Subscriber Identity) manchmal im Klartext übertragen (IMSI Catcher-Angriffe). 5G führt den SUCI (Subscription Concealed Identifier) ein. Das Gerät verschlüsselt die echte Identität mit einem öffentlichen Schlüssel des Heimatnetzbetreibers. Nur dieser kann sie entschlüsseln. Ein gefälschter Funkmast sieht nur die verschlüsselte Identität.
4. Detaillierte Antennentechnik: Massive MIMO und Beamforming
Wir hatten Beamforming schon angerissen. Schauen wir uns die physikalische Umsetzung an.
Massive MIMO: Eine 5G-Basisstation hat nicht nur 2 oder 4 Antennen, sondern Dutzende oder Hunderte (z.B. 64, 128 Antennen-Elemente). Das nennt man "Massive MIMO".
Wie Beamforming genau funktioniert:
Kanalabschätzung: Das UE sendet regelmäßig bekannte Referenzsignale (Sounding Reference Signals - SRS). Die Basisstation empfängt diese Signale an ihren vielen Antennen.
Berechnung der Gewichte: Aus den winzigen Zeitunterschieden, mit denen das Signal an den verschiedenen Antennen ankommt, kann die Basisstation die genaue Richtung und die Eigenschaften des Funkkanals berechnen (z.B. ob das Signal direkt kommt oder von einem Haus reflektiert wird).
Phasenverschiebung: Wenn die Basisstation nun Daten zurück an das UE senden will, sendet sie das gleiche Signal von jeder Antenne aus, aber mit einer winzigen, berechneten Verzögerung (Phasenverschiebung).
Konstruktive Interferenz: Durch die geschickte Überlagerung dieser vielen leicht verzögerten Signale entsteht genau an der Position des UEs ein starkes, gebündeltes Signal. An anderen Stellen löschen sich die Wellen hingegen aus.
Zusätzlicher Vorteil: Spatial Multiplexing: Wenn die Basisstation die genaue Position von zwei verschiedenen UEs kennt, kann sie mit dem gleichen Zeit- und Frequenzblock gleichzeitig Daten an beide senden. Sie nutzt einfach die unterschiedlichen Richtungen (Beams) als voneinander getrennte Kanäle. Das vervielfacht die Kapazität der Zelle.
5. Virtualisierung und Cloud-Native Prinzipien
Das 5G-Kernnetz ist kein Hardware-Stück mehr, sondern reine Software.
NFV (Network Functions Virtualization) Die Network Functions (AMF, SMF, UPF) laufen als Software auf handelsüblichen Servern (COTS - Commercial Off-The-Shelf) in Rechenzentren.
Containerisierung: Statt in schweren virtuellen Maschinen (VMs) laufen diese Funktionen oft in leichten Containern (z.B. Docker, orchestriert mit Kubernetes). Das erlaubt ein schnelleres Skalieren und Updaten. Ein AMF kann in Sekundenschnelle hochgefahren werden, wenn mehr Nutzer in ein Stadion kommen.
CI/CD (Continuous Integration/Continuous Deployment): Netzbetreiber können neue Funktionen und Updates genauso ausrollen wie Softwarefirmen – automatisiert und ohne große Ausfallzeiten.
6. Quality of Service (QoS) und die 5G QoS Identifier (5QI)
Wie stellt 5G sicher, dass verschiedene Dienste die richtige Behandlung bekommen? Über die QoS Flow.
Jeder Datenverkehr wird einem QoS Flow zugeordnet, der durch einen 5QI (5G QoS Identifier) gekennzeichnet ist. Der 5QI ist ein Index, der auf eine vordefinierte Reihe von Parametern verweist.
Beispiele für 5QI-Werte:
5QI = 1 (Standardisiert für Sprache): Garantierte Datenrate (GBR), niedrige Latenz (100 ms), hohe Priorität.
5QI = 6 (Standardisiert für Internet/Video): Nicht garantierte Datenrate (Non-GBR), mittlere Latenz (300 ms), niedrige Priorität.
5QI = 69 (Standardisiert für V2X (Autokommunikation)): Garantierte Datenrate, extrem niedrige Latenz (50 ms), sehr hohe Priorität.
5QI = 80 (Standardisiert für URLLC): Niedrige Latenz (10 ms), sehr hohe Zuverlässigkeit (Fehlerrate 10^-6).
Wenn ein Datenpaket ankommt, schaut die UPF auf den 5QI und weiß sofort: "Aha, dieses Paket muss sofort und zuverlässig zugestellt werden, während jenes Paket warten kann."
Diese Details zeigen, dass 5G weniger ein einzelner Standard ist, sondern eher eine Plattform, die extrem konfigurierbar ist und eine Brücke zwischen der physischen Welt (Funkwellen, Antennen) und der virtuellen Welt (Cloud, Software, APIs) schlägt.
Jetzt stoßen wir in die letzte Ebene vor: Funkwellen-Ausbreitung, MAC-Layer Scheduling, komplexe Handover-Szenarien, Nicht-terrestrische Netze (NTN) und die Post-Quanten-Kryptographie.
1. Die Physik der Funkwellen: Ausbreitungseffekte im Detail
Funkwellen verhalten sich nicht einfach. In 5G, besonders bei mmWave (Millimeterwellen), muss man diese Effekte genau verstehen, um sie zu kompensieren.
Pfadverlust (Path Loss): Die Signalstärke nimmt mit der Entfernung ab. Bei mmWave ist der Pfadverlust extrem hoch – deshalb braucht es Beamforming.
Penetrationsverlust: Millimeterwellen können Wände kaum durchdringen. Glas mit Metallbeschichtung ist oft undurchdringbar. Deshalb sind Indoor-Lösungen (kleine Femtozellen) so wichtig.
Beugung (Diffraction): Die Fähigkeit einer Welle, sich um Hindernisse zu biegen. Niederfrequente Wellen (Low-Band) beugen sich gut um Häuserecken. Millimeterwellen tun das kaum – sie brauchen freie Sicht (Line of Sight) oder starke Reflexionen.
Reflexion und Streuung: Bei mmWave werden Signale oft von Wänden, Boden oder Fahrzeugen reflektiert. Die Basisstation kann lernen, diese "geisterhaften" Pfade zu nutzen (durch Beamforming). Das Gerät bekommt das Signal dann vielleicht nicht direkt, sondern gespiegelt vom Haus gegenüber. Das nennt man Non-Line-of-Sight (NLOS) Kommunikation.
Doppler-Effekt: Bewegt sich ein Gerät (z.B. ein Auto mit 300 km/h), verschiebt sich die Frequenz des Signals (wie bei einem Krankenwagen, der vorbeifährt). 5G muss das kompensieren. Die flexible Numerology hilft: Größere Subcarrier-Abstände (z.B. 120 kHz) sind robuster gegen den Doppler-Effekt.
2. Der MAC-Layer: Der Dispatcher der Funkzelle
Die Medium Access Control (MAC) -Schicht ist der Verkehrspolizist der Basisstation. Sie entscheidet in Echtzeit, welches Gerät in welchem Bruchteil einer Sekunde senden darf.
Scheduler: Das Herzstück des MAC-Layers. Er muss extrem schnell (jede Millisekunde) komplexe Optimierungsprobleme lösen.
Kanalabhängiges Scheduling: Er fragt ständig: "Wie ist die Kanalqualität bei Nutzer A, B, C?" Nutzer mit guter Kanalqualität bekommen mehr Ressourcen zugewiesen (das maximiert die Gesamtkapazität).
Fairness: Er muss aber auch sicherstellen, dass Nutzer am Rand der Zelle (mit schlechter Verbindung) nicht verhungern. Hier kommen Algorithmen wie Proportional Fair zum Einsatz.
QoS-Awareness: Der Scheduler kennt die 5QI-Werte. Ein URLLC-Paket (z.B. ein Notbremssignal) wird sofort in die nächste freie Sendelücke gequetscht, selbst wenn das bedeutet, dass ein laufendes Video kurz warten muss (Pre-emption).
3. Mobilität: Die Kunst des nahtlosen Übergangs (Handover)
Was passiert, wenn du mit dem Auto auf der Autobahn fährst und von einer Funkzelle in die nächste wechselst?
Messungen: Das Endgerät misst ständig die Signalstärke der eigenen und der benachbarten Basisstationen (sowohl 4G als auch 5G). Es schickt diese Messberichte (Measurement Reports) an seine aktuelle Basisstation.
Die Entscheidung (Handover-Arten):
Xn-Handover (Basisstation zu Basisstation): Wenn die beiden Basisstationen direkt miteinander verbunden sind (über die Xn-Schnittstelle). Die alte gNB entscheidet: "Nutzer X soll zu gNB Y wechseln." Sie schickt eine Anfrage an gNB Y. Wenn die einverstanden ist, bekommt das Endgerät den Befehl zu wechseln. Das ist schnell und effizient.
N2-Handover (über das Kernnetz): Wenn keine direkte Xn-Verbindung besteht (z.B. verschiedene Anbieter oder Regionen). Dann wird der AMF im Kernnetz eingeschaltet. Die alte gNB schickt die Anfrage an den AMF, der sie an die neue gNB weiterleitet. Das ist etwas langsamer.
Die Ausführung: Das Endgerät trennt sich von der alten Zelle und synchronisiert sich mit der neuen. Es macht einen schnellen Random Access in der neuen Zelle und sendet eine "Ich bin da"-Bestätigung. Die alte Zelle leitet zwischenzeitlich noch ankommende Datenpakete an die neue Zelle weiter (Data Forwarding), damit keine Pakete verloren gehen. Das Ziel ist ein Make-Before-Break, also der Aufbau der neuen Verbindung, bevor die alte abbricht.
Nicht-terrestrische Netze (NTN): 5G aus dem All
Das ist einer der neuesten und spannendsten Aspekte des 5G-Standards (ab Release 17).
Szenarien 5G auch über Satelliten bereitzustellen.
Transparente Nutzlast: Der Satellit ist im Prinzip nur ein "Spiegel" im All. Er empfängt das 5G-Signal von einer Bodenstation und reflektiert es zurück auf die Erde. Das Endgerät (z.B. ein spezielles Smartphone) spricht direkt mit dem Satelliten.
Regenerative Nutzlast: Der Satellit hat eine eigene 5G-Basisstation (gNB) an Bord. Er verarbeitet das Signal selbst und leitet es dann weiter. Das ist komplexer, aber leistungsfähiger.
Herausforderungen:
Extreme Entfernung: Ein Satellit in niedriger Umlaufbahn (LEO) ist 500–1000 km entfernt (statt 10 km bei einer terrestrischen Basisstation). Das führt zu einer enormen Latenz (Round-Trip-Time von mehreren 10 ms).
Doppler-Effekt: Satelliten rasen mit ca. 28.000 km/h über den Himmel. Die Frequenzverschiebung (Doppler) ist enorm und muss kompensiert werden.
Große Zellen: Ein Satellit kann eine Fläche von Hunderten Kilometern abdecken. Das Timing im Netz muss dafür angepasst werden.
5G als Ersatz für Kabel in der Industrie mit Time-Sensitive Networking (TSN):
In der Industrie 4.0 sollen Roboter und Maschinen kabellos kommunizieren. Bisher wurden dafür oft drahtgebundene Feldbusse (wie Profinet) verwendet, die eine extrem präzise, vorhersagbare Kommunikation bieten. 5G kann das jetzt mit TSN (Time-Sensitive Networking) emulieren.
Das Prinzip: TSN ist eine Erweiterung von Ethernet, die es erlaubt, Nachrichten mit einer garantierten, extrem niedrigen Latenz (z.B. genau alle 1 ms) zu versenden.
5G als TSN-Brücke: Das 5G-System (bestehend aus Funk und Kernnetz) verhält sich gegenüber der Fabrik wie ein einziger, riesiger TSN-Switch. Es übersetzt die präzisen Timing-Anforderungen der Maschinen in die 5G-interne QoS-Mechanismen.
Grandmaster Clock: Es gibt eine hochpräzise Uhr in der Fabrik. Diese Zeit wird über das 5G-Netz an alle Geräte verteilt und synchronisiert (mit einer Genauigkeit von unter 1 Mikrosekunde). So wissen alle Roboter und die Basisstation ganz genau, wann sie senden müssen, damit der Schweißroboter genau im richtigen Moment den Befehl bekommt.
Post-Quanten-Kryptographie in 5G
Ein zukünftiges Thema (für 5G-Advanced und 6G) ist die Bedrohung durch Quantencomputer. Diese könnten eines Tages die heutigen Verschlüsselungsverfahren (wie RSA) knacken.
Das Problem: Viele der heute verwendeten Public-Key-Verfahren basieren auf mathematischen Problemen, die Quantencomputer (mit Shor's Algorithmus) exponentiell schneller lösen könnten.
Der 5G-Ansatz: Die Standardisierungsgremien arbeiten bereits daran, quantenresistente Algorithmen (auch Post-Quantum Cryptography genannt) in zukünftige Versionen des 5G-Standards zu integrieren. Das betrifft vor allem die Authentifizierung (SUCI-Berechnung) und die Schlüsselvereinbarung zwischen Gerät und Netz. Ziel ist es, die Netze "quantensicher" zu machen, bevor leistungsfähige Quantencomputer zur Bedrohung werden.
Wie 5G versucht Energieeffizienz zu sein?
Trotz der höheren Leistungsfähigkeit ist Energieeffizienz ein großes Designziel.
Schlafmodi (Mikroschlaf): Die Basisstation kann in Millisekundenbruchteilen Komponenten abschalten, wenn keine Daten gesendet werden. In ländlichen Gebieten mit wenig Verkehr kann das viel Energie sparen.
BWP (Bandwidth Part): Ein Endgerät muss nicht ständig das gesamte Frequenzband überwachen. Es kann einen kleinen Teil (Bandwidth Part) zugewiesen bekommen. Wenn es nichts tut, "schläft" es in diesem schmalen Band und verbraucht wenig Strom. Wenn große Datenmengen anfallen, kann die Basisstation es in einen breiteren BWP versetzen.
WUS (Wake-Up Signal): Gerät kann einen speziellen, sehr energiearmen Empfänger haben, der nur auf ein spezielles "Aufwachsignal" von der Basisstation wartet. Der Hauptempfänger bleibt komplett ausgeschaltet, bis dieses Signal kommt.
Z.B. über Integrated Access and Backhaul (IAB), wo eine Basisstation eine andere über Funk mit dem Kernnetz verbindet, oder über D2D (Device-to-Device) Kommunikation (ProSe - Proximity Services), wo Geräte direkt miteinander reden können, ohne den Umweg über die Basisstation.
Themen, die gerade in der Standardisierung diskutiert werden oder den Übergang zu 6G markieren.
1. Integrated Access and Backhaul (IAB) – Die sich selbst vernetzende Basisstation
Stell dir vor, du willst in einem abgelegenen Tal oder auf einem Festivalgelände schnell 5G-Abdeckung schaffen müssten wir normalerweise Glasfaserkabel zu jedem Mast verlegen (teuer und langsam). IAB löst das drahtlos.
Das Konzept: Eine IAB-Basisstation (IAB-Node) hat zwei Funktionen:
1. Access - Sie versorgt ganz normale Endgeräte (UEs) mit 5G.
2. Backhaul: Sie verbindet sich selbst drahtlos mit einer anderen Basisstation, die einen Glasfaseranschluss hat (IAB-Donor).
Die Technik: Die IAB-Node nutzt das gleiche Frequenzspektrum und die gleiche 5G-Technik für beide Aufgaben. Sie muss intelligent multiplexen – also zeitlich oder räumlich trennen, wann sie mit den Endgeräten redet und wann sie ihre Daten zur Donor-Station weiterleitet.
Routing und Topologie: Das Netz wird zu einem sich selbst organisierenden Mesh. Fallen Verbindungen aus oder kommen neue Nodes hinzu, passt sich das Routing automatisch an. Das ist essenziell für flexible, temporäre Netze.
2. D2D (Device-to-Device) Kommunikation und Sidelink
Bisher lief in zellularen Netzen immer alles über die Basisstation. 5G führt den Sidelink ein – eine direkte Kommunikationsschnittstelle zwischen Endgeräten, ohne den Umweg über die Basisstation.
Wie es funktioniert: Zwei Geräte in der Nähe können eine direkte Funkverbindung aufbauen (über den PC5-Referenzpunkt). Die Basisstation kann dabei helfen, die Ressourcen zu verwalten (Mode 1), oder die Geräte koordinieren sich selbst (Mode 2).
Anwendungen:
V2X (Vehicle-to-Everything): Autos tauschen untereinander direkt Daten aus (z.B. "Ich bremse", "Glatteis voraus"). Das ist viel schneller, als wenn jedes Auto erst zur Basisstation funken müsste.
Öffentliche Sicherheit: Wenn die Basisstation bei einer Katastrophe ausfällt, können Retter trotzdem über ihre Geräte direkt miteinander kommunizieren (Public Safety Networks).
Proximity Services (ProSe): Werbefunk in Einkaufszentren oder das Teilen von Dateien mit hoher Geschwindigkeit zwischen zwei Geräten, ohne dass die Daten durchs Internet müssen.
3. Positioning – Hochpräzise Ortung mit 5G
5G kann nicht nur Daten übertragen, sondern auch Geräte viel genauer orten als GPS, vor allem in Innenräumen.
OTDOA (Observed Time Difference of Arrival): Ähnlich wie GPS misst das Endgerät die winzigen Zeitunterschiede, mit denen Signale von verschiedenen Basisstationen ankommen. Daraus lässt sich die Position triangulieren.
Multi-RTT (Round-Trip Time): Die Basisstation misst exakt, wie lange ein Signal zum Gerät und zurück braucht. Das ergibt die Entfernung. Kombiniert mit dem Winkel (Beamforming) ist die Position sehr genau.
Angle of Arrival (AoA) / Angle of Departure (AoD): Dank Massive MIMO kann die Basisstation den genauen Winkel bestimmen, aus dem ein Signal kommt (AoA) oder in den sie ein Signal sendet (AoD).
Genauigkeit: Im Idealfall (Innenräume, viele Basisstationen) sind Genauigkeiten im Zentimeterbereich möglich. Das ist entscheidend für Industrieroboter, automatisierte Lager oder Augmented-Reality-Anwendungen.
4. 5G-Advanced – Der Übergang zu 6G
Die 3GPP-Standardisierungsorganisation arbeitet bereits an Release 18, 19 und 20, die unter dem Namen 5G-Advanced zusammengefasst werden. Das sind die letzten großen Weiterentwicklungen von 5G, bevor 6G kommt.
AI/ML im Netzwerk (Artificial Intelligence / Machine Learning): Das Netz lernt, sich selbst zu optimieren.
Funkressourcen-Management: Eine KI analysiert die Verkehrsmuster in einer Zelle und sagt vorher, wann und wo Engpässe entstehen. Sie kann dann proaktiv Beamforming- Parameter anpassen oder Geräte auf andere Frequenzen umleiten.
Energieeinsparung: Die KI lernt die Schlafgewohnheiten der Nutzer und schaltet Basisstation-Komponenten noch präziser ab.
Mobilitätsoptimierung: Das Netz lernt typische Bewegungsmuster (z.B. Pendlerroute) und bereitet Handover vor, bevor das Gerät sie überhaupt anfordert.
RedCap (Reduced Capability) – 5G für Wearables: Bisher waren 5G-Modems teuer und stromhungrig. RedCap ist ein neuer Gerätetyp für einfache, preiswerte Geräte wie Smartwatches, Fitness-Tracker oder einfache Industrie-Sensoren. Sie nutzen schmalere Bänder (nur 20 MHz), haben weniger Antennen und sparen so extrem Strom und Kosten. Das ist der "5G Lite"-Modus.
Weitere Spektrumserweiterung: 5G-Advanced erschließt neue Frequenzbereiche, insbesondere im Bereich um 7-24 GHz (das sogenannte Upper Mid-Band), das einen guten Kompromiss aus Reichweite und Kapazität bietet. Es wird auch der Weg für den Einsatz in noch höheren Frequenzen (bis 71 GHz) geebnet.
5. Die Xn-Schnittstelle – Das Rückgrat der Basisstation-Kommunikation
Wir haben die Schnittstellen im Kernnetz besprochen, aber die Xn-Schnittstelle zwischen den Basisstationen ist der Schlüssel für viele Funktionen.
Dual Connectivity: Ein Endgerät kann sich gleichzeitig mit zwei Basisstationen verbinden (z.B. einer 4G- und einer 5G-Basisstation oder zwei 5G-Basisstationen). Die Datenströme werden über die Xn-Schnittstelle koordiniert und zusammengeführt (Aggregation). Das erhöht die Datenrate.
Koordiniertes Beamforming: Zwei benachbarte Basisstationen können sich über Xn abstimmen, um sich gegenseitig nicht zu stören. Sie planen ihre Beams gemeinsam.
Inter-Cell Interference Coordination (ICIC): Basisstationen tauschen Informationen über ihre Auslastung aus und können sich gegenseitig bitten, in bestimmten Frequenzbereichen leiser zu senden, um Störungen an den Zellrändern zu minimieren.
6. Lawful Interception und Datenschutz – Die doppelte Herausforderung
Ein oft übersehener, aber extrem komplexer Teil des Standards ist die gesetzliche Überwachung (Lawful Interception, LI).
Die Anforderung: Netzbetreiber sind gesetzlich verpflichtet, Behörden unter bestimmten Umständen Zugriff auf die Kommunikation zu gewähren.
Die Umsetzung in 5G: Das muss sehr präzise und selektiv passieren. Die LI-Funktion ist tief in der Architektur verankert.
Der AMF kann angewiesen werden, die Steuerungsebene eines bestimmten Nutzers zu überwachen.
Die SMF kann die UPF anweisen, Kopien aller Datenpakete eines bestimmten Nutzers an eine spezielle Überwachungsschnittstelle (ADMF - Administration Function) zu senden.
Die Herausforderung besteht darin, dies in Echtzeit, sicher und ohne dass der Nutzer oder der Dienstanbieter es merkt, zu tun – und gleichzeitig den Datenschutz der anderen Nutzer zu wahren. Die Mechanismen dafür sind extrem detailliert im Standard spezifiziert.
7. Die Service-Based Architecture Interface (SBI) – Die Sprache des Netzes
Zum Schluss noch ein Blick auf die "Sprache", die das 5G-Kernnetz spricht. Die Kommunikation zwischen den NFs (AMF, SMF, etc.) erfolgt über die SBI (Service-Based Interface).
HTTP/2: Im Gegensatz zu älteren, proprietären Telekom-Protokollen verwendet 5G Standard-Internet-Protokolle, hauptsächlich HTTP/2. Das ist die gleiche Technologie, die auch moderne Webanwendungen nutzen.
RESTful APIs / OpenAPI: Die Dienste sind als typische REST-APIs definiert. Es gibt eine Serviceproduzent (z.B. UDM, das Teilnehmerdaten anbietet) und einen Servicekonsument (z.B. AMF, der diese Daten braucht). Der Konsument sendet eine HTTP-Anfrage (GET, POST, PUT, DELETE) an den Produzenten.
JSON (JavaScript Object Notation): Die Daten werden nicht mehr in kompakten, binären Telekom-Formaten übertragen, sondern im menschenlesbaren JSON-Format.
Warum das revolutionär ist: Ein Entwickler, der Web-APIs kennt, kann sofort 5G-Netzfunktionen programmieren. Das öffnet das Netz für Innovationen von Drittanbietern und ermöglicht die nahtlose Integration mit Cloud-Plattformen.
Wir haben jetzt die gesamte Kette durchlaufen – von der physikalischen Funkwelle über die komplexe Protokollarchitektur bis hin zur Cloud-nativen Software-Definition und den neuesten Forschungsthemen.