Überblick über das Testen von 5G-Netzen

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Heute fördern wichtige Innovationen wie selbstfahrende Autos das „Internet der Dinge“ (IoT) und die virtuelle Realität (VR), den nächsten Technologiewechsel. So wird 5G eine exponentielle Vergrößerung der Bandbreite und eine entsprechende Verringerung der Latenzzeit ermöglichen, um die zuvor genannten Innovationen zu unterstützen. 

Bei Mobilfunkverbindungen erwarten die Nutzer stets eine maximale Leistung. Mit bis zu 100 Mal höheren Datenraten als bei traditionellen Mobilfunkverbindungen und Latenzzeiten im Bereich von nur 1 Millisekunde übersteigt 5G sogar die Kapazität der aktuell eingesetzten Glasfaserkabel.

Um den erfolgreichen Übergang zu fördern, werden zurzeit 5G-Testverfahren entwickelt und abgestimmt, damit die von den Endnutzern geforderte unterbrechungsfreie 5G-Leistung zur Verfügung gestellt werden kann. Die Prüf- und Messtechnik, Software, Protokolle und Verfahren, die für alle 5G-Bereitstellungsphasen benötigt werden, bilden in ihrer Gesamtheit die Grundlage für die sich entwickelnde 5G-Testtechnologie

Dabei umfasst das Testen von 5G-Netzen mehr als nur die Kontrolle der schnellen Download-Raten, der äußerst kurzen Latenzzeiten und der sehr dichten Netzabdeckung. Kurz gesagt, Ende-zu-Ende-Testlösungen sind die Voraussetzung für die Entwicklung, Bereitstellung und den störungsfreien Betrieb der neuen 5G-Netze. VIAVI gewährleistet eine beispiellose Automatisierung der Testprozesse. In Verbindung mit seiner umfassenden Kompetenz, die vom Labor bis in das Feld reicht, ermöglicht das Unternehmen eine bessere Transparenz, schnellere Markteinführungen und optimierte 5G-Umsatzströme.

Jede große Veränderung erfordert ein entsprechendes Engagement und 5G macht hier keine Ausnahme. Die neuen Architekturelemente von 5G erhöhen die Komplexität sowie die Anforderungen, die an die Testausführung gestellt werden, um dem Innovationsgrad des neuen Mobilfunkstandards 5G New Radio (5G NR) gerecht zu werden. VIAVI ist ein führender Anbieter von 5G-Protokolltests und hat eine lückenlose und vollintegrierte Palette von cloudfähigen Testern, Testlösungen und softwarebasierten Automatisierungsfunktionen für 5G-Netze geschaffen. Die Entwickler und Netzbetreiber sowie deren Partner profitieren von diesem Engagement für die Sicherung der Leistung und Dienste in Form einer erfolgreichen Bereitstellung und nachhaltigen Gewährleistung des störungsfreien 5G-Netzbetriebs. 

In den folgenden Abschnitten erfahren Sie mehr über die Bedeutung von 5G-Tests sowie über die Herausforderungen, die in allen Bereitstellungsphasen der Netze zu bewältigen sind. 

Warum 5G-Tests wichtig sind

5G-Tests sind eine Voraussetzung, um das Leistungspotenzial dieser neuen Mobilfunkgeneration umfassend auszuschöpfen. Die Testlösungen sind in kürzester Zeit an die benötigten komplexen Nutzungsfälle und an die weiterentwickelte Architektur angepasst worden. Hierbei wurden alle Elemente des Kern-, Transport-, Funkzugangs (RAN)- und Glasfasernetzes gleichermaßen berücksichtigt. Dafür war es notwendig gewesen, eine Technologie zur Emulation und Verifikation im 5G-Testlabor zu entwickeln, die sich auf die umfassende Bereitstellung der Netze im Feldeinsatz skalieren ließ.

5G-Glasfasernetze müssen die an das Fronthaul und Backhaul gestellten Anforderungen uneingeschränkt erfüllen, wobei neue Maßstäbe an die Übertragungsgeschwindigkeit, Bandbreite, Zuverlässigkeit und Synchronisation gestellt werden. Gleichzeitig erschweren die Virtualisierung der Netzwerkfunktionen (NFV) und die dezentrale Verarbeitung der Daten am Netzrand (Edge-Computing) eine lückenlose Transparenz. Diese Zusammenführung dynamischer Systemelemente hat zur Folge, dass automatisierte Echtzeit-Plattformen zur Datenerhebung benötigt werden, um die Leistungsparameter von 5G-Netzen zu testen, zu optimieren und die jeweils geplante 5G-Lösung erfolgreich zu implementieren.

New Radio (NR)

5G NR bezeichnet den neuen OFDM-basierten Mobilfunkstandard, der LTE als De-facto-Standard für den Betrieb von 5G ablösen wird. Das 3^rd Generation Partnership Project (3GPP) hat den vorläufigen NR-Standard im Dezember 2017 veröffentlicht. Das NR-Spektrum wird Frequenzen von unter 6 GHz bis 100 GHz umfassen. Ein Großteil dieses breiten Spektrums wird aus nicht mehr genutzten 2G-, 3G- und PCS-Frequenzbändern für den Bereich unter 6 GHz bestehen. Die erste Anwendung, die es zu standardisieren gilt, wird das Mobilfunk-Breitband sein. Zusätzliche Leistungsmerkmale wie Massive Machine-Type Communications (MMTC) und Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC) werden später eingeführt.

5G NR fördert die Einführung neuer 5G-Testkonzepte. Das Beam-Tracking und die Datenerfassung bei den höheren Frequenzen in Verbindung mit der komplexeren Kanalbündelung sind nur mit hoch entwickelter Messtechnik realisierbar. Flexible 5G-RAN-Architekturen führen zu einer exponentiell ansteigenden Anzahl von Testfällen und zu unterschiedlichen Konfigurationen von Glasfasernetzen. Gleichzeitig kommt es durch das Nebeneinander mit 4G im Non-Standalone-Modus (NSA) zu Störungen und Handoff-Problemen, die ebenfalls mit innovativen 5G-Testverfahren emuliert, getestet, überprüft und überwacht werden müssen.  

Millimeter-Wellenlängen

Das ultrahohe Frequenzspektrum, das die vom NR definierte obere Grenze von 100 GHz beinhaltet, wird als Millimeter-Wellenlängenbereich (mmWave) bezeichnet. Große Mengen verfügbarer Bandbreiten von Hunderten MHz bei höheren Frequenzen bedeuten eine höhere Übertragungsrate. Der mmWave-Bereich, der sich von 24 GHz bis 100 GHz erstreckt, spielt eine wichtige Rolle beim Testen und Bereitstellen von 5G. Obwohl die Übertragungsrate höher ist, verkürzt sich die Reichweite deutlich. Zudem beeinträchtigen physische Hindernisse, wie Gebäude und Wände, das Signal, wohingegen niedrigere Frequenzen diese Objekte mühelos durchdringen. Diese höheren Frequenzen und größeren Kanalbandbreiten erfordern Testlösungen mit größeren Dynamikbereichen und besseren Signal-/Rauschabständen (SNR), um die Signale in der Millimeterwelle exakt zu demodulieren.

Massive MIMO

MIMO (Multiple Input, Multiple Output) bezeichnet eine Mehrantennentechnologie, die genutzt werden kann, um die Datenrate (räumliches Multiplexing) zu erhöhen, anstatt die Robustheit zu verbessern. Ein System, das eine viel größere Anzahl von Funkantennen an Mobilfunkmasten zu Gruppen (Arrays) zusammenfasst, wird als Massive MIMO bezeichnet. Bei hohen Frequenzen sind die Funkwellenlängen so kurz, dass ein viel kompakterer Antennen-Array bereits einen Massive-MIMO-Betrieb ermöglicht.

Massive MIMO hilft, einige der mit Millimeter-Wellenlängen verbundenen Nachteile zu überwinden, indem Datenströme parallel übertragen werden sowie das Empfangsgerät in die Lage versetzt wird, diese Ströme wieder zu einer einzelnen Nachricht zusammenzusetzen. Aufgrund der Dichte der Massive-MIMO-Arrays und der fehlenden Anschlussbuchsen können die üblichen leitungsgebundenen Tests jedoch nicht mehr ausgeführt werden, sodass neue Standards für Tests über die Luftschnittstelle (Over-The-Air, OTA) entwickelt wurden.

Bedingt durch diese höheren Anforderungen sind die Synchronisationstests für 5G-MIMO-Arrays in die strengste Testkategorie A+ aufgenommen worden. Der MTS-5800-100G erlaubt, im Rahmen von Tests am Fronthaul-Transport-Netzknoten (FTN) die Synchronisation durch Messung von Durchsatz, Laufzeit und Paketjitter effektiv zu überprüfen.

Beamforming

Eine weitere moderne Technologie, die für erfolgreiche Implementierungen und Tests von 5G als unverzichtbar gilt, ist das Beamforming. Hierbei handelt es sich um eine Methode, bei der ein Algorithmus Mobilfunksignale zu einem gerichteten Strahl fokussiert. Dieses Konzept bietet eine Möglichkeit, physische Hindernisse, die die hochfrequenten Übertragungen stören könnten, zu vermeiden und kann sogar Übertragungen strategisch direkt auf den Endnutzer ausrichten.

Der Einsatz von Massive MIMO wird diese Personalisierung durch die Verbreitung von dynamischen Gruppen aus 256 und mehr einzelnen Antennen fördern. Die Validierung dieser aktiven Antennenkonfigurationen sowie der Kanalleistung erfordert eine innovative Testlösung für 5G-Basisstationen. Der OneAdvisor 800 verifiziert und überwacht die Kanalstabilität, die Modulationsqualität und die Zellen-ID sowohl in kontrollierten Feldversuchen als auch bei großflächigen 5G-Netzeinführungen.

Network-Slicing

Das Konzept des Network-Slicing bezeichnet die intelligente Ausnutzung einzelner Teile des Spektrums in Abhängigkeit vom konkreten Bedarf des einzelnen Gerätes oder der einzelnen Anwendung. Beispielsweise benötigt ein selbstfahrendes Auto für eine sichere Fahrt möglicherweise eine extrem geringe Latenzzeit, während IoT-Anwendungen eine große Anzahl von Geräten umfassen können, die nur einen sehr geringen Durchsatz erfordern. Das Mobilfunknetz kann die Ressourcen intelligent konfigurieren, um den Verkehrsfluss und die Auslastung zu optimieren.

Die Überprüfung der Leistung verschiedener virtueller Elemente des 5G-Netzes unter praktischen Einsatzbedingungen kann durch Tests und Validierungen diverser Nutzungsfälle einzelner Network-Slices im Labor ergänzt werden. So sind Ende-zu-Ende-Lösungen für Tests und Validierungen vom RAN bis zum Core in der Lage, 5G-Kernnetze vollständig zu emulieren und die Auswahl und Funktion des Network-Slice-Knotens zu überprüfen.

Die Infrastruktur von 5G basiert auf einer Kombination aus mmWave, MIMO und Beamforming, die in unserer sich weiter entwickelnden digitalen Welt zugleich das Tor zu einer beeindruckenden Leistungssteigerung öffnet. Die größere Komplexität, die durch diese Innovationen bedingt ist, kann jedoch 5G-Testnetze sowie den gesamten 5G-Testprozess vor erhebliche  Herausforderungen stellen. MIMO bedeutet im Prinzip (viel) mehr Antennen, was die Testlast erhöht, wenn man sicherstellen möchte, dass alle integrierten Antennen voll funktionsfähig sind. Aufgrund der kompakten Architektur und der hohen Packungsdichte sind physische Messanschlüsse für jede einzelne Antenne nicht mehr realisierbar.

Zusätzliche Hürden birgt die Nutzung von mmWave und Beamforming bei ultrahohen Frequenzen. Da diese Frequenzen weitaus stärker durch umgebungsbedingte Ausbreitungsverluste beeinträchtigt werden, sind Over-The-Air(OTA)-Tests möglicherweise weniger gut reproduzierbar und auch komplizierter auszuführen. Da leitungsgebundene Tests ohne separate Anschlüsse jedoch nicht realisierbar sind, werden nun häufigere OTA-Tests benötigt, um aussagekräftige Ergebnisse zur Verfügung zu stellen.

Auch lassen sich die Kanäle bei 5G komplizierter emulieren, da sich die Anzahl der benötigten HF-Kanäle exponentiell erhöht, während bei 3G und 4G lediglich ein linearer Anstieg zu verzeichnen war. Damit die Prüf- und Messtechnik für 5G einsetzbar ist, muss sich die Elektronik rasant weiterentwickeln, um dieser kritischen Anforderung gerecht zu werden. Kreative Lösungen, die den Einsatz von Prüfkammern und anderer kostenintensiver Testelemente weitestgehend vermeiden, ohne den Testumfang und die Genauigkeit zu beeinträchtigen, sollten auf dem Markt weiter untersucht werden.

Die Bereitstellung von 5G ist ein komplexer und anspruchsvoller Prozess, der eine sorgfältige Planung, zahlreiche 5G-Test- und Messzyklen sowie eine anschließende reibungslose praktische Umsetzung erfordert. In jeder einzelnen Phase sind optimierte 5G-Testsysteme die beste Voraussetzung für eine erfolgreiche Bereitstellung. In vielen Fällen werden diese Phasen auch verdichtet werden und sich überlappen.

Phase 1: Verifizieren und Validieren der Technologie

Die robuste Verifizierung und Validierung (V&V) ist eine Voraussetzung für die erfolgreiche Einführung von 5G-Netzen. Diese Phase umfasst das Verifizieren virtualisierter Netzwerkfunktionen und Netzwerkdienste, um deren sofortige Qualität und Zuverlässigkeit nach Inbetriebnahme des Netzwerks zu garantieren.

Benötigt werden skalierbare 5G-Testsysteme mit integrierten Datendiensten, um die Gesamtleistung des Netzwerks zu ermitteln und in 5G-Felderprobungen das tatsächliche Nutzerverhalten zu simulieren. Eine weitere unverzichtbare Komponente von 5G V&V zum Emulieren und Messen von Millionen von Datenströmen ist eine Software, die die Last-/Kapazitätstests und Ermittlung von Referenzwerten (Benchmarking) verbessern kann.

 

Phase 2: Bereitstellen, Aktivieren und Skalieren

Für die eigentliche Inbetriebnahme von 5G wird eine zuverlässige Mess- und Prüftechnik benötigt, die die Aktivierung und Skalierung des Netzwerks erst ermöglicht. Analysatoren für Basisstationen, die das Spektrum und die Interferenzen von 5G-Signalen im Millimeter-Wellenlängenbereich analysieren, spielen in dieser Bereitstellungsphase eine wichtige Rolle. Software zum Überwachen und Sichern der Netzwerkleistung sowie zum Verifizieren von Dienstgütevereinbarungen (SLA) kann die Aktvierung, Leistungsüberwachung und Fehlerdiagnose von 5G verbessern.

Zudem haben moderne Glasfaser-Tests mit der Einführung von 5G nichts an ihrer Bedeutung eingebüßt. So ist es beispielsweise möglich, zentrale Funkzugangsnetze (C-RAN) über Glasfaserkabelstrecken gemeinsam an den Standorten von Basisbandmodulen (BBU) in großer Entfernung zu den Antennen zu positionieren. Auch kann die C-RAN-Architektur helfen, die Funkressourcen in Echtzeit zu koordinieren.

Phase 3: Sichern, Optimieren, Verwerten

5G-Netzwerke bieten grenzenlose Möglichkeiten der finanziellen Verwertung (Monetarisierung). Zudem geht es bei 5G nicht nur um die Neustrukturierung von Netzwerken, sondern auch von Geschäftsabläufen. Abo-Gebühren für ultraschnelles Mobilfunk-Breitband, mobile HD-Videos, VR-Spiele, Medien-Streaming und breitgefächerte IoT-Anwendungen stehen für einige wenige der neuen Umsatzströme.

Alle diese Anwendungen erfordern jedoch eine herausragende Erlebnisqualität (QoE) des Kunden, um am Markt bestehen zu können. Eine Plattform zur Echtzeit-Datenerhebung, die über den gesamten Netzwerk-Lebenszyklus hinweg mit virtuellen Agenten verbunden ist, bietet eine effektive Möglichkeit, die Herausforderungen der 5G-Verkehrsdichte direkt zu bewältigen und dadurch die QoE dauerhaft zu sichern und zu optimieren.

Erfahren Sie mehr über die Optionen zur Bereitstellung von 5G.

Obgleich das 3GPP-Projekt den vorläufigen Standard für 5G NR bereits veröffentlicht hat, gibt es noch viele Bereiche, die einer genaueren Abstimmung bedürfen. Das Release von 2017 hat sich mit dem Non-Standalone(NSA)-Modus befasst, wobei die einzelnen Spezifikationen des 5G-Standalone(SA)-Modus noch ausgearbeitet werden müssen, da bisher keine Einigkeit über die LTE-Abdeckung als Basistechnologie erzielt wurde.

Letztendlich ist die Standardisierung die Voraussetzung, um präzise 5G-Testmodelle zu entwickeln, die wiederum einheitlichere Testverfahren ermöglichen. Da der LTE-Standard heute weltweit für Telefone und andere Mobilgeräte anerkannt ist, sollte man bei den besten Testverfahren für 5G eine ähnliche Entwicklung erwarten.

Angesichts des sehr großen Frequenzbereichs und der bandbreitenintensiven Dienste der 5G-Technologie werden sich auch diese besten Testverfahren mit der Technologie, den Tools und den Anwendungen weiterentwickeln.

Führender Anbieter von 5G-Testlösungen

Die technologischen Fortschritte, die 5G erst möglich machen, galten einst als reine Science-Fiction. Selbstfahrende Autos, VR-Spiele, die „Smart City“ und das IoT sind nur einige wenige der futuristischen Innovationen, die einen erheblichen Vorsprung haben, da sie bereits die große Bandbreite und die kurzen Latenzzeiten der 5G-Technologie ausnutzen. Wie bei allen funktionellen Verbesserungen wird das grenzenlose Potenzial von 5G eine große Kreativität freisetzen und einen kontinuierlichen Strom neuer Anwendungen zur Folge haben.

Diese innovative Energie wird sicherstellen, dass 5G-Netze mit dem weiteren Übergang zum Standalone-Modus (SA) kontinuierlich weiter eingeführt werden.  Die vor uns liegenden Herausforderungen bedeuten, dass die Nachfrage nach innovativer und wirtschaftlicher 5G-Messtechnik unvermindert anhalten wird.

Seit 2013 fördert VIAVI die Einführung von 5G. Hierbei arbeitet das Unternehmen mit den weltweit größten Kommunikationsanbietern und Netzausrüstern zusammen, um seinen Kunden Jahr für Jahr branchenführende Lösungen zur Verfügung stellen zu können.  Sein umfassendes Portfolio an 5G-Testern unterstützt alle Phasen der 5G-Bereitstellung. Dabei ist es flexibel an alle Aspekte der 5G-Architektur anpassbar, um unter allen Einsatzbedingungen die geforderte Qualität und Leistung sicherzustellen. In dieser Hinsicht unterscheidet sich VIAVI von anderen Anbietern von 5G-Tests. Diese leistungsstarken und doch vielseitigen Testlösungen werden auch künftig die größte technologische Revolution des 21. Jahrhunderts im Hintergrund begleiten.