5G-Technologie und ihre Anwendungsfälle

In unserem vorherigen Beitrag haben wir darüber gesprochen, wie DevOps im Zentrum von 5G steht. In diesem Folgebeitrag beleuchten wir genauer, warum Communication Service Providers (CSPs) beim Aufbau ihrer 5G-Fähigkeiten einen anderen Ansatz brauchen. Wir betrachten die 5G-Architektur und die damit verbundenen Herausforderungen und gehen auf verschiedene Anwendungsfälle ein, die 5G ermöglicht und die Digital Service Providers (DSPs) nutzen könnten.

Was ist 5G?

5G ist der nächste Entwicklungsschritt der Mobilfunktechnologie. Für Endnutzer verspricht 5G noch höhere Download-Geschwindigkeiten und niedrigere Latenzzeiten. Zum schnellen Vergleich folgen einige Zahlen zu verschiedenen Generationen von Mobilfunknetzen (siehe Quelle.)

Vom Endgerät zum Mobilfunknetz

Wie werden diese Werte erreicht? Im Grunde auf die gleiche Weise wie bisher. Mobilfunkmasten übertragen Funksignale an die Endgeräte und stellen die Verbindung her. Der entscheidende Unterschied bei 5G besteht jedoch darin, dass dies überwiegend in einem höheren Frequenzspektrum erfolgt. Diese neuen Spektren bringen eigene Herausforderungen mit sich: Sie decken deutlich kleinere Bereiche ab und werden leichter durch alltägliche Objekte wie Gebäude oder die natürliche Umgebung blockiert. Um diese Nachteile auszugleichen, wird 5G New Radio (5G NR) als Luftschnittstelle der nächsten Generation eingeführt, um Leistung, Skalierbarkeit und Effizienz heutiger Mobilfunknetze zu verbessern. 5G NR nutzt optimierte OFDM-basierte (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) Wellenformen, Mehrfachzugriff und Dynamic Spectrum Sharing. Die Standardisierungsgremien haben sich noch nicht auf eine einzelne OFDM-Wellenform festgelegt und werden sich voraussichtlich für verschiedene Anwendungsfälle auf mehrere Lösungen einigen.

Die Einführung von Massive MIMO ist ebenfalls ein Kernbestandteil solch schneller 5G-Netze. MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) bezeichnet die Übertragung und den Empfang mehrerer Datensignale über denselben Funkkanal. Traditionell bestehen Antennenkonfigurationen aus zwei bis vier Antennen, für Massive MIMO haben Anbieter jedoch Konfigurationen mit 96 oder sogar 128 Antennen eingeführt. Dadurch lässt sich die Kapazität der Verbindung vervielfachen, ohne zusätzliche Frequenzspektren zu benötigen.

Auf der Seite des Funkzugangs zeigt sich bereits die erste Herausforderung der 5G-Architektur. Die Netzdichte steigt im Vergleich zu früheren Mobilfunkgenerationen deutlich. Branchenschätzungen zufolge könnte sich die Anzahl der Mobilfunkbasisstationen und Antennen um mehr als das Hundertfache erhöhen. Eine solche Anzahl von Netzwerkelementen lässt sich nur dann effizient betreiben und warten, wenn ein End-to-End-Automatisierungssystem vorhanden ist und CSPs sowie Anbieter eng zusammenarbeiten. So können sie entweder die mittlere Bereitstellungszeit oder die mittlere Wiederherstellungszeit verkürzen, damit die Nutzererfahrung bei Ausfällen nicht beeinträchtigt wird. Automatisierung und Zusammenarbeit sind die beiden grundlegenden DevOps-Prinzipien, die zusammen mit den Funknetzen umgesetzt werden müssen.

Multi-access Edge Computing (MEC)

Multi-access Edge Computing, oder weniger präzise Mobile Edge Computing, ist eine Form der Netzwerkarchitektur, die wesentlich zu den Anforderungen von 5G-Netzen an Geschwindigkeit und Latenz beiträgt. MEC ermöglicht es, Cloud Computing und Anwendungen am Rand des Mobilfunknetzes auszuführen. Dadurch verringert sich die physische Distanz zwischen Endgerät und Anwendung oder zwischen zwei Nutzergeräten effektiv. In einem Whitepaper aus dem Jahr 2015 bezeichnet ETSI MEC als eine „Schlüsseltechnologie und ein Architekturkonzept, das die Entwicklung hin zu 5G ermöglicht“. MEC ermöglicht die lokale Ausführung von Anwendungen und damit die Erfassung, Speicherung und Analyse von Daten. Das macht MEC zu einem zentralen Enabler für beispielsweise IoT-Anwendungsfälle.

Die Einführung einer MEC-Architektur stellt CSPs vor weitere Herausforderungen: die Anzahl der MEC-Standorte, die Anzahl der Anwendungsinstanzen und die Gesamtkosten der MEC-Standorte. MEC bringt jedoch nicht nur CSPs Vorteile, sondern auch Public-Cloud-Anbietern. Von AWS, Microsoft, IBM und vielen anderen sehen wir bereits zahlreiche gemeinsame Initiativen, um Public Edge Cloud-Lösungen bereitzustellen.

Hybrid-Cloud-Lösungen könnten CSPs neue Möglichkeiten eröffnen, etwa Cloud Bursting oder neue Verfahren zum Archivieren, Veröffentlichen und Bereitstellen neuer Softwareversionen sowie für Disaster Recovery.

Parallel zu diesen Möglichkeiten müssen CSPs die Herausforderungen einer vielfältigen Cloud-Infrastruktur, der Softwareverteilung und der Bereitstellung an einer deutlich steigenden Anzahl von Standorten bewältigen. Diese Anforderungen unterstreichen erneut die Bedeutung zentraler DevOps-Prinzipien: Automatisierung und kollaborative Ökosysteme, zu denen CSPs, Public-Cloud-Anbieter und Telekommunikationsanbieter beitragen können.

Container! Container überall!

Auch Anwendungen verändern sich mit 5G. Mit der Einführung neuer Architekturen wie MEC müssen sich auch die aggregierten Edge- und Core-Netzwerkelemente verändern. Neben den offensichtlichen architektonischen Anforderungen und standardisierten Funktionen müssen weitere Software-Qualitätsmerkmale wie Betreibbarkeit, Kompatibilität und Wartbarkeit stärker in den Vordergrund rücken. Die große Anzahl an Anwendungen und die hohe Frequenz neuer Services, die von Nutzern digitaler Services vorangetrieben wird, zwingt Telekommunikationsanbieter und CSPs dazu, die bestehenden VNF-Architekturen neu zu bewerten und die Implementierung Cloud-Native Network Functions (CNFs) voranzutreiben. Containerisierung und CNFs sind Teil eines wachsenden Trends, der viele dieser Herausforderungen durch standardisierte Schnittstellen, eine einheitliche Laufzeitumgebung und ein einfacheres Application Lifecycle Management lösen soll. Im Gegenzug bringen Container und CNFs eigene Herausforderungen mit sich. Bereits heute gibt es fragmentierte Infrastrukturumgebungen, wenig ausgereifte Tools beispielsweise für Sicherheit sowie Probleme mit zustandsbehafteten Containern. Auch bei Versions- und Release-Management, Monitoring und Analysen sind in den kommenden Jahren deutliche Verbesserungen nötig.

Wie die Antworten auf eine Umfrage während eines aktuellen Light-Reading-Webinars zeigen, erwartet die große Mehrheit der Befragten, dass bis 2025 die Hälfte ihrer Workloads als Microservices in Containern läuft. Lasst euch jedoch nicht dazu verleiten zu glauben, dass für die Implementierung der Betriebsumgebung und Automatisierung noch reichlich Zeit bleibt: Die Umsetzung solcher Systeme kann leicht Jahre dauern.

Alles dreht sich um Daten

In einem 5G-Netzwerk mit Milliarden erwarteter vernetzter Geräte erzeugt alles Daten – und eine effektive Netzwerkautomatisierung sollte diese nutzen. Von Consumer Data Platforms (CDP) über Network oder Service Operations Center (NOC und SOC), KPIs und Metriken bis hin zu Anwendungsleistungsindikatoren und Logs sollten alle Daten in passend konzipierten Data Lakes gesammelt werden. Diese enorme Datenmenge sollte mithilfe verschiedener Machine-Learning- und sogar AI-Algorithmen operativ genutzt werden. Solche ML- und AI-Lösungen könnten relativ einfache, skriptgesteuerte und ereignisbasierte Netzwerke in wirklich Agile Netzwerke verwandeln, die sich selbst optimieren und reparieren können.

5G-Anwendungsfälle

Laut diesen Berechnungen kommt ein Haushalt mit vier Vielnutzern des Internets mit weniger als 200 Mbit/s Bandbreite aus. Welche Anwendungsfälle erfordern also mehr?

3GPP hat im Rahmen seines SMARTER-Projekts (Study on New Services and Markets Technology Enablers) drei grundlegende Anwendungsfälle definiert: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) und Massive Machine Type Communications (mMTC). Zu den Enabler-Technologien für solche Anwendungsfälle gehören Gigabit LTE (GiLTE), Massive MIMO, Millimeter Wave (mmWave), Technologien zur Spektrumsteilung, MEC, Fixed-Wireless Access und Narrowband IoT.

Enhanced Mobile Broadband (eMBB)

eMBB-Anwendungsfälle sind datenintensiv und benötigen eine hohe Bandbreite. Dazu zählen Cloud- und UHD-/8K-Videostreaming, immersives Gaming (einschließlich AR- und VR-Gaming), Videoanalysen, immersive Event-Erlebnisse und Telemedizin.

Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC)

URLLC- oder Mission-Critical-Control-Anwendungsfälle erfordern extrem niedrige Latenz bei hoher Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Sicherheit. Dazu zählen AR-gestützte Wartung, AR-unterstützter Tourismus, autonome Fahrzeuge oder Vehicle-to-Everything-Anwendungsfälle (V2X), die Automatisierung von Produktionslinien, Remote Operations, Telemedizin und jede Anwendung des Tactile Internet.

Massive Machine Type Communications (mMTC)

mMTC-Anwendungsfälle liegen vor, wenn energiearme Geräte mit geringem Datenvolumen in sehr großer Zahl verbunden werden – etwa in Smart Cities, als Assistenzsysteme für autonome Fahrzeuge, zur Fernsteuerung von Robotern oder im Hafen- und Flughafenbetrieb. Um mMTC vollständig nutzen zu können, muss Narrowband IoT erweitert werden, beispielsweise um Sprachunterstützung, Standortunterstützung, Gerätemobilität und Over-the-Air-Firmware-Updates. Außerdem ist eine effiziente Uplink-Übertragung mit Mehrfachzugriff in Form einer WAN-verwalteten Multi-Hop-Mesh-Architektur erforderlich.

Digitalisierung definiert die Rolle von CSPs neu

„Während Telcos die digitale Transformation durchlaufen, entwickeln sie sich von Communications Services Providers (CSPs) zu Digital Services Providers (DSPs)“, sagt Rainer Kellerhals von Microsoft. Um die Vorteile eines 5G-Netzwerks erfolgreich zu nutzen, müssen CSPs jedoch im Zuge der digitalen Transformation ihre digitalen Services definieren – ebenso wie die Anwendungsfälle, die sie ihren Endnutzern anbieten und monetarisieren möchten. Der eigentliche Business Case von 5G liegt nicht in der neuen Netzwerkarchitektur und den höheren Downloadgeschwindigkeiten für Abonnenten, sondern in digitalen Serviceangeboten, die CSPs von „dummen“ Datenpipelines abheben.

Um dieses Potenzial auszuschöpfen, bieten wir gemeinsam mit den 5G-DevOps- und Design-Teams von Eficode einen moderierten, kollaborativen Service-Design-Workshop an, der Entscheidungsträger aus verschiedenen Geschäftsbereichen zusammenbringt.