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3-2021

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

5G und IoT Probleme und

5G und IoT Probleme und Lösungen Herausforderungen beim Masseneinsatz von 5G Neue Herausforderungen verlangen nach adaptiven Lösungen, die unterschiedliche Anforderungen ansprechen und sich dabei entsprechend den Marktgegebenheiten weiterentwickeln. Das Zynq UltraScale+ RFSoC DFE (digital frontend) trifft diese Herausforderungen wegen seiner spezifischen Architektur, die mehr Hard-IP Logik als traditionelle Soft-Logik integriert. Das macht sie wettbewerbsfähig in Bezug auf Kosten und Leistung mit kundenspezifischen ASICs. Außerdem erhält sie so ihre Xilinx-spezifische adaptierbare DNA. Steigende Performance und Komplexität der Funksysteme Der Bedarf an größerer Bandbreite in der Funkeinheit (RU, radio unit) entsteht nicht nur durch die höheren Datenraten. Die Netzbetreiber müssen auch die Ansprüche komplexer Funk- Konfigurationen für existierende und künftige Bänder erfüllen. Um diese Anforderungen zu bewältigen, werden die Funkeinheiten so ausgelegt, dass sie die größte verfügbare Momentan- Bandbreite (iBW) unterstützen. Frühe 5G-Sender unterstützten Bandbreiten bis herauf zu 200 MHz. In Zukunft müssen sie bis zu 400 MHz abdecken. Die Auslieferungen von 4G- Equipment werden noch über viele Jahre mit signifikantem Liefervolumen weitergehen. Beim Upgrade auf 5G und bei dessen Einsatz müssen die Netzbetreiber aber weiterhin auch die 4G-Abdeckung bieten. Da die Kapazität der Sendestationen nach der Zahl der Einheiten und deren Gewicht berechnet wird, kann ein Multimode RU für 4G und 5G sowohl die Aufwendungen für CapEx, als auch für OpEx reduzieren. Eine weitere Komplexität von 5G-Funksystemen ist die vertellte oder dezentrale Schnittstelle (distributed unit, DU). Die typischen Aufteilungen sind 7.1, 7.2 und 7.3. Diese dezen- Autor: David Brubaker, Senior Product Line Manager Xilinx www.xilinx.com Bild 1: 5G ermöglicht Innovationen in privaten Netzen 48 hf-praxis 3/2021

5G und IoT Bild 2: 5G bringt neue Geschäftsmodelle, Märkte und Wettbewerbe trale Schnittstelle müssen alle 5G-Funksysteme unterstützen. Unterschiedliche Anwendungsfälle Bei 3G drehte sich alles um die Übertragung von Sprache und SMS. Die Betreiber berechneten minutenweise Zeiteinheiten und die Anzahl der SMS-Meldungen. 4G brachte einen spezifischen Anwendungsfall: die mobile Datenübertragung. Das förderte den Aufschwung der Smartphones und die monatsweise Berechnung von Datenmengen bis zu mehreren GB. 5G ist anders angelegt. Hier gibt es drei Haupt-Einsatzsituationen, wie die Aufmachergrafik sie darstellt: verbesserte breitbandige Mobilkommunikation (Enhanced Mobile Broadband, eMBB), ultra-zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (Ultra-Reliable Low-Latency Communication, URLLC) und durchgehend automatisierte Kommunikation (Massive Machine Type Communication, mMTC). Eine getrennte Optimierung jeder dieser Anwendungsfälle würde zu recht unterschiedlich ausgelegten Lösungen für das Funksystem führen. Doch 5G vereinigt sie in einem gemeinsamen Standard. Heute geht es bei 5G fast ausschließlich um eMBB. Die Netzbetreiber beschleunigen den Ausbau ihrer 5G-Netze, um Kunden für das jeweils schnellste Netz zu gewinnen. Weil URLLC und mMTC konzeptionell neu sind, gibt es noch keine entwickelten Märkte oder ökonomische Gesichtspunkte für ihren Einsatz. Die wichtigste für URLLC propagierte Applikation sind autonome Fahrzeuge. Doch die 5G-Netze werden in diesem Bereich kaum eine signifikante Rolle spielen. Dieser Prozess wird in situ, also mit lokaler Bereitstellung, angelegt sein. Ein zukunftsfähiger Einsatzfall für URLLC ist der Betrieb von Fahrzeugen oder Maschinen in Situationen, die zu gefährlich für bordseitige Steuerung sind, wie im Bergbau oder bei Hilfeleistungen in Katastrophensituationen. Für den mMTC-Einsatzfall werden Größenordnungen von bis zu 1 Million vernetzter Geräte pro Quadratkilometer veranschlagt. Mit Smarthome-Geräten funktioniert WiFi sehr gut, sodass 5G dieses nicht ersetzen dürfte. Der mMTC-Einsatz dürfte größere Bedeutung in industriellen, kommerziellen und behördlichen Anwendungen finden, also in Smart Factories und Smart Cities. Neu entstehende Standards Der 4G- oder LTE-Standard wurde 2009 mit dem Release 9 abgeschlossen und entwickelte sich über die nächsten acht Jahre mit fünf weiteren 3GPP-Releases bis zu 4G LTE Advanced. Die erste und zweite Phase von 5G wurde im Release 15 und 16 definiert. Diese behandeln die Grundzüge von eMBB, mMTC und URLLC. Mittlerweile hat die Arbeit am Release 17 begonnen, und Release 18 ist im Planungsstadium. Der 5G-Standard wird sich somit in den nächsten zehn Jahren entsprechend den Marktgegebenheiten weiter entwickeln. 5G-Markt-Disruption Eine weitere Herausforderung für 5G lässt sich ganz allgemein in der Disruption existierender Märkte konstatieren. Im Rückblick auf den 4G-Markt ist dies sehr einschneidend. 4G hatte nur einen Anwendungsfall, und der Markt setzte sich aus traditionellen Netzbetreibern zusammen, die Daten an Consumer verkauften und ihre Netzinfrastruktur von ebenso traditionellen Hardware-OEMs erwarben. Heute stören die O-RAN Alliance und das Telecom Infra Project die etablierten Geschäftsmodelle, indem sie andersgeartete Lieferanten unterstützen. Disruptiv agierende 5G-Netzbetreiber wie Dish, Rakuten und RJIO fordern damit ihre Peers und die existierenden Operatoren heraus. Bild 3: Das Zynq RFSoC DFE integriert ein komplettes DFE-Subsystem mit Hard IP hf-praxis 3/2021 49

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel