5g Introduction

Nokia Networks

Introduction to 5G Student Guide TM5136-01A-5GR  

2

Introduction to 5G

 

This page is left blank for your notes. ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... © Nokia Solutions and Networks. All rights reserved. ...................................................................................................................................... ......................................................................................................................................

  Legal Notice

Legal Notice Intellectual Property Rights All copyrights and intellectual property rights for Nokia Solutions and Networks training documentation, product  documentation  and  slide  presentation  material,  all  of  which  are  forthwith  known  as  Nokia Solutions and Networks training material, are the exclusive property of Nokia Solutions and Networks. Nokia  Solutions  and  Networks  owns  the  rights  to  copying,  modification,  translation,  adaptation  or derivatives including any improvements or developments. Nokia Solutions and Networks has the sole right to copy, distribute, amend, modify, develop, license, sublicense, sell, transfer and assign the Nokia Solutions  and  Networks  training  material.  Individuals  can  use  the  Nokia  Solutions  and  Networks training  material  for  their  own  personal  self-development  only,  those  same  individuals  cannot subsequently pass on that same Intellectual Property to others without the prior written agreement of Nokia  Solutions  and  Networks.  The  Nokia  Solutions  and  Networks  training  material  cannot  be  used outside of an agreed Nokia Solutions and Networks training session for development of groups without the prior written agreement of Nokia Solutions and Networks. Indemnity The  information  in  this  document  is  subject  to  change  without  notice  and  describes  only  the  product defined  in  the  introduction  of  this  documentation.  This  document  is  intended  for  the  use  of  Nokia Solutions and Networks customers only for the purposes of the agreement under which the document is submitted, and no part of it may be used, reproduced, modified or transmitted in any form or means without  the  prior  written  permission  of  Nokia  Solutions  and  Networks.  The  document  has  been prepared  to  be  used  by  professional  and  properly  trained  personnel,  and  the  customer  assumes  full responsibility  when  using  it.  Nokia  Solutions  and  Networks  welcomes  customer  comments  as  part  of the process of continuous development and improvement of the documentation. The  information  or  statements  given  in  this  document  concerning  the  suitability,  capacity,  or performance of the mentioned hardware or software products are given “as is” and all liability arising in connection  with  such  hardware  or  software  products   shall  be  defined  conclusively  in  a  separate agreement  between  Nokia  Solutions  and  Networks  and  the  customer.  However,  Nokia  Solutions  and Networks has made all reasonable efforts to ensure that the instructions contained in the document are adequate  and  free  of  material  errors  and  omissions.  Nokia  Solutions  and  Networks  will,  if  deemed necessary  by  Nokia  Solutions  and  Networks,  explain  issues  which  may  not  be  covered  by  the document. Nokia Solutions and Networks will correct errors in the document as soon as possible. IN NO EVENT WILL  NOKIA  SOLUTIONS  AND  NETRORKS  BE  LIABLE   FOR  ERRORS  IN  THIS  DOCUMENT  OR FOR  ANY  DAMAGES,  INCLUDING  BUT  NOT  LIMITED  TO  SPECIAL,  DIRECT,  INDIRECT,  INCIDENTAL  OR  CONSEQUENTIAL  OR  ANY  MONETARY  LOSSES,SUCH  AS  BUT  NOT  LIMITED TO  LOSS  OF  PROFIT,  REVENUE,  BUSINESS  INTERRUPTION,  BUSINESS  OPPORTUNITY  OR DATA,THAT MAY ARISE FROM THE USE OF THIS DOCUMENT OR THE INFORMATION IN IT. This  document  and  the  product  it  describes  are  considered  protected  by  copyrights  and  other intellectual property rights according to the applicable laws. Nokia is a registered trademark of Nokia Corporation. Other product names mentioned in this document may be trademarks of their respective owners, and they are mentioned for identification purposes only. Copyright © Nokia Solutions and Networks 2013. All rights reserved. About Nokia Nokia  invests  in  technologies  important  in  a  world  where  billions  of  devices  are  connected.  We  are focused  on  three  businesses:  network  infrastructure  software,  hardware  and  services,  which  we  offer through  Networks;  location  intelligence,  which  we  provide  through  HERE;  and  advanced  technology development  and  licensing,  which  we  pursue  through  Technologies.  Each  of  these  businesses  is  a leader in its respective field. Through  Networks,  Nokia  is  the  world’s  specialist  in  mobile  broadband.  From  the  first  ever  call  on GSM, to the first call on LTE, we operate at the forefront of each generation of mobile technology. Our global experts invent the new capabilities our customers need in their networks. We provide the world’s most  efficient  mobile  networks,  the  intelligence  to  maximize  the  value  of  those  networks,  and  the services to make it all work seamlessly. http://www.nsn.com http://www.company.nokia.com

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

3 

  4

Introduction to 5G

 

Safety statements in Student Handouts

Presents information to identify and warn of a situation where improper precautions will result in death or serious (irreversible) personal injury.

Presents information to identify and warn of a situation where improper precautions could result in death or serious (irreversible) personal injury.

Presents information to warn of a potentially hazardous situation where improper precautions could result in minor or moderate (reversible) personal injury. This alert is also used to identify a situation where equipment damage could occur and help you avoid damaging your equipment.

Presents information to identify and warn of a potentially hazardous situation to help avoid the possibility of property damage.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Contents

Contents Introduction to 5G Introduction............................................................................................................. 11 Module Objectives .................................................................................................11 Evolution of different generations of mobile communication technology............... 11 30 years of evolution...........................................................................................11 Key differentiators and weaknesses of each generation of wireless technology.. 13 Killer applications................................................................................................13 Summary: Introduction...........................................................................................15 5G Drivers................................................................................................................ 17 Module Objectives ................................................................................................ 17 Why we will need 5G............................................................................................. 17 Cellular market trends........................................................................................ 17 What is Driving 5G.................................................................................................20 A fully mobile and connected society................................................................. 20 The explosive growth of mobile internet ............................................................ 21 Programmable world.......................................................................................... 23 Internet of Things................................................................................................24 More of everything..............................................................................................25 Consumers ever increasing expectations...........................................................26 Why 4G is not enough........................................................................................... 27 LTE evolution towards 5G.................................................................................. 27 Summary: 5G Drivers............................................................................................ 28 What 5G is and what it is not................................................................................. 29 Module Objectives ................................................................................................ 29 What 5G is and what it is not................................................................................. 29 What makes a 5G system.................................................................................. 29 Hashtag 5G........................................................................................................ 31 What 5G is and what it is not..............................................................................32 Summary: What 5G is and what it is not................................................................33 5G potential use cases........................................................................................... 35 Module Objectives ................................................................................................ 35 5G use scenarios...................................................................................................35 5G for people and things.................................................................................... 35 Myriad of use cases............................................................................................37 Nokia-defined use cases....................................................................................... 42 Heterogeneous use cases..................................................................................42 Extreme mobile broadband................................................................................ 43 Massive machine communication.......................................................................44

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

5 

  6

Introduction to 5G

 

Critical machine communication.........................................................................45 NGMN-defined use scenarios................................................................................46 Overview of NGMN-defined 5G use case.......................................................... 46 Usage scenarios defined by ITU-R........................................................................47 Usage scenarios of IMT for 2020 and beyond....................................................47 Summary: 5G potential use cases.........................................................................48 5G System requirements........................................................................................49 Module Objectives ................................................................................................ 49 Diverse requirements for 5G..................................................................................49 Heterogeneous use cases leading to diverse requirements...............................49 NGMN defined requirements................................................................................. 51 NGMN defined requirements..............................................................................51 Key capabilities for IMT 2020 defined by ITU-R.................................................... 52 From IMT Advanced to IMT 2020.......................................................................52 3GPP requirements for next generation access technologies...............................54 3GPP defined requirements............................................................................... 54 5G requirements.................................................................................................... 56 Latency............................................................................................................... 56 Peak data rate.................................................................................................... 61 Spectral efficiency.............................................................................................. 63 User experienced data rate................................................................................ 64 Connection density............................................................................................. 65 Area traffic capacity............................................................................................ 67 Mobility interruption time.....................................................................................68 Inter-system mobility...........................................................................................69 Reliability............................................................................................................ 70 Mobility (Speed)..................................................................................................71 Energy efficiency................................................................................................ 72 LTE Gap to 5G requirements................................................................................. 74 LTE Gap to 5G requirements..............................................................................74 Summary: 5G System requirements......................................................................75 5G New-Radio..........................................................................................................77 Module Objectives ................................................................................................ 77 Emerging application challenges........................................................................... 77 Emerging application challenges........................................................................77 Why we need new radio for 5G............................................................................. 79 Re-imagining radio interface...............................................................................79 New RAT key characteristics................................................................................. 81 New RAT key characteristics..............................................................................81 Main building blocks for 5G New-Radio.................................................................83

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Contents

Potential building blocks for 5G New-Radio....................................................... 83 Why more spectrum is needed for 5G................................................................... 84 5G spectrum....................................................................................................... 84 mmWave and cmWave.......................................................................................... 90 mmWave and cmWave.......................................................................................90 New waveforms candidates for 5G radio...............................................................93 New waveforms.................................................................................................. 93 Massive MIMO.......................................................................................................96 Massive MIMO ...................................................................................................96 Flexible frame design.............................................................................................99 Flexible frame design......................................................................................... 99 Multi-connectivity feature..................................................................................... 101 Multi-connectivity.............................................................................................. 101 Device-to-Device technique.................................................................................103 Device-to-Device communication..................................................................... 103 Other potential building blocks for 5G New Radio............................................... 105 Other potential building blocks for 5G New Radio............................................105 Summary: 5G New-Radio....................................................................................106 5G Core Network and E2E Architecture..............................................................107 Module Objectives .............................................................................................. 107 5G E2E architecture............................................................................................ 107 5G E2E architecture: Why do we need a new E2E Architecture?....................107 5G E2E architecture: Key design targets of the 5G architecture......................109 5G E2E architecture: Fundamental transformation in overall network architecture....................................................................................................... 111 5G E2E architecture: High-level IMT-2020 network architecture (ITU vision).. 112 5G E2E architecture: 5G architecture (NGMN vision)...................................... 113 Main building blocks for 5G core..........................................................................117 Potential building blocks for 5G core................................................................ 117 Network Slicing.................................................................................................... 118 Network Slicing................................................................................................. 118 Dynamic Experience Management......................................................................121 Dynamic Experience Management...................................................................121 Service determined connectivity.......................................................................... 123 Service determined connectivity.......................................................................123 Fast traffic forwarding.......................................................................................... 124 Fast traffic forwarding....................................................................................... 124 Mobility on demand..............................................................................................125 Mobility on demand.......................................................................................... 125 How security is built into 5G networks right from the start...................................126

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

7 

  8

Introduction to 5G

 

5G security....................................................................................................... 126 Other potential building blocks for 5G core network............................................ 128 Other potential building blocks for 5G core network.........................................128 Summary: 5G Core Network and E2E Architecture.............................................129 LTE-A and LTE-Advanced Pro as foundation for 5G......................................... 131 Module Objectives .............................................................................................. 131 How 5G will build on 4G LTE foundation technologies........................................ 131 LTE-A Pro as catalyst for 5G............................................................................ 131 Evolutionary paths of LTE-Advanced Pro............................................................ 133 LTE-Advanced Pro........................................................................................... 133 Potential 5G Technologies where LTE-A aids in transition.................................. 134 Potential 5G Technologies where LTE-A aids in transition............................... 134 Multi-Gbps data rates with CA evolution.......................................................... 136 Using 5 GHz band............................................................................................ 137 3D MIMO.......................................................................................................... 138 Millisecond latency........................................................................................... 139 Internet of Things optimization......................................................................... 140 Tight 4G-5G interworking for fast time to market................................................. 142 Evolution to 5G................................................................................................. 142 Summary: LTE-A and LTE-Advanced Pro as foundation for 5G..........................143 Landscape of major 5G industry activities.........................................................145 Module Objectives .............................................................................................. 145 Major 5G industry activities..................................................................................145 Overview of major 5G industry activities.......................................................... 145 ITU-R 5G related activities...................................................................................146 ITU-R IMT 2020 and beyond............................................................................ 146 NGMN 5G related activities................................................................................. 148 NGMN 5G related activities.............................................................................. 148 3GPP work on 5G................................................................................................149 3GPP 5G related activities............................................................................... 149 5G related European Union projects................................................................... 150 5G related European Union projects................................................................ 150 5G related activities in Asia................................................................................. 151 5G related activities in Asia.............................................................................. 151 5G related activities in the Americas................................................................... 153 5G related activities in the Americas................................................................ 153 Nokia key role within 5G industry cooperation.....................................................154 Nokia 5G related research activities.................................................................154 Summary: Landscape of major 5G industry activities..........................................155 Roadmap for 5G standards and rollout.............................................................. 157

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Contents

Module Objectives .............................................................................................. 157 Key milestones in 5G development..................................................................... 157 Key milestones in 5G development.................................................................. 157 5G roadmap.........................................................................................................159 5G roadmap......................................................................................................159 Early Adopters for extreme Broadband served by Nokia.....................................160 Serving early adopters......................................................................................160 Summary: Roadmap for 5G standards and rollout.............................................. 161

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

9 

10

Introduction to 5G

 

This page is left blank for your notes. ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... © Nokia Solutions and Networks. All rights reserved. ...................................................................................................................................... ......................................................................................................................................

  Introduction

Introduction Module Objectives • Recall the evolution of different generations of mobile communication technology. • List the key differentiators and weaknesses of each generation of wireless technology.

Evolution of different generations of mobile communication technology 30 years of evolution Cellular communications has dramatically changed our society and the way we communicate. It is now difficult to imagine life without modern wireless systems, as it existed before 1990. Wireless empowers our modern life, enables modern societies to operate efficiently, and has had a major impact on modern politics, economy, education, health, entertainment, logistics, travel, and all industries. A new wireless generation has appeared roughly every ten years since the first analog generation AMPS system developed in the U.S. by Bell Labs in the 1970s. First generation networks were dominated by analog. Second generation or 2G networks were dominated by digital audio signals and text messaging.

Figure 1: 30 years of evolution 2G Development of second generation GSM networks began in 1981. In 1989, the standardization work was moved to the European Telecommunications Standards Institute (ETSI). The first GSM call was made in Finland on July 1, 1991 by Telenokia and Siemens. The first SMS message was sent on December 3, 1992. In 1993, Australia was the first nation outside of Europe to deploy GSM. In 1995, the first GSM network became operational in the United States. GSM deployments then spread quickly on a global basis. By 2005, GSM networks accounted for more than 75% of the worldwide cellular network market, serving 1.5 billion subscribers. While GSM technology development was led in Europe, IS-54 and IS-136 secondgeneration (2G) mobile phone systems, known as Digital AMPS (D-AMPS), was developed in parallel in North America. D-AMPS, also widely referred to as TDMA, and was once prevalent throughout the Americas, particularly in the United States and Canada in the 1990s. D-AMPS is considered end-of-life, and existing networks were replaced by GSM and GPRS or CDMA2000 technologies.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

11 

  12

Introduction to 5G

 

3G The third generation or 3G was more about scaling the number of users on the network for voice, text messaging and data communications, but was overwhelmed by an unpredictable tsunami of data communication. This trend is sure to continue. The development of the third generation (3G) wireless network was a global standardization effort which was conducted in the 3rd Generation Partnership Project (3GPP). The 3GPP project is formed with regional partners from Asia, Europe, and North America. ETSI is the designated European partner and the Alliance for Telecommunications Industry Solution (ATIS) is the designated North American partner. There are other 3GPP partners from China, Korea, and Japan. The first meeting of 3GPP was held in December 1998. Between then and the end of 2007, 3GPP produced five releases of global standards for 3G networks which encompassed the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), the IP Multimedia Subsystem (IMS), and the High Speed Packet Data Access (HSPDA). LTE and LTE Advanced The Mobile communications system LTE was developed to provide high capacity and higher rate data service for mobile multimedia. The first 4G standards appeared in 3GPP Release 8 which was completed in 2008. Improvements to the 4G standards continued with 3GPP Release 9 in 2009, 3GPP Release 10 in early 2011, and 3GPP Release 11 in 2012. 3GPP is currently working on additional 4G enhancements in 3GPP Release 12 and 3GPP Release 13. LTE Advanced Pro In October 2015, 3GPP has approved a new LTE marker called LTE-Advanced Pro that will be used for the appropriate specifications from Release 13 onwards. It will allow mobile standards users to associate various new features from the release’s freeze in March 2016 with a distinctive marker that evolves the LTE and LTEAdvanced technology series. LTE-M and NB-IoT LTE for Machines (LTE-M) also known as Enhanced Machine Type Communications (eMTC) is an evolution of legacy LTE 1.4MHz, it was under discussion in 3GPP R13 in December 2015. Narrow-Band Long-Term Evolution (NB-LTE) is a narrowband radio technology specially designed for the Internet of Things. It is currently being standardized within 3GPP under the label NB-IoT. NB-IoT standardization was expected to be completed by June 2016. Extended Coverage GSM (EC-GSM), also known as EC-EGPRS is being under 3GPP standardization which was expected to be completed by February 2016. EC-GSM addresses IoT markets without wide LTE deployment. 5G The yet-to-be-defined 5G will be the next major wave of mobile telecommunications standards beyond the current 4G/IMT-Advanced standards. It is generally assumed that 5G systems will emerge around 2020.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Introduction

Key differentiators and weaknesses of each generation of wireless technology Killer applications From a historical point of view, each of the cellular standard has evolved around a set of key use cases: 1G

Voice services

2G

Improved voice and text messaging

3G

Integrated voice and affordable mobile Internet

4G

High capacity mobile multimedia

Figure 2: Killer applications The wireless communication systems have had a chronology of revolutionary applications and technologies that have shaped our daily lives. The successful deployment of killer applications in wireless allow its rapid development in the past 30 years. First, the need for real-time mobile communications, dominated the success of cordless phones, followed by cellular communications. Soon thereafter, text messaging incorporated in the second generation by short message service (SMS) became another killer application. But the low data rate services provided by 2G systems did not fulfill the need for mobile Internet access. With the success of wireless LAN technology (WiFi based on the IEEE 802.11 standard), Internet browsing, and the widespread market adoption of laptop computers, Internet data connectivity became a reality and ultimately a necessity for everyone. This phenomenon opened the market for cellular broadband wireless data connectivity and lead to a demand for new 3G standards, which evolved to provide fast data services and more capacity for voice. The logical next step was to invent a better user experience for a subset of laptop functions for mobile use and merge it with the cellular telephone, which evolved into today’s smartphone. We now enjoy high bandwidth access to the world’s information at our fingertips, everywhere and anytime. The recent (4G) mobile communications system LTE was developed to provide high capacity and highest rate data service for mobile multimedia. But, now is there a killer application for 5G on the horizon? Is everything else going to be evolutionary? Despite never managing to successfully predict what each forthcoming generation of wireless technology should deliver in order to satisfy future users, history has shown that the future is rich for transformations and inventions, especially since we are far away from an ideally connected world.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

13 

  14

Introduction to 5G

 

The next foreseen killer application is the massive wireless connectivity of machines with other machines, referred to as machine-to-machine (M2M) or machine-typecommunication (MTC). But for M2M to reach its full potential, it needs a network optimized for it. The big question that the industry needs to answer today is whether we will have the same network designed for both human and machine communications, a new dedicated network for machines, or a hybrid network for people and things.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Introduction

Summary: Introduction Module Summary This module covered the following learning objectives: •

Recall the evolution of different generations of mobile communication technology.

•

List the key differentiators and weakness of each generation of wireless technology.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

15 

  16

Introduction to 5G

 

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Drivers

5G Drivers Module Objectives • Explain why we will need 5G. • Discuss the factors driving 5G • Explain why 4G is not enough.

Why we will need 5G Cellular market trends

Figure 3: Cellular market trends 1/2 The future is shaped every day. Steve Case, co-founder of AOL has recently argued that we are at a pivotal point in the Internet's history. This is actually the third internet era, with the first defined by the building of the internet (1985–2000) and the second by building new services on top of the internet (2000–2015). It consists of entrepreneurs building on top of the existing Internet with companies like Google, Facebook, Twitter and the growing app economy. The third era or wave, according to Case will be defined by building the internet into everything (2015+), resulting in disruption of many industry sectors. At the heart of this change is the network, the infrastructure that keeps everyone connected. Wireless, and wireless broadband is becoming the glue/substrate for the continued dramatic expansion of smart personal devices, combined with the expansion of data networks for enterprises and large institutions, and the growth of ultra-broadband services for wireless and fixed access. It is transforming the entire dynamics of our industry and deeply changing the human experience. Today, however, we are dependent on the network and not the other way around. We have to instruct our smartphones and tablets to look for WiFi networks or a 4G service. And yet, as usage grows of connected devices (for example, phones, wearable electronics and fitness gadgets) and businesses and institutions like banks or governments continue to generate greater amounts of data, the network, will not be able to cope. What will be next? The future of communication is changing drastically. Future mobile technologies usher in new paradigms for connected society. In the 2020 timeframe and beyond, mobile technologies will bring together people along with things, data, applications, transport systems and cities in a smart networked communications ecosystem.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

17 

  18

Introduction to 5G

 

Figure 4: Cellular market trends 2/2 As outlined before, driven by technology developments and socio-economic transformations, the future of wireless is characterized by changes in business, technology, and operator contexts as below: Recent technology innovation is represented by the advent of smartphones and tablets. While smartphones are expected to remain as the main personal device and further develop in terms of performance and capability, the number of personal devices will increase driven by new classes of user devices such as wearables or sensors. Supported by cloud technology, these devices will extend their capabilities to various applications such as high quality content production and sharing, payment, proof of identity, cloud gaming, mobile TV, and in general supporting smart life. They will have a significant role in health, security, safety, and social life applications, as well as controlling home appliances, cars and other machines. Many of the trends in the consumer segment apply to future enterprises as well. The boundaries between personal and enterprise usage of devices will be blurred. Enterprises will look for solutions to address security and privacy challenges associated with this hybrid type of usage. The next wave of mobile is to mobilize industries and industry processes. This is widely referred to as machine communication and the Internet of Things (IoT). Tens of billions of smart devices will use their embedded communication abilities and sensors to act on their local environment and use remote triggers based on intelligent logic. In many markets today, Telco players have already started to leverage partnerships with Over the Top (OTT) players to deliver packaged services to end users. OTT players will move to deliver more and more applications that require higher quality and lower latency and other service enhancing capabilities (for example, proximity, location, QoS, authentication) on demand and in a highly flexible and programmable way. From a services perspective, a global business model evolution of mobile operators’ services will include the evolution of current services as well as the emergence of new ones. Currently, the most common services provided by mobile operators include point-to-point personal communication and (best effort) data services. These services will evolve to improve both in quality as well as in capability. Personal communication will include high quality multimedia and rich group communication as a baseline. Data services on the other hand, will be possible from multiple integrated access technologies and be ubiquitous and characterized by performance consistency. Data traffic will be dominated by video and social media. New services will emerge which may cover new market segments such as automated industries and smart user environments, public safety and mission critical services, big data, proximity and geo-community services, and many others.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Drivers

All of these trends will produce a dramatic shift in demand challenging mobile operators to provide networks and platforms that achieve the highest performance at the lowest cost per bit while supporting extensive personalization.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

19 

  20

Introduction to 5G

 

What is Driving 5G A fully mobile and connected society It’s no secret that we live in a connected world and that it’s becoming more and more connected every day. In the past 6 years, we have seen the continued dramatic expansion of smart personal devices; smartphones and tablets, combined with the expansion of data networks for enterprises and large institutions, and the growth of ultra-broadband services for wireless and fixed access. Smartphones have been a major factor in driving the shift in mobile industry value from services such as voice and text to an increasingly data-centric model. With the anticipated growth of Internet of Things (IoT) during the next few years, there will be more users, more devices and a more diverse range of device types than ever before.

Figure 5: A fully mobile and connected society By the end of 2014, the number of mobile-connected devices exceeded the number of people on earth, and by 2019 there will be nearly 1.5 mobile devices per capita. There will be 11.5 billion mobile-connected devices by 2019, including machine-tomachine (M2M) modules, exceeding the world’s projected population at that time (7.6 billion). A broad consensus in the wireless industry anticipates a strong continuation of this trend for several years to come.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Drivers

The explosive growth of mobile internet Any forecast of tech or business trends toward 2020 and beyond should consider with the exponential growth in computing power we are now experiencing as per Moore’s Law. This growth translates to an accelerating pace of change across all industries as the cost of processing power decreases. The following figure shows the analysis of the growth in core network traffic since the dawn of the internet era in terms of the constituent five-year trend segments:

Figure 6: The explosive growth of mobile internet (1/2) The confluence of increasing content sources and the increased resolution of produced content creates exponential growth in the bandwidth required to deliver the content demanded by the consumer. Bell Labs predicts an increase in global bandwidth consumption from ~1.0 Zb/year in 2015 to 4.3 Zb/year by 2020 with video content being the reason behind the increase in the data transferred. Importantly, in a recent report, Bell Labs Consulting concluded that with 3G, 4G/LTE and small cells alone, operators will not be able to profitably address even half of the demand left untouched by Wi-Fi-like technologies. The following figure displays the predicted relative growth of traffic volume:

Figure 7: The explosive growth of mobile internet (2/2) Mobile broadband is the key use case today and it is expected to continue to be one of the key use cases driving the requirements for 5G. It goes far beyond basic mobile Internet access and covers rich interactive work, media and entertainment applications in the cloud or augmented reality.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

21 

  22

Introduction to 5G

 

Streaming and cloud-based services and applications are the biggest demand drivers. They are enabled by better devices and richer applications and reinforced by trends to higher resolution screens with the recent introduction of 4K (8K is already expected beyond 2020) and the availability of lower latency, higher performance 4G (LTE) networks. As the younger generation’s unprecedented consumption of data anywhere and on any device becomes the de facto behavior in the larger populous, wireless demand will climb even faster, especially where wireline broadband is insufficient or unavailable. Cloud storage and applications are rapidly increasing for mobile communication platforms. This is applicable for both work and entertainment. Cloud storage is one particular use case driving the growth of uplink data rates – in the past, content was mostly downloaded. Clearly, mobile data is growing at a rate between 25% and 50% annually and is expected to continue towards 2030 as shown in the figure. According to Nokia 5G requirements white paper, 10,000 times more traffic will need to be carried through all mobile broadband technologies at some point between 2020 and 2030.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Drivers

Programmable world

Figure 8: Towards Programmable world One of hottest topics in our industry is transition from a smartphone-centric mobile broadband business towards, what Nokia calls, the programmable world, in which mobile broadband networks connect not only people, but form the connectivity backbone for the IoT. It is expected to be the next revolution in the mobile ecosystem. IoT services are likely to be a key driver for further growth in cellular. The IoT is being shaped now and operators will not wait until 2020, as many markets they cannot afford to wait. But, digitizing and connecting physical things to the internet (IoT) is widely predicted to occur on a massive scale in the coming decade. This digitalization of the physical world enables a variety of innovative use cases. The programmable world improves people's lives through automation, enhanced connectivity and intelligence. It also helps industries to become more efficient, agile and real-time. A true explosion of possibilities is expected with 5G.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

23 

  24

Introduction to 5G

 

Internet of Things

Figure 9: From Internet of content to Internet of Things Over the past decades, the Internet has evolved from a static repository of interlinked hypertext documents to a dynamic universe of networked humans, machines and applications. Today, the convergence of Machine-to-Machine (M2M) communications, big data analytics and the growth in connected devices is enabling a highly connected world known as the IoT. The IoT will be one of the next big things. It will enable an unprecedented number of objects and devices to interact and share data. These interactions will spawn new applications and create exciting business opportunities for the enterprise, energy, transportation, public sectors and the possibilities are truly unlimited. With the IoT, virtually anything, ALL THINGS GREAT AND SMALL: cars, houses, smart energy meters, dog collars, will be able to send and receive data over the Internet. Cloud, wireless and social media technologies will enhance these exchanges. They will bring a new level of connectivity that eases collaboration and management and puts more valuable data within reach. According to Bell Labs Consulting report, the total number of IoT connected devices (not including wearables) is expected to grow from 1.6B in 2014 to anywhere between 20B (conservative view) and 46B (disruptive view) by 2020. Of this total, cellular IoT devices will be between 1.6 Billion and 4.6 Billion in 2020. Despite this massive adoption and traffic growth of 50 to 70 times from 2014, the overall cellular traffic generated by IoT devices will only account for 2 percent of the total mobile traffic by 2020. The reason for this is that non-video-enabled IoT devices will predominate early on and typically transfer a small amount of data in a given transaction. However, there will be significant growth in upstream IoT video streaming after 2020 from video surveillance cameras, dash cams, body cams, and similar devices transferring content to cloud-based video analytics platforms. In nutshell, IoT will be as disruptive as radio, television and the web. Today the network connects humans. Tomorrow 5G system will connect everything, all the time. 5G will be about people and things.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Drivers

More of everything

Figure 10: More of everything Simply put, there is a traffic jam approaching: Statista predicts that the number of mobile users worldwide will almost double from 2010 to 2020, increasing from 5.3 billion to 9 billion. The number of mobile devices in use is also increasing. According to the Radicati Group, the number of mobile devices in use will increase by over 57% between 2014 and 2018, reaching 12.2 billion in 2018. Moreover, as stated before, mobile connections are not just being made by people, but increasingly by machines and things. Industry analysts estimate the number of connected devices could be anywhere from 20 billion to 100 billion by 2020, 1000 Billions by 2035. According to Cisco CEO John Chambers, there will be about 15 billion devices connected by 2015, and around 40 billion by 2020, citing figures from the Cisco Internet Business Solutions Group. He also said: Despite all these connections, we estimate that more than 99% of all physical objects that may one day join the network are currently still unconnected. Think about that – we’ve only just begun to connect the unconnected. Clearly, the network based on legacy blueprints, with a never-ending cycle of expensive upgrades, is unsustainable. A change is needed in the way we build networks.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

25 

  26

Introduction to 5G

 

Consumers ever increasing expectations

Figure 11: Consumers ever increasing expectations (1/2) End-users will become even more conditioned to expect wireless connectivity wherever they go - and not just any wireless connectivity, but broadband connectivity with excellent Quality of Experience. Meeting Consumer expectations for a particular application is key. Consumer doesn’t want to care about which air interface to use. Consumer wants us to connect them to their information. The world needs to be personalized to you. You need to be the center of the universe. And so instead of you being something that attaches to a network, really it needs to be your network that is serving you. We’re getting to the point where we’re really making that happen, explains, Theodore SIZER, Vice-President of Wireless Research. Tod continues, It is about a communications service that adapts to the consumer, rather than the consumer adapting to the communications service.

Figure 12: Consumers ever increasing expectations (2/2) The mobile-operator-led organization NGMN (Next Generation Mobile Networks) summary of Operator expectations for 5G falls into 3 primary requirements: •

Better end-to-end performance: Broadband everywhere, Broadband in dense areas and Higher user mobility.

•

Better support for non-traditional applications including Internet of Things (IoT): Massive Internet of Things, Extreme real-time communications, Lifeline communications, Ultra-reliable communications and Broadcast-like services.

•

Nokia is convinced that 5G should also focus on Better Battery life: To ensure that the dream of massive adoption of connected devices doesn’t become a problem of massive connection of charging cables.

The consumers expect, anywhere, anytime communications with excellent Quality of Experience. © Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Drivers

Why 4G is not enough LTE evolution towards 5G

Figure 13: LTE evolution towards 5G LTE, designed primarily to serve smart phones and improve users’ wireless internet experience, has been a great success. First deployed few years ago, 4G LTE has become the fastest-growing mobile technology in history. Today it globally supports about 908 millions subscribers at the end of Q3, 2015. Since its launch, LTE has evolved to support higher peak bit rates and improve interworking with other radio access technologies such as WLAN. It will continue to evolve for the next ten years. Why can't we simply evolve LTE? The set of requirements for 5G is not economically or technically achievable with the evolution of 4G. As will be described in coming chapter, 5G networks must support diversity of usecases. Therefore, the need to optimize the radio interface to simultaneously meet a wider range of use cases will drive the need for a more adaptable radio and core network solution than LTE Evolved Packet Core. Think about emerging new services that will eventually require extremely low end-toend service latency of less than one millisecond. This will challenge the basis of the LTE framework. Ongoing traffic growth in high density zones will eventually exceed what can be supported in the spectrum bands in which LTE was designed to operate, leading to a need for new radio access technologies optimized for new spectrum bands above 20 GHz. Will this make 4G obsolete? It should be noted that although mobile operators are still building out their 4G networks, they need to prepare for 5G now. Since 5G will build on 4G LTE foundation technologies, mobile operators should consider deploying advanced LTE technologies sooner rather than later. This will not only benefit them today, but also position their networks to evolve easily and quickly to 5G tomorrow.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

27 

  28

Introduction to 5G

 

Summary: 5G Drivers Module Summary This module covered the following learning objectives: •

Explain why we will need 5G.

•

Explain what is Driving 5G.

•

Explain why 4G is not enough.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  What 5G is and what it is not

What 5G is and what it is not Module Objectives • Explain what 5G is and what it is not.

What 5G is and what it is not What makes a 5G system The buzz in the Telecommunication industry on future wave in wireless technology Fifth Generation or 5G - has seen a sharp increase. The question what actually makes a 5G system, what are the system requirements and use scenarios is still open and part of intensive discussions.

Figure 14: What is 5G? Simply stated, 5G is the fifth generation mobile networks or the next major cellular evolution after 4G. About every ten years, the next generation of mobile networks appears, with each generation improving upon the last. As with each new generation, 5G is expected to be more spectrally efficient, support many more users, offer higher data rates and provide a more consistent user experience. With the anticipated growth of Internet of Things (IoT) devices and connections, 5G is also expected to support much higher device connection densities, prolong device battery life, widen network coverage and make signaling more efficient. According to the mobile industry's largest trade group, the report published by the GSM Association on December 2014 is stated that there are currently two competing views on what 5G is: 1. The first definition of 5G today is around the hyper-connect vision. This is where 5G is seen as a blend of existing technologies such as 2G, 3G, 4G, and Wi-Fi, and that it can deliver greater coverage and availability, higher network density in terms of cells and devices, and the ability to provide the connectivity that enables machine-to-machine services and the IoT. 2. The other view of 5G that exists is that it is perceived as the next-generation radio access technology, which is a more traditional generational view. This means specific targets for data rates and latency are set, such as faster than 1Gbps downlink and less than 1ms delay. The attention now focused on enabling a seamlessly connected society in the 2020 timeframe and beyond that brings together people along with things, data, applications, transport systems and cities in a smart networked communications environment.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

29 

  30

Introduction to 5G

 

Figure 15: What makes a 5G system The Next Generation Mobile Networks (NGMN) alliance pretty much summed up its 5G vision in a 5G White Paper issued in February-2015. According to NGMN, 5G is an end-to-end ecosystem to enable a fully mobile and connected society. It empowers value creation towards customers and partners, through existing and emerging use cases, delivered with consistent experience, and enabled by sustainable business models. According to Nokia 5G master plan whitepaper: 5G is the new generation of radio systems and network architecture that will deliver extreme broadband, ultra-robust, low latency connectivity and massive networking for human beings and the IoT.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  What 5G is and what it is not

Hashtag 5G Over the past two years, 5G has received more media coverage and industry buzz than any other burgeoning technology. 5G networks will be a leap, not a step, forward. Vice-President of the European Commission Neelie Kroes tweets it is important to understand 5G mobile will be more than just the next step beyond today’s 4G networks. It will also offer totally new possibilities to connect people, and also things – being cars, houses, energy infrastructures. All of them at once, wherever you and they are. 5G is NOT 4G+1, said Mario Campolargo, Director of Net Futures - DG CONNECT at the European Commission. 5G is much more than 4G plus 1. In the manner of an evolutionary leap, 5G technologies and Information and communication technologies (ICT) networks bring the global competition for technological leadership to a whole new level. This is a truly wireless environment that will realize the promise of near-instantaneous, zero-distance online connectivity at any time, from anywhere and from almost any device or terminal. Tens of tweets (maybe hundreds) are tweeted every day concerning 5G. Read these 9 tweets:

Figure 16: Hashtag #5G For more information about the above tweets, click on the following links: •

Telecoms News

•

DigitalSingleMarket

•

Nokia Networks

•

DeutscheTelekomGroup

•

Dept for Business

•

ITU

•

DigitalSingleMarket

•

Intel Network

•

Marcus Weldon

Read more tweets about 5G at: #5G

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

31 

  32

Introduction to 5G

 

What 5G is and what it is not Simply stated, 5G is the fifth generation mobile networks or the next major cellular evolution after 4G. About every ten years, the next generation of mobile networks appears, with each generation improving upon the last. As with each new generation, 5G is expected to be more spectrally efficient, support many more users, offer higher data rates and provide a more consistent user experience. With the anticipated growth of IoT devices and connections, 5G is also expected to support much higher device connection densities, prolong device battery life, widen network coverage and make signaling more efficient. Keep in mind, the challenge for 5G is not only to increase the user rates or the capacity, as has been so far for the former generations, but also to master heterogeneous use cases with diverse requirements as will be described in upcoming chapters.

Figure 17: What 5G is and what it is not

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  What 5G is and what it is not

Summary: What 5G is and what it is not Module Summary This module covered the following learning objectives: •

Explain what 5G is and what it is not.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

33 

  34

Introduction to 5G

 

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G potential use cases

5G potential use cases Module Objectives • • • •

Identify potential 5G use scenarios. Describe Nokia-defined use cases. Describe NGMN-defined use scenarios. Describe the three usage scenarios defined by ITU-R.

5G use scenarios 5G for people and things Despite never managing to successfully predict what each forthcoming generation of wireless technology should deliver in order to satisfy future end-users, the industry has however reached some consensus on the use cases and use scenarios for 5G: 5G is about people and things. It is a door opener for new possibilities and use cases, many of which are as yet unknown. 5G will be the platform that enables growth in many industries, ranging from the IT industry to the car, entertainment, agriculture and manufacturing industries. 5G will connect the factory of the future and help create a fully automated and flexible production system. It will also be the enabler of a super-efficient infrastructure that saves resources.

Figure 18: 5G for people and things (1/2) We can expect that safety and business-critical applications will increasingly run on the wireless network, which necessitates absolutely stringent, reliable and predictable service levels in terms of capacity, throughput and latency. These levels will far exceed those of today. What will be the possibilities in the real world? Consider the healthcare industry in which hospitals can arrange remote robotic surgeries via a customized 5G network that minimizes network latency as if the surgeon were physically present next to the patient. Or how skin-embedded and 5G connected healthcare chips could constantly monitor vital signs, preventing conditions from becoming acute and constantly adapting medication to meet changing conditions. Creating a safe transportation infrastructure is another major area where self-driving cars and smart road infrastructures enabled by 5G networks can reduce accidents, saving millions of lives every year. With sensors enabled by 5G networks, every water pipe could be monitored in realtime and utility providers could create a network that can sense, process and transmit exact locations and severity of a leak and alert proper resources in real time without the need for humans to laboriously collect and analyze the data.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

35 

  36

Introduction to 5G

 

Similar 5G-enabled transformations are only to be expected in agriculture, finance, retail, education, trade and tourism. The possibilities are truly endless.

Figure 19: 5G for people and things (2/2) American-Canadian novelist William Gibson, who invented the term cyberspace long ago, said The future is here, it's just not widely distributed yet. Looking at some of the examples above, the future may be closer than many of us imagine. When you quantify some of those expected benefits; that is, when the proposition for individuals, society and economy becomes exciting. Take autonomous driving - there are around 1.3 million deaths on the road each year, which is more than double the amount killed by malaria worldwide. There are also 50 million people injured in traffic accidents globally. Now, of course, you need the latency and response times to be instantaneous for these cars, which is a far cry from the 15 to 20 milliseconds that today’s best LTE networks are currently able to achieve. Put it another way, if driver error is the cause of about 90 percent of all car crashes and autonomous driving and connected cars would result in only 50 percent fewer annual fatalities, that would be more than half a million lives saved every year and millions more with fewer injuries. Consider the potential reduction in CO2 emissions. The pollution from transportation is expected to increase nearly six-fold in China, for example, from 190 megatons every year to more than 1100 megatons in 35 years’ time. Connected cars, smart navigation and autonomous driving could reduce millions of tons of CO2 and help cities become cleaner. Marcus Weldon, president of Bell Labs and CTO at Nokia, said 5G will give birth to the next phase of human possibilities, bringing about the automation of everything. This automation, driven by a smart invisible network, will create new businesses, give rise to new services and ultimately free up more time for people. Nokia is working with our customers today to help build and plan for a journey that will transform network architectures and have great impact on our lives.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G potential use cases

Myriad of use cases

Figure 20: Myriad of use cases - Interconnected One of the fastest developing new device categories is the wearables. These devices hold the promise of turning humans into cyborgs, with our bodies acting as very-local area sensor networks, very-short range remote controllers or very personal computing resources. The most commonly used wearables today are smart watches, fitness trackers and e-health devices. People, in future, will have multiple sensors and actuators placed on and around their bodies. These can synchronize with the phone and, for example, give an active person overview of workout statistics, elderly person the outlook of body condition or a diabetic the sugar levels. They can also, if allowed, communicate with the city infrastructure providing statistics on, for example, most popular running tracks or health of people in different neighborhoods. If a person has a degraded health condition or there is a health emergency, then a doctor can use body sensors and smartphone camera to remotely diagnose the patient and, if needed, send help much faster. Many haptic screens and devices are being developed currently to respond to touch and provide tactile sensations by varying the friction between the user’s finger and the screen. This creates an experience of You feel what you touch (remotely). An early example is the new iPhone, which introduces 3D human sensitive touch. The combination of haptic interaction and 360° cameras feeding live video over a 5G network to a VR head mounted device will produce a powerful experience as though the user is actually in the remote location and in control.

Figure 21: Myriad of use cases - Augmented Augmented Reality (AR) has many applications. First used for military, industrial and medical applications, it has also been applied to commercial and entertainment areas.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

37 

  38

Introduction to 5G

 

You may have seen the 2009 movie Avatar. Although, most of director James Cameron's cool science fiction stuff may (likely) never happen, but with exciting new devices such as the Oculus Rift and Microsoft’s HoloLens, AR, Virtual Reality (VR) and virtual worlds may not be as far away as Avatar’s exoplanetary moon, Pandora. AR enhances a real-world view with graphics. Real-time information is displayed based on the user’s location and/or vision. VR creates a totally new user experience with the user being in a fully immersive environment. The AR/VR device needs to track user movements accurately, process the movement and receiving image, then display the response immediately. An end-to-end latency of more than 5 ms would lead to cyber sickness, an uncomfortable and nauseating customer experience. AR enhances the existing service experiences, for example, shoppers can experience how a dress would look on them without trying it on. AR can also be used in emergency situations, for example, firefighters could use AR to see ambient temperature, a building’s layout, exits and potentially dangerous areas. Police officers could use AR with facial recognition to identify a suspect in real-time from the police database before an arrest is made. VR uses are extensive, not just gaming and entertainment. Students could learn inside a VR environment conducted by a remote teacher. Students can gain experiences as large as the inception of the universe or as small as how to split an atom. In product development, VR can be used to design and prototype products before they are built, shortening development time and cost.

Figure 22: Myriad of use cases - Virtual and Tactile Think of capturing and broadcasting 360 degree virtual reality videos from your handheld or being virtually present in 8K quality. Or consider the healthcare industry where hospitals can arrange remote robotic surgeries via a customized 5G network that minimizes network latency as if the surgeon were physically present next to the patient. Or imagine how the power of combined big data from connected hospitals from all over the world can crush the next Ebola outbreak before it actually happens. Or how skin-embedded and 5G connected healthcare chips can constantly monitor vital signs, prevent conditions from becoming acute and constantly adapt medication to meet changing conditions. Remotely controlling robots, rovers, devices or avatars in real-time can help us work safely outside dangerous places. Hospitals can arrange remote robotic surgeries via a customized 5G network as if the surgeon was physically present. For public safety, robots could be sent to work in dangerous situations, such as bomb disposal or firefighting. The system needs to be extremely reliable with Block Error Ratio (BLER) up to 10-9 and end-to-end latency of less than 1 millisecond to support the necessary haptic feedback. Similar 5G enabled transformations are impending in agriculture, finance, retail, education, trade and tourism.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G potential use cases

Figure 23: Myriad of use cases - Autonomous Connected cars and vehicles is a hot topic for many industry players from car manufacturers, consumers and insurance companies to governments. The automotive sector is expected to be a very important new driver for 5G, with many use cases for mobile communications for vehicles. The US Secretary of Transportation has said that driverless cars will be in use all over the world by 2025. The IEEE predicts that up to 75 percent of vehicles will be autonomous in 2040. While the autonomous vehicles developed today rely mostly on onboard sensors and systems, their performance and safety could be vastly improved through 5G communications. Autonomous vehicles can reduce accidents and improve road utilization as vehicles can be driven closer to each other and more safely than human drivers can achieve. Transportation companies can take advantage of autonomous car fleets. The fleets can be utilized more effectively with fewer accident caused by human error. In addition, real-time ultra-reliable communications between vehicles, infrastructure and smartphones could enable traffic to flow more smoothly, eliminating traffic jams. Commuting time can be used for other activities with the help of autonomous vehicles. This might save an hour per day for people living and commuting in cities. The communication system needs to be extremely reliable as it involves human safety. The end-to-end latency requirement needs to be as low as 5-10 ms. Clearly, creating a safe transportation infrastructure is another major area where self-driving cars and smart road infrastructures enabled by 5G networks can reduce accidents, saving more than one million lives every year in the U.S. alone. This means saving $300 billion in economic costs due to car crashes and reducing annual CO2 emissions by as much as 300 million tons, just in U.S. In addition to traffic safety, car-to-car in combination with car-to-infrastructure communication will enable traffic to flow more smoothly avoiding unnecessary traffic jams. This might save 1 hour per day for people living and commuting in cities. At the same time, the existing road infrastructure can absorb more cars. According to a study, up to 4 times more cars are possible through autonomous driving.

Figure 24: Myriad of use cases - Superefficient © Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

39 

  40

Introduction to 5G

 

Smart cities and smart homes, often referred to as smart society, will be embedded with dense wireless sensor networks. Cities are growing faster than the world population. It is increasingly challenging for large and fast growing cities to manage their operations. 5G will enable things (objects and devices) in our lives to exchange data in a common network. 5G will play a major role in developing smart cities and that will help planners truly understand our everyday tasks. Communication service providers are looking at smart cities as a market to reach consumers from energy, government, transportation, utility and other sectors. Service providers that want to prove their technology will help manage operations and adapt to cities. A major category of customers for 5G will be national governments, cities, utilities and societies. As California suffers one of the most severe droughts on record, statistics show that 20% of US water supply is lost daily due to leaks in the pipes that make up the national infrastructure. That equates to 71 billion gallons lost every day or the amount of daily water usage in California, Texas and Ohio combined. With sensors enabled by 5G networks, every single water pipe can be monitored in real-time and utility providers can create a network that can sense, process and transmit exact locations and severity of a leak and alert proper resources in real time without the need for humans to laboriously collect and analyze the data. 5G is not just about technology, it is about improving everyday lifestyle and considering the human factor in every organization or community.

Figure 25: Myriad of use cases - Revolutionized Futurists have been talking about smart cars and intelligent buildings for many years, but machine-to-machine communications and data analytics are not as new as many believe. Did you know that for more than 40 years Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) has helped transportation, utilities and industrial companies manage applications, optimize processes and reduce cost of operations, but it is only very recently that the various technologies have come together to deliver affordable and scalable products and services. So far enterprises have used networks and devices for what they can provide, mainly just voice and data, but the future is about being able to service the industry verticals in a customized way, such that they would be willing to pay for the additional productivity gains and value creation. Industry 4.0 enabled by 5G networks can allow manufacturers to automate end-to-end factory operations and even set up and take down new product lines or entire factories virtually. With trillions of sensors, machine controlled robots and autonomous logistics, all capable of talking to each other and operated remotely in real time via 5G networks, manufacturers can achieve 50% improvement in manufacturing productivity by eliminating wastages and leaks, guaranteeing quality, removing process inefficiencies, minimizing labor and energy costs and responding to demand in real time with zero delays and zero inventories.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G potential use cases

Wireless and mobile communications are becoming increasingly important for industrial application. Wires are expensive to install and maintain and the possibility of replacing cables with reconfigurable wireless links is a tempting opportunity for many industries. However, achieving this requires that the wireless connection works with a similar delay, reliability and capacity as cables and that its management is simplified. Low delays and very low error probabilities are new requirements that need to be addressed with 5G. Industrial networks have stringent requirements because they require fast machineto-machine communication and ultra-reliable connectivity. A system failure could mean loss of equipment, production or even loss of life. Time-critical process optimization is a key requirement for factories-of-the-future. The need for wireless ultra-reliability and virtual zero latency will be driven by uses that include instant optimization based on real-time monitoring of sensors and the performance of components, collaboration between a new generation of robots and the introduction of wireless connected wearables and augmented reality on the shop floor. Machines can receive, analyze and execute tasks much more quickly than humans. Therefore, machine-to-machine communication requires extremely low latency, for example, closed-loop control applications for industry automation need lower than 1 ms latency. High reliability packet error rate < 10-9 is important to maintain close synchronization and high availability. Furthermore, the overhead should be kept to a minimum to ensure a tolerable spectral efficiency with small packet payloads. Indoor traffic control and indoor mobility control of shop floor equipment typically have cycle times around 1-10ms. The highest demands are from actuators and sensors requiring cycle times of less than 1ms with a jitter of less than 1μs. While today’s wired systems meet these requirements, 5G will create a unified platform that addresses a wide range of needs from the company supply chain, to interenterprise communication, to the control of actuators/sensors on the factory floor. This will reduce administrative costs compared to maintaining multiple systems, eliminate the cost to install wiring and increase flexibility to change production flow in the factory.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

41 

  42

Introduction to 5G

 

Nokia-defined use cases Heterogeneous use cases In a nutshell, 5G enables very diverse use cases with extreme range of requirements. Clearly the biggest difference between 5G and legacy design requirements is the diversity of use-cases that 5G networks must support and the new opportunities it creates compared to today’s networks that were designed primarily to deliver high speed mobile broadband.

Figure 26: Nokia-defined use cases The industry has widely adopted Nokia’s view that 5G will be about people and things that can be broadly split into three use-case categories: 1. Extreme mobile broadband that delivers gigabytes of bandwidth on demand. 2. Critical machine-type communication that allows for the immediate synchronous eye-hand feedback that enables remote control over robots. 3. Massive machine-type communication that connects billions of sensors and machines.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G potential use cases

Extreme mobile broadband

Figure 27: Extreme mobile broadband On the top corner of the triangle we see the segment which is called extreme mobile broadband. This is about massive broadband that delivers gigabytes of bandwidth on-demand and more importantly, improves the consistency of end-user experience, data rate of user. Wherever they are located it will be constant. Extreme mobile broadband addresses the human-centric use cases for access to multi-media content, services and data. The demand for mobile broadband will continue to increase, leading to extreme mobile broadband. This delivers multigigabytes of bandwidth on demand. The extreme mobile broadband usage scenario will come with new application areas and requirements in addition to existing mobile broadband applications for improved performance and an increasingly seamless user experience.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

43 

  44

Introduction to 5G

 

Massive machine communication

Figure 28: Massive machine communication We have the exciting domain of massive machine type communication to the bottom left inside the triangle, it is about massive Machine Type Communications (MTC) that connects billions of sensors and machines. This use case is characterized by a very large number of connected devices typically transmitting a relatively low volume of non-delay-sensitive data. Devices are required to be low cost and have a very long battery life. Imagine a massive amount of actors and sensors that are deployed anywhere in the landscape and need to access the wireless network. As an example, you could think about fire sensors in areas with high danger of forest fires, sensors for water quality inspection or management and so on.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G potential use cases

Critical machine communication

Figure 29: Critical machine communication Finally, on the bottom right of the triangle, we have this exciting opportunity rather than new domain called critical MTC that demands immediate, synchronized eye-tohand feedback to remotely control robots and deliver the tactile internet. This use case has stringent requirements for capabilities, such as, throughput, latency and availability. Some examples include wireless control of industrial manufacturing or production processes, remote medical surgery, distribution automation in a smart grid, and so on. Prof. Frank Hanns Paul Fitzek, Deutsche Telekom chair of the communication networks group at Technische Universität Dresden coordinating the 5G Lab Germany, said With our expertise in 5G communication systems, we are collaborating closely with Nokia to realize a new kind of low-latency 5G services also known as tactile internet. Low latency communication, together with security and resilience, enables ubiquitous steering and control of remote objects and devices like driverless connected cars, industry robots and remote surgery. These capabilities improve efficiency and allow for new use cases in industry sectors like mobility, manufacturing and healthcare. Lastly, additional new use cases will emerge, which are not foreseen in detail as of now. This will require flexibility for future 5G to adapt to new use cases with a wide range of requirements on the key capabilities.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

45 

  46

Introduction to 5G

 

NGMN-defined use scenarios Overview of NGMN-defined 5G use case Next Generation Mobile Networks (NGMN) alliance expects that the business context beyond 2020 will be notably different from today and will see the emergence of new use cases and business models driven by the customers’ and operators’ needs and enabled by the maturity and emergence of key technologies.

Figure 30: NGMN-defined use scenarios The post-2020 outlook is vastly broad in terms of variety and variability. In addition to supporting the evolution of the existing use case of mobile broadband, 5G will support countless emerging use cases with a high variety of applications and variability of their performance attributes from delay-tolerant video applications to ultra-low latency, from high speed entertainment applications in a vehicle to mobility on demand for connected objects and from reliable applications to critical ones such as health. Furthermore, use cases will be delivered across a wide range of devices (for example, smartphone, wearable, machine module) and across a heterogeneous environment. NGMN has developed twenty four use cases for 5G, as representational examples, that are grouped into eight use case families. The use cases and use case families serve as an input for stipulating requirements and defining the cornerstones of the 5G architecture. The use cases are not meant to be exhaustive, but rather act as a tool to ensure that the level of flexibility required from 5G is well captured. The snapshots on this slide shows the eight use case families with one example use case given for each family.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G potential use cases

Usage scenarios defined by ITU-R Usage scenarios of IMT for 2020 and beyond The diagram shows usage scenarios of International Mobile Telecommunications (IMT) for 2020 and beyond, where the usage is more focused on enhancing the Mobile Broadband (Enhanced MBB), massive machine type communications, ultra reliable and low latency communications:

Figure 31: Usage scenarios of IMT for 2020 and beyond

ITU has defined the term it applies to 5G as IMT-2020. The usage scenarios for IMT for 2020 and beyond include: 1. Enhanced Mobile Broadband: MBB addresses the human-centric use cases for access to multi-media content, services and data. The demand for mobile broadband continues to increase, leading to enhanced MBB. The enhanced MBB usage scenario comes with new application areas and requirements in addition to existing MBB applications for improved performance and an increasingly seamless user experience. This usage scenario covers a range of cases, including wide-area coverage and hotspot, which have different requirements. For the hotspot case, that is, for an area with high user density, very high traffic capacity is needed, while the requirement for mobility is low and user data rate is higher than for wide area coverage. For the wide area coverage case, seamless coverage and medium-to-high mobility are desired, with much improved user data rate as compared to now. However, the data rate requirement may be relaxed compared to hotspot. 2. Ultra-reliable and low latency communications: This use case has stringent requirements for capabilities such as throughput, latency and availability. Some examples include wireless control of industrial manufacturing or production processes, remote medical surgery, distribution automation in a smart grid, and so on. 3. Massive machine type communications: This use case is characterized by a very large number of connected devices typically transmitting a relatively low volume of non-delay-sensitive data. Devices are required to be low cost and have a very long battery life and hence specific machines that require high mobility (that is, freight tracking systems) or high data rates (that is, surveillance cameras) are excluded. Moreover, additional new use cases will emerge, which are not foreseen in detail today. This will require flexibility for future IMT to adapt to new use cases with a wide range of requirements on the key capabilities.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

47 

  48

Introduction to 5G

 

Summary: 5G potential use cases Module Summary This module covered the following learning objectives: •

Identify potential 5G use scenarios.

•

Describe Nokia-defined use cases.

•

Describe NGMN-defined use scenarios.

•

Describe the three usage scenarios defined by ITU-R.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

5G System requirements Module Objectives • • • • • •

Explain diverse requirements for 5G. Identify NGMN defined requirements. Identify key capabilities for IMT 2020 defined by ITU-R. Identify 3GPP requirements for next generation access technologies. Identify 5G requirements. Explain LTE Gap to 5G requirements.

Diverse requirements for 5G Heterogeneous use cases leading to diverse requirements

Figure 32: Heterogeneous use cases leading to diverse requirements The use cases and the vision of the 5G system lead to diverse requirements that the future mobile broadband system will need to meet. The future may seem far ahead but the phase for defining the requirements have already started. The 5G unified ecosystem will serve both traditional as well as potential new applications like drones, real time video surveillance, mobile augmented and virtual reality, IoT and so on. It will have to cope with a high degree of heterogeneity in terms of: •

Services: mobile broadband, massive machine and mission critical communications, broad or multicast services and vehicular communications.

•

Device classes: low-end sensors to high-end tablets.

•

Deployment types: macro and small cells.

•

Environments: low-density to ultra-dense urban.

•

Mobility levels: static to high-speed transport.

As a result, diverse and often contradicting requirements need to be supported, such as high capacity and user-rates, low latency, high reliability, ubiquitous coverage, high mobility, massive number of devices, low cost and energy consumption. Addressing these requirements in 5G requires new methods and ideas at both the component and architectural levels. The identification and elaboration on system requirements and corresponding technology components to address them are the key activities for the 5G-related activities currently going on around the world.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

49 

  50

Introduction to 5G

 

ITU-R started working on setting the fundamental requirements for 5G, followed by the NGMN, an operator pre-standards organization, with the release of its 5G White Paper at Mobile World Congress (MWC) 2015. And more recently by the 3GPP with its technical report for the study item (TR 38.913) Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies developing technical requirements for next generation access technologies for the identified deployment scenarios taking into account, but not limited to, the ITU-R discussion on IMT-2020 requirements. Today, there are preliminary requirements for 5G developed by these organizations but it will be another year or two before these are finalized. As shown in the figure above, there are three main requirement dimensions: •

Throughput and capacity

•

Number of devices and low cost

•

Latency and reliability

As mentioned earlier, some use cases may require multiple dimensions for optimization while others focus only on one Key Performance Indicator (KPI). One of the main challenges for 5G will be to support such diverse use cases in a flexible and reliable way.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

NGMN defined requirements NGMN defined requirements

Figure 33: NGMN defined requirements In March 2015, the mobile-operator-led organization NGMN Alliance published its 5G White Paper providing consolidated 5G operator requirements. According to NGMN defined requirements, the capabilities of the network need to be expanded to support much greater throughput, lower latency and higher connection density. To cope with a wide range of use cases and business models, 5G has to provide a high degree of flexibility and scalability by design. In addition, it should show foundational shifts in cost and energy efficiency. On the end-user side, a key requirement for 5G will be that a consistent customer experience is achieved across time and service footprint. NGMN envisages a 5G eco-system that is truly global, free of fragmentation and open for innovations. NGMN defined requirements are grouped into six categories shown in the figure above. Because these requirements are specified from different perspectives, they do not make an entirely coherent list; it is difficult to conceive a new technology that could meet all of these conditions simultaneously. NGMN defined requirements are defined per use case category instead of one-fit-for-all. The 5G use cases demand very diverse and sometimes extreme requirements. A single solution may not satisfy all the requirements at the same time at reasonable cost. Several use cases may be active concurrently at the same time, requiring a high degree of flexibility and scalability of the 5G network. Not all the requirements will need to be satisfied in 2020. However, the 5G technology baseline should consider all these requirements to be satisfied at some point. The exact requirement set for the first release of 5G (addressing deployments around 2020) will be the subject to further prioritization by NGMN in close cooperation with the industry.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

51 

  52

Introduction to 5G

 

Key capabilities for IMT 2020 defined by ITU-R From IMT Advanced to IMT 2020

Figure 34: From IMT Advanced to IMT 2020 According to ITU-R, IMT-2020 is expected to provide a user experience that matches, as far as possible, the fixed networks. The enhancement will be realized by increased peak and user experienced data rate, enhanced spectrum efficiency, reduced latency and enhanced mobility support. In addition to the conventional human-to-human or human-to-machine communication, IMT 2020 will realize the Internet of Things by connecting a vast range of smart appliances, machines and other objects without human intervention. IMT-2020 should be able to provide these capabilities without undue burden on energy consumption, network equipment cost and deployment cost to make future IMT sustainable and affordable. The key capabilities of IMT-2020 are shown in the spider chart, compared with those of IMT-Advanced. These requirements figures are targets for research and investigation for IMT-2020 and may be further updated in other ITU-R Recommendations. The eight key requirements along with some proposed target values are: Peak data rate

Maximum achievable data rate under ideal conditions per user or device (in Gbit/s) is expected to reach 20 Gbps (under certain conditions and scenarios).

User experienced data Achievable data rate that is available ubiquitously across rate the coverage area to a mobile user/device (in Mbit/s or Gbit/s): in urban and sub-urban areas, a user experienced data rate of 100 Mbit/s is expected to be enabled, In hotspot it is expected to reach higher values (for example,1 Gbit/s indoor). Latency

The contribution by the radio network to the time from when the source sends a packet to when the destination receives it (in ms). 5G will be be able to provide 1 ms over-the-air latency.

Mobility

Maximum speed at which a defined QoS and seamless transfer between radio nodes which may belong to different layers and/or radio access technologies (multilayer/-RAT) can be achieved (in km/h). IMT-2020 is expected to enable high mobility up to 500 km/h with adequate QoS.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

Connection density

Total number of connected and/or accessible devices per unit area (per km2).

Network Energy efficiency

Referring to the quantity of information bits transmitted to/ received from users, per unit of energy consumption of the radio access network (RAN) (in bit/Joule); It should be improved by a factor at least as great as the envisaged traffic capacity increase of IMT-2020 relative to IMTAdvanced for eMBB.

Spectrum efficiency

Average data throughput per unit of spectrum resource and per cell (bit/s/Hz). It is expected to be three times higher compared to IMT-Advanced for eMBB.

Area traffic capacity

Total traffic throughput served per geographic area (in Mbit/s/m2). IMT-2020 is expected to support 10 Mbit/s/m2 area traffic capacity, for example in hot spots.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

53 

  54

Introduction to 5G

 

3GPP requirements for next generation access technologies 3GPP defined requirements

Figure 35: 3GPP defined requirements The Study Item description on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies was approved at the 3GPP TSG RAN #70 meeting. The objective of the study item is to identify the typical deployment scenarios associated with attributes such as carrier frequency, inter-site distance, user density, maximum mobility speed, and so on, and as mentioned before to develop requirements for next generation access technologies for the identified deployment scenarios taking into account, but not limited to, the ITU-R discussion on IMT-2020 requirements. In the coming chapters, we will discuss one-by-one the fundamental requirements for 5G system, as defined by ITU-R, NGMN and 3GPP. Physical layer related requirements in the TR38.913 are given hereafter: •

A diverse set of deployments ranging from Indoor Hotspot to Extreme Rural coverage

•

A wide range of spectrum bands up to 100 GHz and bandwidths up to 1 GHz

•

Wide range of device speeds, up to 500 km/h

•

Ultra-deep indoor coverage with tentative target of 164 dB MCL

•

Device to Device(D2D)/Vehicular-to-Vehicular(V2V) links

•

Target peak rate of 20 Gbps in downlink and 10 Gbps in uplink

•

Significantly improved system capacity, user data rates and spectral efficiency

•

Target C-plane latency of 10 ms

•

Target U-plane latency of 4 ms for mobile broadband, and 0.5 ms for ultra low latency communication

•

Target mobility-incurred connection interruption of 0 ms

•

Target reliability of delivering a packet in 1 ms with 1-10-5 reliability

•

Tentative target UE battery life of 15 years for massive MTC type terminals

•

Improved UE energy efficiency while providing much better MBB data rate

•

Improved network energy efficiency

•

Target connection density of 1 million devices / km2

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

•

Tight interworking with LTE

•

Connectivity through multiple transmission points

•

Operator-controlled side link (device-to-device) operation

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

55 

  56

Introduction to 5G

 

5G requirements Latency

Figure 36: Latency (1/5) There is a broad consensus that 5G requirements include lower latency: latency of 1 ms should be provided for the use cases which require extremely low latency like vehicle-to-vehicle applications and Tactile Internet. The latency can be defined as the contribution by the network to the difference in time (in ms) between when the source sends a packet and when the destination receives it. For latency requirements, the following metrics are considered: User plane latency and control plane latency. The 5G system should give the end user the perception of being always connected. The establishment of the initial access to the network (or status change from idle state to connected) should then be instantaneous from the end user perspective. The target for control plane latency should be [10ms]. The states for 5G are not yet defined, but this should typically be a state transition time between the idle state and a Radio Resource Control (RRC) -connected state that supports efficient transfer of large data volumes. The target for user plane latency should be [1ms] for UL, and [1ms] for DL. Of course, the radio latency evolution needs to be accompanied by an appropriate architecture evolution to meet the expected substantial end-to-end latency improvements.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

Figure 37: Latency (2/5) Mobile networks must meet new demands as human communication changes from click and wait/background traffic, to interactive, real-time, haptic communication, and introduction of critical machine-to-machine type communication. The networks must provide significantly reduced end-to-end latency and higher reliability than is achievable today. Ultra-reliability is vital for safety. Low latency is crucial to ensure applications are usable and interactive whether human-to-human, human-tomachine or machine-to-machine communication. Human interactions will also be more demanding in the future – for the 2G system, the main focus was voice, where latency requirements were driven by the human audible delay constraint, in the order of 100 milliseconds. For multimedia applications, the human eye is more sensitive and delays of less than 10 milliseconds are required. The tactile interaction stands for the increasing use of touch interfaces, where a delay requirement as low as one millisecond can sometimes be observed. Besides pure network capacity, the user experience for many data applications depends heavily on the end-to-end network latency. For example, •

Users expect a full web page to be loaded in less than 1000ms. As loading web pages typically involves multiple requests to multiple servers, this can translate to network latency requirements lower than 50ms.

•

Real-time voice and video communication requires network latencies below 100ms.

•

Advanced apps like cloud gaming, tactile touch/response applications or remotely controlled vehicles can push latency requirements down to even single digit milliseconds.

•

Remotely controlled vehicles or high frequency trading need single digit ms latency.

•

Majority of mobile networks today show end-to-end latency in the range of 200ms - 500ms.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

57 

  58

Introduction to 5G

 

Figure 38: Latency (3/5) Question: Why do we need ultra-reliability and low latency communication? And Why is low latency important? One current example of a service that requires low latency is online gaming. However, in future, the pool of interactive applications will broaden very quickly as we see the rise of augmented reality, work and entertainment in the cloud, automated cars and remotely controlled robots. All of these applications require ultra low latencies for which a 5G system needs to be designed. Minimizing latency and increasing reliability opens up potentially lucrative new business opportunities for the industry, arising from new applications that simply will not work properly if network delays are too high. Latency determines the perception of speed. Real-time functionality demands the lowest possible delay in the network. Reliability creates confidence in users that they can depend on communications even in life-threatening situations. Driverless cars, enhanced mobile cloud services, real-time traffic control optimization, emergency and disaster response, smart grid, e-health or efficient industrial communications are examples of where low latency and high reliability can improve quality of life. Let’s have a look at some major drivers: •

Booming use of the cloud by enterprises and consumers for all kinds of services: As the statistics about download and usage of apps illustrate consumers and enterprises are dependent of the cloud. The strategic vision formulated by Sun Microsystems in 1997 that the network becomes the computer seems to be becoming true. Users, both consumers and enterprises, have become dependent on cloud services and applications and most of them are sensitive to latency, just think of the current trend towards music streaming instead of simple download. Moreover the worlds computing and storage power is widely distributed around the globe in thousands of datacenters which in future of will have performance and storage capacities we can’t imagine today. This global datacenter infrastructure builds together with network and devices a very powerful and flexible cloud of network, computing and storage resources.

•

Augmented reality: The benefit of these type of applications depends on the fact that the required information is available here and now is it is highly context specific.

•

Dynamic machine type communications such as car to car, Auto Pilot pre-crash warning and collision detection/prevention. Other latency sensitive mission critical m2m applications are tele-surgery, railroad surveillance, smart grid demand response.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

•

Virtual reality: Take for example the Oculus Rift, a low latency 360° head tracking system. The Rift uses custom tracking technology to provide ultra-low latency 360° head tracking, allowing you to seamlessly look around the virtual world just as you would in real life. Every subtle movement of your head is tracked in real time creating a natural and intuitive experience. With latency of more than some milliseconds, users will feel bad and won't enjoy this great innovation in virtual reality.

•

Video: In addition to the known voice and video services, an increasing number of real-time apps will test the performance of the networks. And such apps will more and more also rely on fast access to cloud content. Applications containing video will account for nearly 80% of mobile traffic by 2020.

Figure 39: Latency (4/5) 5G needs to deliver latencies low enough that the radio interface will not be the bottleneck, even for the most challenging use cases. Reducing latency to sub-1ms levels may provide the greatest technical challenge. Radio access is close to the user and has a significant impact on reliability and latency. While LTE supports today’s broadband traffic, more advanced technology will be needed to provide the ultra-reliability and low latency required by new use cases and applications. Existing mobile networks are designed more specifically for conventional and streaming applications such as voice and video. The latency and reliability in current wireless technologies have been designed with the human user in mind. In the years beyond 2020, the design of new applications should consider Machine-to-Machine (M2M) communication with real-time constraints. The latency of LTE is superior to that of 3G, but still inferior to what can be achieved with the wired Internet. LTE has 10 millisecond frame and 1 millisecond TTI, which are hard limits for latency. The new 5G sub-frame will be at sub millisecond level to set a base for short latency. Meanwhile, the frame structure needs to be optimized for less latency. Nokia has developed innovative ways to optimize the frame structure to minimize scheduling latency in small cells by applying bidirectional CTRL (control) signaling to every sub-frame. This works by locating CTRL and reference signals before the data to allow continuous processing at the receiver site without waiting for a response. In addition, Device to Device (D2D) use is supported for local traffic routing. Each subframe can be dynamically set as uplink or downlink to enable resource allocation to follow the actual traffic. Reducing latency to sub-1ms levels may provide the greatest technical challenge. Nokia has demonstrated mmWave jointly with NTT Docomo in MWC 2015, which has only 1ms radio latency.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

59 

  60

Introduction to 5G

 

Of course, the radio latency evolution needs to be accompanied by an appropriate architecture evolution to meet the expected substantial end-to-end latency improvements. Despite the inevitable advances in processor speeds and network latency between now and 2020, the speeds at which signals can travel through the air and light can travel along a fiber are governed by fundamental laws of physics. A user located in Europe accessing a server in the US will face a 50ms round-trip time due simply to the physical distance involved, no matter how fast and efficient the network is. As the speed of light is rather constant, the only way to improve this will be to reduce the distance between devices and the content and applications they are accessing. Consequently, services requiring a delay time of less than 1 millisecond must have all of their content served from a physical position very close to the user’s device. Which means that any service requiring such a low latency will have to be served using content located very close to the customer, possibly at the base of every cell. In order to introduce support low latency services, the Gateway and application, that is Mobile Edge Computing (MEC) should be introduced close to the radio. Already today, content distribution networks provide storage functionality at the peering points in the network and are a first step in this direction for static content. However, many future applications such as cloud gaming depend on dynamically generated content that cannot be cached. Therefore, the processing and storage for time critical services also needs to be moved closer to the edge of the network. The converged IP-Edge is the natural place to provide this local pool of storage and processing resources across different types of access. For very low latency services and to offload the mobile backhaul, this functionality will also be integrated with base station sites. These concepts also represent unique new business opportunities for operators. Due to their proximity to the users, they are in a unique position for hosting or providing low latency services.

Figure 40: Latency (5/5) One millisecond latency in combination with high availability, reliability and security will define the characteristics of the Tactile Internet. Download the related ITU Technology watch report here: http://www.itu.int/oth/T2301000023/en

 Play this video using the following link: http://youtu.be/7Letq_IdpmQ. In this video, the professor of the Vodafone Chair Mobile Communications Systems at the Institute for Telecommunications of the Technical University of Dresden. Dr. Gerhard Fettweiss, summarizes the wireless solution engineers must create to match the needs of today's tactile internet world.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

Peak data rate

Figure 41: Peak data rate (1/2) Peak data rate refers to the maximum achievable data rate per user or device. That is the highest theoretical data rate which is the received data bits assuming errorfree conditions assignable to a single mobile station, when all assignable radio resources for the corresponding link direction are utilized (that is, excluding radio resources that are used for physical layer synchronization, reference signals or pilots, guard bands and guard times). 5G should provide very high peak data rate capability that leads to high network capacity enabling new differentiated services and enriching the end user experience. The 3GPP target for peak data rate should be [20Gbps] for downlink and [10Gbps] for uplink.

Figure 42: Peak data rate (2/2) Gigabit experience will mean data reception and transmission speeds of Gigabits per second to users and machines. Again, this does not mean providing highcapacity networks everywhere, but the centers of big cities will be the first places where the demand for a new system will be felt. The overall demand growth in both user data rates and network capacity is still the main driver for technological evolution – higher capacities of networks will require better performance, cell densification and access to new, broader carriers in new spectrum. Part of the capacity growth can of course be met with existing systems, but around 2020, limits will be reached and 5G technologies will be needed. The most salient requirement for IMT-Advanced has been peak service rates of 100 Mbit/s for high mobility users and 1 Gbit/s for low mobility users. For the future IMT for 2020 and beyond, it is expected that the peak data rate will increase several times more compared to IMT advanced. The wireless broadband data traffic is projected to increase by 1000 fold by the year 2020 and beyond. The continued increase in peak service rates will be necessary for wireless communication networks to meet the demands of future services. © Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

61 

  62

Introduction to 5G

 

Several proposals for wireless 5G requirements call for data rates of 1 to 10 Gbps and greater have been put forward. 5GPPP calls for 1000 times higher data capacity compared with 2010 capabilities. Samsung has suggested that first commercial 5G products in 2018 should support 6 Gbps and evolve to 50 Gbps theoretical peak data rates. The Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty (2020) Information Society (METIS) is more judicious in their proposed requirements, but was calling for at least 1 Gbps sustained and 5 Gbps with lower availability. According to the mobile-operator-led organization NGMN defined requirements, the network should be able to serve a massive number of human and Machine-Type Communication (MTC) devices. In the extreme cases: Data rates of several tens of Mb/s should be supported for tens of thousands of users in crowded areas, such as stadiums or open-air festivals. 1 Gb/s to be offered, simultaneously, to tens of workers in the same office floor. When it comes to technologies enabling higher peak rates, technologies for harnessing higher frequency bands (for example, mm-wave bands) where large blocks of spectrum can be made available and technologies to facilitate spectrum sharing (in IMT identified spectrum utilized by other incumbent services) would be desirable to meet the continued increase in peak service rates of future applications and systems. Technologies enabling wider channel bandwidth, higher order modulation, and higher order MIMO techniques (Massive MIMO) would provide larger peak data rates. New transmission techniques, may also provide higher peak rates. Technologies in high frequency bands (for example, mm-wave bands) can utilize the available wider contiguous bandwidth to provide higher peak service rates (in order of gigabits per second). However, the attainable spectral efficiency in extremely high frequency bands may be limited since the air interface will have to overcome demanding propagation conditions in these bands. Moreover, device constraints will limit the power output in certain high frequency bands. Solutions based on lower peak-to-average ratio modulation methods may be appropriate. Massive MIMO technologies can also increase peak service rates by using large number of transmission antennas to implement effective beam-forming. This technology also has the potential for increasing user capacity through more effective spatial domain re-use. Arrays with large numbers of antenna elements are more feasible in mm-wave bands.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

Spectral efficiency

Figure 43: Spectral efficiency (1/2) Spectral efficiency is measured in bits/sec/Hz and corresponds to the amount of bits that can be transported over a wireless link per unit of spectrum. The spectral efficiency of HSPA is between 0.5 and 1.0bps/Hz/cell. The spectral efficiency of LTE is up to 6.1 bps/Hz/cell (Baseline spectrum efficiency depends on the use case as presented in TR 36.912). Through innovative techniques for 5G New-Radio (like Massive MIMO technology) it will be possible to increase the spectral efficiency up to [30bps/Hz] for downlink and [15bps/Hz] for uplink. For 3GPP, the target for peak spectral efficiency should be [30bps/Hz] for downlink and [15bps/Hz] for uplink.

Figure 44: Spectral efficiency (2/2)

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

63 

  64

Introduction to 5G

 

User experienced data rate

Figure 45: User experienced data rate The user requirements will become more stringent over time: accessing data without perceivable latency, ubiquitous connectivity, and, of course, larger data rates. While 1 Mbit/s arguably provided a fair degree of satisfaction in 2010, users are more likely to demand at least 10 times what deemed feasibly today by 2020 and potentially 100 times beyond 2020. 5G systems should provide an edgeless experience to the mobile users unlike the existing wireless systems where the user experience is limited by the cell edge performance. It need to provide significant improvement in cell capacity and boost user data rate to accommodate rapidly increasing traffic demands of the future. Peak data rates of a 5G system will be 10 Gbps in uplink and 20 Gbps Downlink but more importantly user experienced data rate, or end-user data rate which is measured in bit/s at the application layer should be at least 100 Mb/s available everywhere according to ITU-R. This will allow the use of the mobile Internet as a reliable replacement for wireline wherever needed. The required user experienced data rate should be available in at least 95% of the locations (including at the celledge) for at least 95% of the time within the considered environment. User experienced data rate is defined by 3GPP as the 5%-percentile of the user throughput. User throughput (during active time) is defined as the size of a burst divided by the time between the arrival of the first packet of a burst and the reception of the last packet of the burst. User experienced data rate is here defined as the data rate that, under loaded conditions, is available with 95% probability. It may be calculated as user experienced data rate = 5% user spectrum efficiency × bandwidth. The user experienced data rate requirement depends on the targeted application/use scenario. It is set as the minimum user experienced data rate required for the user to get a quality experience of the targeted application/use scenario. 5G would support different user experienced data rates covering a variety of environments and scenarios for enhanced Mobile Broadband. For wide area coverage cases, for example, in urban and sub-urban areas, a user experienced data rate of 100 Mbit/s is expected to be enabled. In hotspot cases, the user experienced data rate is expected to reach higher values (for example, 1 Gbit/s indoor). According to NGMN, Use case specific user experienced data rates up to 1 Gb/s should be supported in some specific environments, like indoor offices, while at least 50 Mb/s shall be available everywhere cost-effectively. Finally, values for relevant deployment scenario(s) are for further study by 3GPP.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

Connection density

Figure 46: Connection density By delivering massive capacity and connectivity, 5G will be the key enabler of a new era that will affect every end user, the economy, and the society as a whole. It will make the probable possible by connecting everyone and everything efficiently. Number of connections refers to the total number of users and devices simultaneously connected to the wireless systems. 5G systems should support very high number of connections considering increased communication among things that is expected in the year 2020 and beyond. Connection density refers to total number of devices fulfilling specific Quality of Service (QoS) per unit area (per km2). QoS definition should take into account the amount of data or access request generated within a time t_gen that can be sent or received within a given time, t_sendrx, with x% probability. Innovative thinking and the right combination of technologies are needed to enable new 5G solutions for massive connectivity. 5G differs from 4G LTE in that it will be designed not for one traffic type, but multiple types. And, each type of traffic will have different and often extreme requirements. For example, a massive number of new Internet of Things (IoT) devices will be attached to a 5G network. Bell Labs Consulting estimates that the total number of IoT connected cellular devices will be between 1.6B and 4.6B by 2020. While these devices will add little traffic compared to mobile broadband, they will require signaling to communicate with the network. Bell Labs estimates that a typical IoT device may need 2,500 transactions or connections to consume 1MB of data. The billions of connected devices, combined with more social and messaging type video applications that generate small packets of signaling data could overload today’s networks. This will reduce the bandwidth for mobile broadband traffic and impact the QoE for subscribers. According to ITU-R, future IMT 2020, should support: •

High user density without degrading quality.

•

Large number of connected devices.

High user density without degrading quality This scenario addresses solutions that provide reasonable end-user experience in a crowd. The technical challenge is to provide such service at high traffic density per area despite a large number of handsets and machines/devices per area in combination with deployment cost constraints.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

65 

  66

Introduction to 5G

 

This will allow end-users to enjoy infotainment applications in shopping malls, stadiums, open air festivals, or other public events that attract a lot of people. It will allow people to work while getting stuck in unexpected traffic jams, or when travelling in crowded public transportation systems. It might also allow professionals such as police, fire brigades, and ambulances to exploit the public communication networks in these crowded environments. New societal services can also be provided if good MMC and D2D communication are enabled in these crowded environments. To ensure direct communication and massive machine communication are not disrupting the quality of experience of other services, particular care must be devoted in defining solutions to manage the potential impacts of D2D and MMC. Large number of connected devices This scenario addresses the communication needs of a massive deployment of ubiquitous machine-type devices, ranging from low complexity devices to more advanced devices. The resulting, widely varying, requirements in several domains for example, in terms of energy consumption, cost (complexity), transmission power, latency, cannot always be best met by cellular networks currently under deployment. Ubiquitous devices will sometimes communicate in a local context, which means that the traffic pattern and routes may be different than in cloud or traditional humancentric communication. To integrate the ubiquitous things' communication in a unified communications network is a challenge. For example, for applications combining information from different types of sources. Another challenge lies in how to manage the created signaling overhead by the high number of devices.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

Area traffic capacity

Figure 47: Area traffic capacity The 5G Network should have the capability to provide mobile communication services to areas with extreme user density and it requires extreme traffic volume. Area traffic capacity means total traffic throughput served per geographic area (in Mbit/s/m2). The area traffic capacity is a measure of how much traffic a network can carry per unit area. It depends on site density, bandwidth and spectrum efficiency. In the special case of a single layer single band system, it may be expressed as: area capacity (bps/m2) = site density (site/m2) × bandwidth (Hz) × spectrum efficiency (bps/Hz/site). To increase the Area traffic capacity, we might increase spectrum efficiency or support large bandwidth. IMT Advanced's target is to improve spectrum efficiency gains in the order of [3x]. Regarding the bandwidth; it is proposed that at least [1GHz] aggregated bandwidth shall be supported. The available bandwidth and site density, which both have a direct impact on the available area capacity, are linked to the deployment scenario and are under the control of the service provider. Thus no target requirement can be specified. Nevertheless, the spectrum efficiency results together with assumptions on available bandwidth and site density can be used in order to derive a quantitative area traffic capacity KPI for information.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

67 

  68

Introduction to 5G

 

Mobility interruption time

Figure 48: Mobility interruption time Mobility interruption time means the shortest time duration supported by the system during which a user terminal cannot exchange user plane packets with any base station during transitions. The target for mobility interruption time should be [0ms]. In LTE, U-plane interruption time in FDD is 10.5 ms, in TDD is 12.5 ms for both intrafrequency and inter-frequency handovers. And there is no specific requirements for inter-RAT interruption time. In 3GPP, target mobility-incurred connection interruption of 0 ms. This is a key requirement for delivering Connectivity transparency and consistent experience in a highly heterogeneous environment. According to NGMN, connectivity transparency should be achieved in a seamless way from a user perspective. By defining the service interruption time as the time during which the user is not able to receive any user plane data, including intersystem authentication time, this requires: •

Inter-RAT mobility service interruption time, including between 3GPP and non3GPP RATs, shall be possible to be unnoticeable by the user (possibly depending on the user subscription).

•

Intra-RAT mobility service interruption time shall be possible to be unnoticeable by the user (possibly depending on the user subscription).

•

Seamless inter-system authentication, including between 3GPP and non-3GPP RATs.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

Inter-system mobility

Figure 49: Inter-system mobility According to 3GPP TR, further study is needed to clarify what is IMT system and maybe to limit it to LTE or LTE evolution. Whether to support voice interoperability is to be clarified.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

69 

  70

Introduction to 5G

 

Reliability

Figure 50: Reliability As a key design principle for 5G, reliability is related to flexibility - with the flexible integration of different technology components, we will see a step away from best effort mobile broadband towards truly reliable communication. Reliability is not only about equipment up-time, it also relates to the perception of infinite capacity and coverage that future mobile networks need to deliver. This in principle means that for all the use cases and the vast majority of the users, the required data will be received in the required time and will not be dependent on the technology used. Furthermore, reliability is becoming more critical as we start to relay on mobile communications for control and safety. A reliable connection can be defined as the probability of a certain data package being decoded correctly within a certain timeframe. This means that retransmission may be needed to ensure reception of a correct data package, a process which will inevitably delay the transmission. Therefore, even to obtain LTE latency numbers with higher reliability, a lower system delay will be required. So, Reliability relates to the capability to provide a given service level with very high probability. The reliability of a communication is characterized by its reliability rate, defined as follows: the amount of sent packets successfully delivered to the destination within the time constraint required by the targeted service, divided by the total number of sent packets. If reliability is high enough, in particular when combined with low latency, critical machine communication and safety-of-life applications can be supported. The reliability rate depends on the service and use case. The 5G technology should allow high reliability rates of 99.999%, or higher for the use cases that demand it, particularly in case of critical machine communication. The target for reliability should be [1-10-5] within [1ms].

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

Mobility (Speed)

Figure 51: Mobility (Speed) The 5G ecosystem will ensure possibilities to provide high (but not peak) data rates even to high speed users. The target for mobility target should be 500km/h. According to NGMN: Mobility refers to the system’s ability to provide seamless service experience to users that are moving. In addition to mobile users, the identified 5G use cases show that 5G networks will have to support an increasingly large segment of static and nomadic users/devices. 5G solutions therefore should not assume mobility support for all devices and services but rather provide mobility on demand only to those devices and services that need it. In other words, mobility on-demand should be supported, ranging from very high mobility, such as highspeed trains/airplanes, to low mobility or stationary devices such as smart meters. The mobility requirements are expressed in terms of the relative speed between the user and the network edge, at which consistent user experience should be ensured. And according to ITU-R: A connected society in the years beyond 2020 will need to accommodate a similar user experience for end-users on the move and when they are static for example, at home or in the office. To offer the best experience to highly mobile users and communicating machine devices, robust and reliable connectivity solutions are needed as well as the ability to efficiently maintain service quality with mobility. Good mobility is defined by being seamless for the end user and in that fixed, nomadic as well as high speed mobility is supported. A fully connected beyond 2020 society requires bringing a similar user experience for end-users on the move as for static users for example, at home or in the office. To provide the best experience to highly mobile user equipment and communicating machine devices, robust and reliable connectivity solutions are needed as well as the ability to efficiently manage the mobility.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

71 

  72

Introduction to 5G

 

Energy efficiency

Figure 52: Energy efficiency (1/2) When it comes to energy efficiency, two aspects are to be considered: •

on the network side, energy efficiency refers to the quantity of information bits transmitted to and received from users, per unit of energy consumption of the radio access network (RAN) (in bit/Joule);

•

on the device side, energy efficiency refers to quantity of information bits per unit of energy consumed (in bit/Joule) by the communication module.

Energy efficiency of the networks is a key factor to minimize the Total Cost of Ownership (TCO), along with the environmental footprint of networks. As such, it is a fundamental design principle of 5G. The air interface and system solutions developed for 5G must be very energy efficient for devices in general and enable years of no-charge operation in support of low-cost wide-area Internet of Things applications. The 5G radio system must be designed with these requirements in mind. UE battery life is another requirement related to device energy consumption which can be evaluated by the battery life of the UE without recharge. The target for UE battery life should be [10 years]. According to ITU-R requirements for IMT-2020, Network energy efficiency should be improved by a factor at least as great as the envisaged traffic capacity increase of IMT-2020 relative to IMT-Advanced for eMBB. According to 3GPP, inspection is the baseline method to qualitatively check the capability of the RAN to improve area traffic capacity with minimum RAN energy consumption, for example, ensure no or limited increase of BS power with more antenna elements and larger bandwidth, and so on. As qualitative evaluation, 3GPP should ensure that the new RAT is based on energy efficient design principles. When quantitative evaluation is adopted, one can compare the quantity of information bits transmitted to/received from users, divided by the energy consumption of RAN.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

Figure 53: Energy efficiency (2/2) A Green 5G is crucial for a healthy environment. As global carbon emissions increase and sea levels rise, global weather and air pollution in many large cities across the world is becoming more severe. Consequently, energy saving has been recognized as an urgent issue worldwide. Information and Communications Technologies (ICT) take up a considerable proportion of total energy consumption. In 2012, the annual average power consumption by ICT industries was over 200 Gigawatt, of which telecoms infrastructure and devices accounted for 25 percent. In the 5G era, it is expected that millions more base stations with higher functionality and billions more smart phones and devices with much higher data rates will be connected. Several research groups and consortia have been investigating Energy Efficiency (EE) of cellular networks, including Mobile VCE, EARTH, and GreenTouch. Mobile VCE has focused on the BS hardware, architecture, and operation, realizing energy saving gains of 75–92 percent in simulations. GreenTouch has set up a much more ambitious goal of improving EE 1000 times by 2020. Several operators have been actively developing and deploying green technologies, including green BSs powered solely by renewable energies, and green access infrastructure such as cloud, collaborative and clean radio access network (C-RAN). Bell Labs is a founder of the GreenTouch consortium – dedicated to fundamentally transforming communications and data networks and significantly reducing the carbon footprint of ICT devices, platforms and networks. Thierry Klein, Head of Bell Labs Green Research, explains, We need to operate the network differently. The networks need to be much more dynamic and more intelligent to ultimately be more energy-efficient. The Chief Scientist of Wireless Technologies and Head of Green Communications Research Center at China Mobile, Dr. Chih-Lin I said The future has to be green, anything that’s not green, does not belong to the future.  Click this hyperlink to Replay the GreenTouch™ video: http://youtu.be/pAyQ-kxPw9o

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

73 

  74

Introduction to 5G

 

LTE Gap to 5G requirements LTE Gap to 5G requirements

Figure 54: LTE Gap to 5G requirements When the baseline 4G system (3GPP Release-12, taken from ITU requirements for IMT-Advanced in 3GPP TR 36.912) is compared against the 5G requirements, improvements are different domains. Particularly, the network capabilities of 3GPP Release-12 fall short of the 3GPP requirements in a number of areas as shown on this table. Also, IMT-2020 systems will differentiate themselves from LTE systems not only through further evolution in radio performance but also through greatly increased flexibility end-to-end. This end-to-end flexibility will come in large part from the incorporation of software into every component. Well known techniques such as Software defined networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV) and cloud computing will together allow unprecedented flexibility in the IMT-2020 system. Such flexibility will enable many new capabilities including network slicing.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G System requirements

Summary: 5G System requirements Module Summary This module covered the following learning objectives: •

Explain diverse requirements for 5G.

•

Identify NGMN defined requirements.

•

Identify key capabilities for IMT 2020 defined by ITU-R.

•

Identify 3GPP requirements for next generation access technologies.

•

Identify 5G requirements.

•

Explain LTE Gap to 5G requirements.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

75 

  76

Introduction to 5G

 

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

5G New-Radio Module Objectives • • • • • • • • • • • •

Explain emerging application challenges. Explain why we need new radio for 5G. Describe the new RAT key characteristics. List main building blocks for 5G New-Radio. Explain why more spectrum is needed for 5G. Describe mmWave and cmWave. Describe new waveforms candidates for 5G radio. Describe massive MIMO. Describe Flexible frame design. Describe multi-connectivity feature. Explain Device-to-Device technique. List other potential building blocks for 5G New Radio.

Emerging application challenges Emerging application challenges 5G will support countless emerging use cases with a high variety of applications and variability of their performance attributes. 5G requirements imply heterogeneity in multiple areas from: •

Delay-tolerant video applications to ultra-low latency

•

High speed entertainment applications in a vehicle to mobility on demand for connected objects

•

Reliable applications to critical ones such as health

. It is also expected that future network will be able to support thousands of devices (for example, machines and smartphones). A flexible system that can adapt the amount of overhead and signaling is desirable. Many current and future applications generate small packets. It includes real-time gaming, instant message, machine type of traffic, and status update message.

Figure 55: Emerging application challenges Ultra-dense networks need to handle large number of simultaneous transmissions in a small geographical area. This poses new challenges to resolve multiple access problems efficiently and flexibly, especially in scenarios where Device-to-Device (D2D) communications and/or massive sets of Machine-to-Machine Communications (MMC) take place.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

77 

  78

Introduction to 5G

 

5G will operate in a highly heterogeneous environment characterized by the existence of multiple types of access technologies, multi-layer networks, multiple types of devices, multiple types of user interactions, and so on. In such an environment, there is a fundamental need for enablers to achieve seamless and consistent user experience across time and space. Clearly, the 5G architecture should include modular network functions that could be deployed and scaled on demand, to accommodate various use cases in an agile and cost efficient manner. 5G promises to improve wireless network performance by providing the capacity to support diverse connections and the flexibility to adapt to each user’s needs. Consequently, 5G requires much more Scalability and Flexibility than previous generations.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

Why we need new radio for 5G Re-imagining radio interface Current wireless standards (for example, LTE), while providing significant enhancements over previous generations, are not able to fully meet the future networks' challenges. The existing design is geared towards a one-size-fit-all solution which is not flexible and efficient enough for the variety of applications and services envisioned for the future. A single monolithic air interface design is not able to suit the competing needs of different applications.

Figure 56: Reimagining radio interface When designing the future air interface, considerations are taken to address several key challenges, in particular - latency; overhead; capacity (spectral efficiency, number of users, and so on); high reliability; ubiquitous coverage; high mobility; massive number of devices; and low cost and energy consumption. With all these requirements and the diversity of solutions, flexible design and interface management are of increasing importance, as most likely a one-fits-all solution will not be able to efficiently address all the demand of the diverse services of future wireless networks. Why can’t we simply evolve LTE? The answer is simple - The set of requirements for 5G is not economically or technically achievable with the evolution of 4G. Some of the main challenges include: •

Advanced mission critical services and immersive virtual reality will eventually require extremely low end-to-end service latency of less than 1 millisecond. This will challenge the basis of the LTE framework and the hybrid re-transmission approach used to handle error correction which effectively limits latency to approximately 10 milliseconds.

•

With wide spread adoption of Internet of Things devices, the RAN will need to handle extreme device connection density, up to 1,000,000 devices per km². Because LTE is connection-oriented, the signaling overhead will become a major issue as soon as the device density increases, and so what is required is a connectionless service.

•

Desire by mobile operators to offer a more consistent Quality of Experience (QoE) rather than simply promoting raw peak bit rates will push the RAN to support a more flexible optimization for a more uniform delivered bit rate.

•

The need to optimize the radio interface to simultaneously meet a wider range of use cases will drive the need for a more adaptable radio and core network solution than LTE/EPC.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

79 

  80

Introduction to 5G

 

•

Ongoing traffic growth in high density zones will eventually exceed what can be supported in the spectrum bands in which LTE was designed to operate, leading to a need for new radio access technologies optimized for new spectrum bands above 20 GHz.

•

Need to evolve the security infrastructure to handle a significantly large number of attached devices will encourage the adoption of more distributed solutions based on chain of trust using verifiable credentials.

The 4G air interface and it's evolutions fall short in meeting the requirements of the new use cases. There is an obvious need to shape a new 5G air interface that will offer much more than just a faster variant of 4G.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

New RAT key characteristics New RAT key characteristics To allow the system to adapt to the anticipated wide range of use cases and extreme requirements, the key characteristics of 5G new radio should be: •

Flexibility

•

Scalability

•

Efficiency

•

Reliability

Figure 57: New RAT key characteristics Flexibility The flexibility of 5G radio allows the support of a multitude of applications with diverse requirements. The use cases for 5G are more diverse than ever and require very diverse link characteristics. Some examples are as follows: •

Massive data transmissions require large packet sizes and a lot of allocated resources.

•

Non-stationary sensors may need only small packet sizes and rare resource allocations, but in turn require a battery efficient sleep mode.

•

Flexible adaptation to fast traffic variations in uplink and downlink.

•

Cloud gaming or remote machine control require low end-to-end latency.

•

Video streaming requires latency matching with the data rate communication systems beyond 2020 will need to be flexible enough to accommodate all the diverse use cases without increasing the complexity of management.

Another reason that flexibility is the first key design principle of 5G is that any new technology or system we design for 5G needs to be future proof and last at least until 2030. This means that it is unlikely that we can currently foresee all future use cases. However, we will need to design all new components of 5G in a way that makes it easy to extend them to accommodate these unknowable scenarios. Scalability Scalability renders the air interface to be able to scale to a very large number of connections (typically required by machine type communications) concurrently with other types of connections (for example Mobile Broadband).

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

81 

  82

Introduction to 5G

 

Efficiency The air interface design will achieve high degrees of efficiency, both in terms of energy and also resource utilization (particularly spectrum utilization). Reliability As a key design principle for 5G, reliability is related to flexibility. With the flexible integration of different technology components, we are a step away from best effort mobile broadband towards truly reliable communication. Reliability is not only about equipment up-time, but also relates to the perception of infinite capacity and coverage that future mobile networks need to deliver. This in principle means that for all the use cases and the vast majority of the users, the required data is received in the required time and will not be dependent on the technology used. Furthermore, reliability is becoming more critical as we start to relay on mobile communications for control and safety. A reliable connection can be defined as the probability of a certain data package being decoded correctly within a certain timeframe. This means that re-transmission may be needed to ensure reception of a correct data package, a process which will inevitably delay the transmission. Therefore, even to obtain LTE latency numbers with higher reliability, a lower system delay will be required. Putting reliability as a key design principle for 5G means that: •

In all concepts of system, design focus should be put on fairness.

•

The requirement is expressed in % of the users and not the locations/coverage, because even the reliable network needs to be cost effective for the service providers.

•

The mechanisms for trade-off between link reliability (low packet error rate) and throughput and/or latency are introduced in a simple and efficient way.

•

Multiple network layers and radio access technologies are used to provide the most reliable link based on the user’s application needs, location and mobility.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

Main building blocks for 5G New-Radio Potential building blocks for 5G New-Radio As outlined before, a single monolithic air interface design will not be able to suit the competing needs of different use scenarios. When designing the future 5G air interface, considerations are taken to address several key challenges, in particular: Latency; overhead; capacity (spectral efficiency, number of users, and so on.); high reliability; ubiquitous coverage; high mobility; massive number of devices and low cost and energy consumption. This slide shows the most important (but not exhaustive) technologies of the future 5G radio system to meet the required KPI's:

Figure 58: Potential building blocks for 5G New-Radio The main technologies which are the building blocks for 5G New-Radio will be described in the coming slides.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

83 

  84

Introduction to 5G

 

Why more spectrum is needed for 5G 5G spectrum Mobile broadband networks face a tremendous increase in data traffic volumes over the next 20 years. So, how to solve the capacity challenge? In the world of wireless, Shannon’s law is the one fundamental rule that defines the physical limits for the amount of data that can be transferred across a single wireless link. It says that the capacity is determined by the available bandwidth and the signal to noise ratio – which in a cellular system typically is constrained by the interference. Clearly, in order to meet the increased capacity and coverage demand, large amounts of spectrum is a key prerequisite for any radio access network evolution. Beyond the levers of increased network densification and enhanced spectral efficiency, more radio spectrum for mobile networks is vital to meet this capacity challenge. A new spectrum will need to be allocated and put into use quickly.

Figure 59: 5G spectrum (1/3) The amount of spectrum available needs to be expanded by adopting new frequency bands and by using available spectrum more efficiently, both in terms of frequency and with regard to when and where it is employed.

Figure 60: 5G spectrum (2/3) 5G radio is likely to use several bands from 400 MHz to 100 GHz and spectrum below 6 GHz for early 5G introduction.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

5G Radio Access is developed for different spectrum ranges like below 6 GHz. In November 2015, the World Radiocommunication Conference (WRC) held by the ITU agreed on an agenda item for WRC 2019 to identify spectrum for IMT 2020; new radio bands above 20 GHz are expected to be identified for 5G. The lower frequency bands being made available for 5G have good penetration characteristics that provide coverage to support applications with high mobility and reliability. Efficiently using sub-6 GHz spectrum requires different carrier bandwidths and flexible spectrum aggregation techniques. Within this range, carrier bandwidths of 40-100 MHz and efficient spectrum aggregation techniques are needed for sub-3 GHz FDD deployments. For 3-6 GHz spectrum, support for high contiguous carrier bandwidths of more than 100 MHz is especially relevant. The higher frequencies have several bands available to provide huge capacity and throughput. Nokia has proven that it is possible to take advantage of x*100 MHz bandwidth in the cmWave band (3–40 GHz), or 1–2 GHz bandwidth in the mmWave band (40–100 GHz). Substantial Nokia research, including channel measurements, Proof of Concept verifications and live trials with key operators shows that these bands can be used for access and backhaul to help support large volumes of small cell traffic. Current spectrum allocations and the work of the WRC indicate that by about 2020 the focus will be on frequencies below 6 GHz and some non-harmonized national/regional spectrum above 6 GHz: •

In most of the regions, 5G will be commercially launched in year 2020 at spectrum between 3-6 GHz (for example at 3.4-3.8 GHz) and deployments above 6GHz will follow some years later, though some countries such as Korea, US and Japan likely to start with 28 GHz as well (Verizon also looking at 39 GHz).

•

Currently, no spectrum in the range 4-24 GHz for 5G.

•

For below 6 GHz minimum band allocation is 50-100 MHz per operator (based on LTE CA –not on 5G performance) and for above 6GHz min 400[-1000/3000] MHz per operator is needed for extreme mobile broadband use case of 5G.

•

5G trial activities are ongoing in spectrum both below and above 6 GHz.

•

First commercial pre-5G deployment is expected in US at 28/39GHz for Fixed Wireless Access (FWA).

•

First major mobile 5G trial is expected at Korean Olympics also at 28 GHz.

Figure 61: 5G spectrum (3/3)

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

85 

  86

Introduction to 5G

 

Should no further low bands be made exclusively available for cellular, then operators will need to make use of complementary solutions to obtain additional spectrum and ways of utilizing spectrum more efficiently. For the latter purpose, there are a number of technology features and capabilities which Nokia considers to be greatly beneficial in optimizing the utilization of available spectrum. Spectrum sharing techniques are used to optimize spectrum utilization, and more importantly, to provide opportunities for operators to access additional spectrum, which is typically allocated to other radio services and thus not available via traditional exclusive licensing. This way different spectrum sharing options are complementing network capacity. These will most likely mean sharing spectrum with other incumbents through Licensed Shared Access (LSA) and Authorized Shared Access (ASA). Ultimately, the availability of spectrum and the efficiency of it’s usage contribute fundamentally to the achievable capacity and performance of radio networks. Furthermore, affordability is crucial, so the harmonization of radio frequency bands remain important to ensure economies of scale, to facilitate roaming and to minimize interference across borders. Nokia believes that spectrum harmonization is a key policy objective in line with ITU-R recommendations. For more information on Introduction of new spectrum sharing concepts: LSA and WSD, go to https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/workshops/RWP1B-SMWSCRS14/Presentations/CEPT-ECC-FM53%20%20Introduction%20of%20new%20spectrum%20sharing%20concepts%20 WSD%20and%20LSA.pdf Exclusive access remains top priority Exclusive access is the traditional means of making spectrum available to cellular network operators. Exclusivity promotes operators’ long term investment in large scale networks and guarantees high quality services. Licenses are granted by National Regulatory Authorities (NRAs) in accordance with national laws and rules, either directly following an operator’s application, through a beauty contest procedure or through an auction. Auctions have been the most common mechanism employed over the last decade. The licensee has the sole right to use this spectrum according to the assignment rules, either on a nationwide basis or within a defined geographical region, over a significantly long period of time, for example, 20 years. It is commonly acknowledged that such exclusive use of dedicated spectrum will continue to be the preferred way of spectrum usage by MBB cellular operators. Authorized/Licensed Shared Access – A new complementary licensing scheme Even though dedicated spectrum for exclusive use remains the gold standard, and the preferred option to address the expected demand of future mobile broadband, it is also vital to use all available spectrum as efficiently as possible. This may result in sharing it with other services. Many bands already host important services that must have access to spectrum, but do not necessarily use it fully. A number of bands are used only partially in time and/or location. For example, spectrum allocated to defense organizations might only be required in a few geographic locations, with the potential for it to be made available to MBB in other parts of a given country. Similarly, other spectrum might only be required by licensees for use at specific events at certain times of the year, and could at other times be made available to other parties.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

New emerging cognitive technologies make it possible to share spectrum by using radio environmental awareness techniques and interference management, which allow multiple systems to occupy the same spectrum. In order that such capabilities are realized, new regulatory approaches are needed that allow more flexible, shared spectrum usage. Authorized Shared Access (ASA), as being defined and reframed by Radio Spectrum Policy Group (RSPG) as Licensed Shared Access (LSA) is a regulatory approach to allow spectrum sharing under well-defined conditions. ASA/LSA provides a solution for bands that cannot easily be vacated by their incumbent users, but where actual spectrum usage is underutilized and infrequent. The concept was originally proposed by an industry consortium under the name Authorized Shared Access. Through this new access model, a primary license holder (incumbent) grants spectrum access rights to one or more other users which may then use the band under specific service conditions. Conditions defining how the spectrum may be used is subject to individual agreements, and to permission from the NRA. The NRA is expected to issue licenses to one, or a very limited number of mobile operators that allows them to use specific bands as ASA/LSA licensees. Thereby orthogonal usage by time or location should always be coordinated between the operators and the incumbent in order that a certain level of performance predictability can be realized. This setting provides predictable levels of service quality – thus strengthening motivation for investment in infrastructure compared to the scenario where usage is made available under a license-exempt scheme such as a TV White Spaces concept. ASA/LSA is a valuable spectrum optimization tool as it aims to balance the needs of legacy spectrum users with those of operators, and it enables timely availability and licensed use of harmonized spectrum with predictable QoS. A major benefit envisioned with ASA/LSA is that the number of ASA/LSA licensees is limited, and that these ASA/LSA licensees are known to each other. Interference issues, if any, are resolved and avoided either statically, through cooperative planning, or dynamically, through the use of common database access and cognitive radio technologies. Thus, in time, the concept may further evolve to embrace even more dynamic sharing principles. The basic ASA/LSA concept is depicted in the diagram above. Based on a commercial sharing agreement, the incumbent would lay down the data regarding the exact frequency bands, the locations where, and time when the frequency is available to the licensee in an ASA/LSA repository. Co-Primary shared access - primarily for future small cell deployments Co-Primary shared access refers to a spectrum access model where primary license holders of a similar regulatory status (that is, MBB operators) agree on joint use of parts of their licensed spectrum. This could also include mutual renting of licensed spectrum. The exact usage conditions (policies) would be laid down in commercial agreements between spectrum holders; subject, where necessary, to permission from the NRA. Traffic offloading to unlicensed spectrum As noted earlier, mobile broadband traffic is likely to continue to nearly double every year, driven particularly by the increasing penetration and usage of tablet devices and smartphones. A significant part of this traffic is local indoor traffic and goes through unlicensed frequency bands wherever available and accessible. Unlicensed radio currently offers up to 500 MHz of spectrum (2.4GHz and 5GHz) for open access, with even further bandwidth at 5GHz potentially available in the next couple of years. While Wi-Fi further evolves into High Efficiency WLAN (HEW), it is expected to provide higher peak rates and throughput per area in dense scenarios. At the same time, LTE for unlicensed bands may offer an event more efficient and better integrated option to offload traffic into unlicensed spectrum. © Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

87 

  88

Introduction to 5G

 

MBB operators can take advantage of unlicensed spectrum for the offload of large amounts of traffic from their base stations and backbones. 3GPP has standardized Access Network Discovery and Selection Function (ANDSF) interfaces that allow an operator to give Wi-Fi network selection policies to the terminals and define to the terminals when and where to use 3GPP and Wi-Fi networks. For full exploitation of these opportunities, however, there is a clear need to provide seamless connectivity and continuity functionalities, thus achieving a sort of expanded macro network capacity, with traffic offload to, and from unlicensed bands. Nokia is researching algorithms for traffic steering between LTE and Wi-Fi. Essential benefits include the fact that short distance Wi-Fi connections provide faster data speeds, and offers the opportunity to take away a bulk of (primarily indoor) traffic from MBB access and backbone networks, thus ensuring that cellular network capacity is reserved for high-value traffic. Care should be taken considering that unlicensed bands may become totally overloaded, especially at 2.4GHz, by the vast amount of devices seeking access. LTE on unlicensed spectrum would open an alternative deployment scenario and it would be fully integrated into LTE network. Carrier Aggregation enables flexible way to take additional spectrum resources into LTE use by combining those with licensed carrier. Supplemental downlink would be an option to increase downlink capacity and secondary cell would enhance both downlink and uplink. Unlicensed spectrum is setting the limitations to output power, but that is in line with small cell deployments. In some regions, there are additional limitations like listen before talk (LBT) feature that would need standardization. For the smooth operation, 3GPP should address the band sharing with other unlicensed technologies. Unlicensed will also need more spectrum bandwidth in order to keep pace with the expected traffic growth, which may be even more severe for local indoor applications. In this case, new future spectrum opportunities could arise in the mmWave area, for example, at 60 GHz, where up to 9 GHz of spectrum is already allocated to unlicensed usage. Forthcoming equipment conforming to the IEEE 802.11ad standard will allow unlicensed usage within this band. Due to their very high operating frequencies, only short distances (mostly indoor) can be covered with such options. To recap, a combination of exclusive spectrum and shared solutions can meet the needs of mobile network operators towards and beyond 2020. We expect these approaches during the next 10 years to increase the total amount of spectrum resources below 6 GHz to at least a total of 1500 MHz. Considering the various spectrum regulatory schemes and future eMBB needs, Nokia’s recommendations can be summarized as follows: •

Exclusive Spectrum Access has top priority for 3GPP Radio Access Technologies (RATs) and additional spectrum (for example, UHF 700 MHz, lower C-band) should be allocated and put into use without delay.

•

Authorized/Licensed Shared Access (ASA/LSA) can unlock additional spectrum for LTE use. A good example is the 2.3 GHz band in Europe, given that this band already supports MBB deployments in other regions, thus contributing to global spectrum harmonization, and providing economies of scale. Another interesting band for ASA/LSA and small cells is 3.5 GHz band in US.

•

In the long term, we expect that there will be significant economical benefits to be gained from various co-primary sharing scenarios. Shared use in the upper C-band could enable wider bandwidths, and maximize spectrum usage within small cell deployment.

•

In the macro cellular domain, joint integrated broadcast-broadband multimedia networks can lead to optimized solutions for the use of the lower UHF (470-694 MHz) spectrum.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

•

Offloading mobile device traffic from cellular coverage to unlicensed spectrum can significantly contribute to meeting future capacity challenges. Traffic steering between 3GPP RAT and operator controlled Wi-Fi access is based on policies in the device and on directives from the network. LTE Unlicensed may open an event more efficient and better integrated way to offload traffic from cellular networks.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

89 

  90

Introduction to 5G

 

mmWave and cmWave mmWave and cmWave

Figure 62: mmWave and cmWave (1/3) Most mobile cellular systems are deployed in the sub-3 GHz spectrum. We have seen in previous figures how the spectrum can be used efficiently and some techniques can be used to optimize the utilization of available spectrum. Alternatively, one possible area of 5G study is to explore higher carrier frequency, such as centimeter wave (in the range between 3 GHz and 30 GHz) and millimeterwave bands (in the range between 30 GHz and 100 GHz) recently investigated. Super High Frequency (SHF) is the ITU designation for Radio Frequencies (RF) in the range between 3 GHz and 30 GHz. This band of frequencies is also known as the centimeter band or centimeter wave as the wavelengths range from one to ten centimetres. Millimeter wave referred to as mm wave or Extremely High Frequency (EHF) is the highest radio frequency band in practical use today. EHF includes frequencies from 30-300 GHz.  mm wave is the next band, above microwave. It is because this band has a wavelength of between 1 and 10 mm that it has given rise to the name millimeter band or millimetre wave, also called mmWave or mm Wave.

Figure 63: mmWave and cmWave (2/3) Clearly, there is a gigantic amount of spectrum at mmWave and cmWave frequencies ranging from 3-100 GHz. Many bands therein seem promising, including most immediately the local multipoint distribution service at 28–30 GHz, the license-

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

free band at 60 GHz, and the E-band at 71–76 GHz, 81–86 GHz, and 92–95 GHz. Several tens of gigahertz could become available for 5G, offering well over an order of magnitude increase over what is available today. The need for additional spectrum, as stressed in previous topics/figures will inevitably lead to the co-existence of frequency bands with radically different propagation characteristics within the same system. Historically, cmWave and mmWave bands were ruled out for cellular usage mainly due to concerns regarding short-range and non-line-of-sight coverage issues. Propagation characteristic and channel model of high frequency spectrum are not totally understood. Cost-effective transceiver architectural solutions are still under study.

Figure 64: mmWave and cmWave (3/3)  LEARN MORE ABOUT mmWAVE. REPLAY THIS VIDEO: Millimeter-Wave Technology Trends for Multi-Gigabit-Wireless and Industrial Sensors: http://video.all.alcatel-lucent.com/play/index/vid/10121 The main challenges for cmWave and mmWave communications include large path loss (especially with non-line-of-sight propagation), signal blocking and absorption by various objects in the environment, and low transmission power capability of current high frequency band amplifiers. Signal attenuation is combated using large antenna arrays driven by beaming tracing, fast beam switching and tracking algorithms. cmWave and mmWave communications enable high data rates as well as low latency in specific scenarios, practically within areas where high capacity is required such as indoor and dense urban areas. High frequency bands are used as supplement for existing traditional cellular bands. With the combination of cmWave, mmWave transmission and massive MIMO, the very narrow beam can facilitate management of intra- and inter-cell interference and enforce the multiplexing. The use of these higher frequency bands provide consistent user experience: 1. Use beaming tracing or fast beam switching. 2. High gain beamforming. 3. Dual connectivity to an anchor (low) frequency layer: cmWave and mmWave bands are expected to be used as a secondary carrier, using Carrier Aggregation or Dual Connectivity while control plane and coverage is ensured by lower band (sub-6 GHz) connection. To achieve a good understanding of cmWave and mmWave, further study and selection of high frequency bands are still needed. We need to: •

Explore the typical scenarios and deployment.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

91 

  92

Introduction to 5G

 

•

Understand the effect of blockage and of real-world propagation effects.

•

Design enabling multi-antenna solutions, with reasonable cost and energy consumption figures.

•

To understand synergies between low-frequency and high-frequency bands (for example, air interface design, physical frame, scheduling, channel estimation, and so on).

For 5G systems to operate in bands up to 100 GHz, there is a need for accurate radio propagation models for these bands which are not addressed by existing channel models developed for bands below 6 GHz. The telecommunications industry and academia conducted measurement campaigns for 5G channel modeling. IEEE 802.11ad has some measurement results at 57-64 GHz. New York University (NYU) and University of Austin also have some measurement results. EU Projects Miweba and MiWave are studying these aspects. Channel modeling study has been initiated in 3GPP, with an objective to develop a channel model to enable a study on feasibility and framework of 5G using high frequency spectrum of 6-100 GHz.

 To learn more about mmWave, click on http://video.all.alcatel-lucent.com/play/index/vid/10121 to replay the talk given by Prof. Thomas Zwick from KIT (Karlsruher Institut für Technologie). This video has been recorded during Bell Labs Stuttgart Colloquium in November 2014.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

New waveforms candidates for 5G radio New waveforms

Figure 65: New waveforms (1/3) New waveforms alternative to OFDM or maybe enhancements of OFDM need to be explored and seen if they will allow step-improvement or not, or used for specific requirements or scenarios.

Figure 66: New waveforms (2/3) The major design criteria for 5G waveforms are: •

Combine broadband and small packet traffic.

•

Be resource efficient (energy, spectrum, network).

•

Add contention mode for bursty traffic.

•

Offer high reliability and low latency options.

•

Allow for low overhead, low complexity, simple terminals.

Currently, a list of candidate solutions has been selected, namely: •

Universal Filtered Multi-Carrier (UFMC); also referred to as Universal Filtered Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (UF-OFDM)

•

Filter bank-Based Multi-Carrier (FBMC)

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

93 

  94

Introduction to 5G

•

 

Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM)

This list has been well perceived by the research community as well as 5G research and pre-standardization forums. Many state-of-the-art wideband systems (including LTE) use CP-OFDM based transmission schemes. The CP-OFDM based systems (if not pre-coded) usually exhibit rectangular waveform on each of it's subcarriers and do not provide efficient methods to filter it's waveform due to the design limit of it's transceiver structure. The FBMC (Filter bank-Based Multi-Carrier) transmission, on the other hand, provides a filter-bank analysis and synthesis filter to enable efficient pulse shaping for the signal conveyed on each individual subcarrier. Such transceiver structure usually requires higher complexity in implementation, both due to the filter processing and the increased complexity in equalization and interference management. However, the usage of digital polyphase filter bank structures, together with the rapid growth of digital processing capabilities in recent years had made FBMC a reasonable approach.

Figure 67: New waveforms (3/3) •

Similar solution in uplink and downlink to allow efficient interference handling, side links and (self)backhauling.

•

UF-OFDM to allow efficient multiplexing of multiservices in frequency which is more important at low bands.

•

ZT-S-OFDM: SC-OFDM with zero tailing. Keep lower out-of-band emission. Maximize power amplifier efficiency and to allow efficient beamforming with minimized switching overhead.

Is there consensus for new waveform(s)? OFDM owns best throughput performance, but still weak in energy localization of frequency pulse shape and UL asynchronous access. However, above requirements are up to real scenario need. OFDMA waveform suitable, for example, for eMBB use cases up to around 40 GHz may not be optimal such as narrow-band mMTC type links and eMBB links above 40 GHz. A single-carrier waveform should be considered for these cases. Filter based waveforms and ZT-DFS-S-OFDM own similar advantages in frequency energy localization and asynchronous tolerance because: •

Filter can suppress out-of-band emission, and consequently suppress out-ofband interference caused by asynchronous co-existence.

•

Zero-tailing can extend original OFDM signal, in essence, that is another type of filter.

CP-OFDM: •

Superior in high rank and high QAM transmission.

•

For example, 256QAM and 2x2 MiMO Transmissions on 800MHz.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

•

eMBB to support high data rate connections.

•

Discrete Fourier Transform (DFT)-spread option possible for UL to reduce Peakto-Average Power Ratio (PAPR).

UF-OFDMA should be considered for lower bands, for example, below 6 GHz: •

Multiplexing different services utilizing numerologies and unsynchronized transmission.

•

Reduce guard frequencies between different bands.

•

DFT-spread option possible for UL to reduce PAPR.

Zero-tail DFT-spread OFDM: •

Higher frequencies to reduce PAPR.

•

Simpler implementation without filter.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

95 

  96

Introduction to 5G

 

Massive MIMO Massive MIMO

Figure 68: Massive MIMO (1/3) Massive MIMO (also known as Large-Scale Antenna Systems, Very Large MIMO, or also Hyper MIMO) is becoming mature for wireless communications and has been incorporated into wireless broadband standards like LTE and Wi-Fi. Basically, the more antennas the transmitter/receiver is equipped with, the more the possible signal paths and the better the performance in terms of data rate and link reliability. The price to pay is increased complexity of the hardware (number of RF amplifier front-ends) and the complexity and energy consumption of the signal processing at both ends.

Figure 69: Massive MIMO (2/3) Massive MIMO techniques are at the heart of achieving higher capacity for cellular systems. It is based on antenna arrays with a few hundred antennas simultaneously serving many tens of terminals in the same time-frequency resource. The basic principle behind massive MIMO is to reap all the benefits of conventional MIMO, but on a much greater scale. Multiuser MIMO (MU-MIMO) offers increased multiplexing gains, and even though it has been included in the 3GPP LTE-Advanced standard, it’s full potential has yet to be realized. Drastically higher capacity can be obtained by very large MIMO (VLM) arrays employed at the base station. Increasing transmit array size has desirable implications for coverage, intersymbol and intracell interference control, and transmit power budget optimization.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

Massive MIMO was originally envisioned for Time Division Duplex (TDD) operation, but can potentially be applied also in Frequency Division Duplex (FDD) operation. Other benefits of massive MIMO include the extensive use of inexpensive low-power components, reduced latency, simplification of the Media Access Control (MAC) layer, and robustness to interference and intentional jamming. The anticipated throughput depends on the propagation environment providing asymptotically orthogonal channels to the terminals, and experiments have so far not disclosed any limitations in this regard. Integrating large scale antenna arrays into the air interface design of 5G systems in the centimeter Wave or millimeter Wave bands will show significant differences to the MIMO solutions currently deployed in 4G systems.

 Click on the link https://youtu.be/u_USOmf9uJ4 or scan the QR code to replay the 5G demonstration of how massive MIMO and beamsteering can be achieved with phased array technology, using a large number of antenna elements in order to achieve 5G performance targets.

Figure 70: Massive MIMO (3/3) Massive MIMO can be used to improve spectral efficiency via multi-stream transmission, or to form a narrow beam to increase transmission distance. Normally, sub-6 GHz bands have smaller bandwidth, but Massive MIMO multistream transmission can achieve high Gbps peak data rates. Antenna size is inversely proportional to the frequency, so the antenna’s physical size will set a limit on the possible number of antenna elements. Higher bands have relatively large bandwidths, but also greater path losses. Massive MIMO is an effective way to compensate path loss on 3-40 GHz bands using high beamforming gain as well as to increase peak data rate by multi stream transmission. For very high frequency bands (for example, mmW, 30-100 GHz) the antennas focus the transmitted energy towards the receiver to overcome increased path loss caused by radio propagation. Many parallel MIMO streams are not required due to the large bandwidth available at these bands. Different frequency ranges require different Integrated Circuit technologies, which Nokia is developing in conjunction with technology vendors and academia. Hybrid /RF (digital and analog) beamforming architecture can reduce the transmitter cost and energy consumption for Massive MIMO. Finally, while massive MIMO renders many traditional research problems irrelevant, it uncovers entirely new problems that urgently need attention; for example, the challenge of making many low-cost low-precision components work effectively

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

97 

  98

Introduction to 5G

 

together, the need for efficient acquisition scheme for channel state information, resource allocation for newly-joined terminals, the exploitation of extra degrees of freedom provided by an excess of service antennas, reducing internal power consumption to achieve total energy efficiency reductions.

 Click on the link https://youtu.be/imLiaLQGmB8 or scan the QR code to replay the 5G demonstration of how massive MIMO and beamsteering can be achieved with phased array technology, using a large number of antenna elements in order to achieve 5G performance targets.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

Flexible frame design Flexible frame design The subframe and frame structures should support different service and deployment requirements. The designed subframe shall support expected minimum latency of the new radio system.

Figure 71: Flexible frame design (1/2) The wide range of spectrum available and the diverse use cases for 5G demand a configurable frame structure with flexible numerology. This is unlike LTE, which has a fixed 10 ms frame and 1 ms Transmission Time Interval (TTI) that is inflexible and limits latency performance.

Figure 72: Flexible frame design (2/2) The new 5G frame structure is self-contained and can accommodate large data packets transmitted efficiently with low overhead, as well as small, low latency performance packets that needs to be scheduled frequently. The 5G subframe is in the range of about 0.1 – 0.25 ms for short latency, and can be configurable to be optimized for wide area or local area needs, or for different bands. The three different subframe formats are as follows: •

Downlink only subframes

•

Uplink only subframes

•

Subframes with bi-directional control

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

99 

  100

Introduction to 5G

 

These subframe structures would all be valid for TDD, as FDD would only use Downlink and Uplink only subframes for downlink and uplink transmissions respectively. Specific solutions on the radio frame depend on other building blocks and is still under investigation.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

Multi-connectivity feature Multi-connectivity Multi-connectivity refers to the situation where a UE transmits and receives on radio resources from several radio interfaces in parallel. Multi-connectivity can be realized on different layers of the RAN protocol stack or system architecture, depending on the location of the anchor point.

Figure 73: Multi-connectivity (1/3) Multi-connectivity enhances throughput and the reliability of connection to improve the Quality of Service (QoS). This technique also provides seamless mobility by eliminating handover interruption delays and errors, and optimizes capacity, coverage and mobility for devices connected in a heterogeneous network. Multi-connectivity supports the smooth introduction of 5G on top of LTE networks and enables 4G/5G real-time radio resource management with dynamic inter-RAT load balancing. The following is an example of multi-connectivity between LTE-Advanced, 5G at cmWave and 5G at mmWave bands:

Figure 74: Multi-connectivity (2/3)

The grey color is LTE-A at 2GHz (100MHz Bandwidth), light blue is cmWave at 15GHz (500MHz bandwidth) and dark blue is mmWave at 73GHz (2GHz bandwidth)

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

101  

  102

Introduction to 5G

 

In this particular example, a device can have aggregate access of all bands (LTE and 5G bands); the aggregated spectrum has a very wide diversity of properties, that is from good coverage below 3GHz to highly directive, almost only noise limited communication at 73 GHz, hence aggregation allows to maximally leverage the benefits of all forms of spectrum. In LTE, multi-connectivity at user plane level is already adopted (for example, Coordinated Multipoint (CoMP), cell aggregation, Carrier Aggregation (CA), dual connectivity). Aggregating radio resources in more than one eNB for user plan data Tx. but Control plane as well as mobility still in one cell only.

Figure 75: Multi-connectivity (3/3) What is new in 5G? For connection robustness, ultra-high reliability and ultra-low signaling latency, both Control Plane and User Plane can be connected to multiple cells. The different types of multi-connectivity can be distinguished as follows: Intra 5G multiconnectivity

Establish and maintain parallel connections among the different radio interfaces of 5G, such as mmW, cmW and WA (<6GHz)

Inter RAT multiconnectivity

Establish and maintain simultaneous connections to 5G and LTE networks. Inter RAT multi-connectivity does not exclude connections.

Non-3GPP inter RAT multi-connectivity

Establish and maintain simultaneous connections to 5G and WLAN networks to more than one 5G radio interfaces, while being connected to other RATs in parallel.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

Device-to-Device technique Device-to-Device communication

Figure 76: Device-to-Device communication (1/2) Legacy cellular networks were built under the design premise of having complete control at the infrastructure side. 5G systems should drop this design assumption and exploit intelligence at the device side within different layers of the protocol stack, for example, by allowing Device-to-Device (D2D) connectivity.

Figure 77: Device-to-Device communication (2/2) Two devices can directly exchange data without having to route it through a network. This is already possible with state-of-the art technology, but communication can only happen after manual pairing, and this is often platform-dependant. D2D communication will be an important communication method in 5G. It is characterized by short distance between communication devices, no user-plane processing needed by the network elements, and bypassing transport networks, which helps to minimize delay. This can be an opportunity for 5G systems to enhance their performance in terms of network off-loading, spectral efficiency, throughput, fairness, coverage (the coverage of MMC devices can be enhanced through the use of the D2D), extension, latency and power-saving. In addition, it gives the possibility of carrying out emergency calls in out-of-coverage areas. D2D radio links can be established on cellular spectrum, or license-exempt spectrum, and the network can be involved (controlled D2D) or not (autonomous D2D) in the establishment and maintenance of the connection. © Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

103  

  104

Introduction to 5G

 

In 3GPP, it was started as a study item on proximity services based on D2D [3GPPTR36843]. Further, it should be noted that the approaches currently applied to D2D are also applicable to Vehicular-to-Vehicular (V2V). There are two main design directions currently found in the literature: Network-assisted D2D The network performs all the decisions in regards to resource sharing mode selection (D2D or via the cellular infrastructure); power control; scheduling; selection of transmission format (such as modulation, coding rates, multi-antenna transmission mode, and so on). D2D with minimal network assistance

The network provides at most only synchronization signals to the devices.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G New-Radio

Other potential building blocks for 5G New Radio Other potential building blocks for 5G New Radio Last but not the least, several different technologies are needed to achieve Nokia vision for 5G. Eight key techniques for 5G radio design have been outlined in previous topics/figures. Of course, there are other radio techniques needed to enable diverse requirements. such as, self backhauling, interference mitigation, efficient coding, scalable multiple access procedures and adaptive retransmission schemes.

Figure 78: Other potential building blocks for 5G New-Radio Whilst 5G standardization is in it's early phases, the selection and development of key 5G technologies is well on its way. Nokia is a leader in 5G research, and plays a vital role in its definition and development through major research projects. These projects are conducted by Bell Labs, and through our partnerships with mobile operators, universities and key 5G organizations to shape 5G radio interface which is flexible, versatile, scalable and efficient in order to address the requirements of the beyond 2020 era.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

105  

  106

Introduction to 5G

 

Summary: 5G New-Radio Module Summary This module covered the following learning objectives: •

Explain emerging application challenges.

•

Explain why we need new radio for 5G.

•

Describe New RAT key characteristics.

•

List main building blocks for 5G New-Radio.

•

Explain why more spectrum is needed for 5G.

•

Describe mmWave and cmWave.

•

Describe new waveform candidates for 5G radio.

•

Describe Massive MIMO.

•

Describe Flexible frame design.

•

Describe multi-connectivity feature.

•

Explain Device-to-Device technique.

•

List other potential building blocks for 5G New-Radio.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Core Network and E2E Architecture

5G Core Network and E2E Architecture Module Objectives • • • • • • • • •

Describe 5G E2E Architecture. List main building blocks for 5G core. Describe Network Slicing. Describe Dynamic Experience Management. Describe service determined connectivity. Describe fast traffic forwarding. Describe mobility on demand. Explain how security is built into 5G networks right from the start. List other potential building blocks for 5G core network.

5G E2E architecture 5G E2E architecture: Why do we need a new E2E Architecture?

Figure 79: 5G E2E architecture: Why do we need a new E2E Architecture? 5G networks must cope with a wide range of use cases and extreme requirements. 5G needs novel technologies to provide the required data rates, latencies, robustness and connectivity. Most of these technologies are characterized by their flexibility and ability to adapt to different scenarios and use cases. Clearly, the overall performance of mobile networks must increase dramatically. New network architecture will be essential to meet the requirements beyond 2020, to manage complex multi-layer and multi-technology networks, and to achieve builtin flexibility. New network architecture is needed for several key reasons as follows: •

Considering the key functionalities needed for the programmable multi-service architecture, when they are implemented within the legacy architecture, the loss of flexibility would lead to an ineffective and expensive network. The substantial increase of mobile broadband and massive deployment of MTC (IoT) traffic in the coming years needs proper scalability and programmability. The abstraction of network functions from the underlying hardware is essential. It is expected that network functions will run as software components on top of operators’ telco cloud systems rather than dedicated hardware components. In LTE, virtualization is applied in a box-driven way. In 5G, virtualization should be used as the underlying principle for the new architecture design. The breaking down and reassembly of network functions to use NFV technologies in a better way for best scalability and agility is vital.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

107  

  108

Introduction to 5G

 

•

Also, separation of the control and user plane functions is the basic SDN principle, which enables dynamic allocation of user plane resources at the best place for a given service. Some example use cases that will benefit from a flexible gateway allocation, depending on the service, are low latency services and/or Content Delivery Network (CDN) which require the gateway close to the radio access while the best option for basic Internet access may still be a central gateway.

•

Furthermore, the report of standards gap analysis provided by ITU-T Focus Group on IMT-2020, FG IMT-2020 identified some of the major challenges in IMT-2020 including the diversities in requirements, particularly in bandwidth, mobility, and signaling. The flexibility of the architecture, the tight integration of various radio access networks as well as fixed access networks, end-to-end OAM are also identified as essential requirements in IMT-2020. Clearly, legacy network architecture falls short of the IMT-2020 requirements in a number of areas.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Core Network and E2E Architecture

5G E2E architecture: Key design targets of the 5G architecture

Figure 80: 5G E2E architecture: Key design targets of the 5G architecture It is now clear that 5G will be much more than just a new radio system or it will not only be a new RAT family with its cellular access network; it must encompass the entire network, end-to-end. 5G architecture will expand to multiple dimensions. One of the main challenges for 5G will be to support diverse and heterogeneous use cases in a flexible and reliable way. 5G Networks must cope with a wide range of use cases and extreme requirements. It might have been easy to build a separate system for each of these requirements, but the real challenge is to develop 5G as one system of systems that can meet all these requirements invisibly from the user’s perspective. Taking all diverse needs and lifespan of the infrastructure into account, we must make flexibility the key design principle of 5G networks. And related to flexibility is reliability. With the flexible integration of different technology components, the change from best effort mobile broadband towards truly reliable communication will be visible. Reliability is not only about equipment up-time, it also relates to the perception of infinite capacity and coverage that future mobile networks need to deliver anytime anywhere for every kind of application. This reliability is becoming more critical as we start to rely on the 5G communication system for control and safety. Crucially, because it is not possible to foresee all future uses, applications and business models, the network needs to be flexible and scalable to cope with the unknown. As outlined before, 5G Networks will differentiate themselves from LTE systems not only through further evolution in radio performance but also through greatly increased end-to-end flexibility. This end-to-end flexibility will come in large part from the incorporation of softwarization into every component. 5G architecture should provide a common core to support multiple access technologies (cellular, Wi-Fi and fixed), multiple services; mobile broadband, massive Machine Type Communications (MTC) and critical (MTC), and multiple network and service operators. This will be enabled by Network Function Virtualization (NFV) and Software defined networking (SDN) technologies which allow to build systems with a high level of abstraction. So, 5G networks should be programmable, software driven and managed holistically. 5G mobile networks will focus on the customer experience and must be built around user needs. The value of networks will lay in their personalization and the experience of using them.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

109  

  110

Introduction to 5G

 

5G networks will be designed to enable functions to be offered as a service, that is as a Network as a service. If all network elements from Access, Core, OSS to Security and Analytics are virtualized and sliced out as one integrated service, it should be possible for an operator to create an instance of an entire network virtually, relying on whatever underlying infrastructure is available for the defined geography. Using the power of programmability, the operator can customize such a network instance for any industry enterprise. Imagine the potential of being able to offer tailored vertical NaaS solutions for Logistics, Automotive, Healthcare, Utilities, or Retail. Finally, the report of standards gap analysis provided by ITU-T Focus Group on IMT2020, FG IMT-2020 identified six key IMT-2020 requirements are listed as follows: •

Access network-agnostic and unified core network

•

Distributed network architecture

•

Integrated management of multi-RAT and fixed access networks

•

Flexible and lightweight signaling

•

Latency optimized network

•

Extensible network

 To play the video, Key design targets of the 5G architecture, click the following link: https://youtu.be/57U_bW-Opi0

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Core Network and E2E Architecture

5G E2E architecture: Fundamental transformation in overall network architecture

Figure 81: 5G E2E architecture: Fundamental transformation in overall network architecture 5G Networks will be an ultra-fast and ultra-flexible communication system including different technologies, but will be transparent for the end user and easy to manage for the operator. They will be cognitive and will optimize themselves autonomously. Cognitive networks will use big data analytics and artificial intelligence to solve complex optimization tasks in real time and in a predictable manner. All parts of the network will be cloud-based to use existing resources in the best way. With more intelligence placed closer to the user and the ability to process large amounts of data, network performance can be predicted and optimized. This network architecture will entail the full use of open source software technologies, industry compliance and greater cooperation with IT players. At the same time, standardization bodies and organizations such as 3GPP and ETSI will continue to help define the best standard for 5G, assuring interoperability with regard to the air interface and associated software and mobility control architecture. When it comes to how operators build their own network infrastructure, 5G should offer new models for minimizing upfront investments. With virtualization of all network functions and vertical specific applications on top of physical networks, it should be possible for vendors such as Nokia to provide Software as a Service, where the software functionality can be continuously updated and programmed for the client, rather than directly sold as software with long term maintenance contracts. Essentially, all telco applications could move from a Software licensing model to SaaS which could be potentially disruptive, especially when combined with joint ecosystem building with respective verticals. Interestingly, for software/ equipment providers, it means there could be new customers such as industry vertical aggregators beyond just telco operators.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

111  

  112

Introduction to 5G

 

5G E2E architecture: High-level IMT-2020 network architecture (ITU vision)

Figure 82: 5G E2E architecture: High-level IMT-2020 network architecture (ITU vision) IMT-2020 network architecture will not only be different from legacy IMT Networks in the core but also in radio network and front/back-haul networks. According to the ITU-T vision, Multiple various access points including a new IMT2020 RATs, Wi-Fi AP, and even fixed networks are connected to a converged data plane functions via an integrated access network so that mobile devices can be serviced through an access technology-agnostic network core. The converged data plane functions are distributed to the edges of an IMT-2020 common core network resulting in creating a distributed flat network. The control plane functions, which are responsible for QoS control and mobility management, controls the user traffic to be served agnostically to the access networks to which it is attached. IMT-2020 network architecture can also support massive native flexibility with the support of network softwarization (network virtualization, functions virtualization, programmability) depending on different service scenarios and requirements, which is a major differentiation from existing IMT networks.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Core Network and E2E Architecture

5G E2E architecture: 5G architecture (NGMN vision)

Figure 83: 5G E2E architecture: 5G architecture (NGMN vision) In the NGMN 5G White Paper, a 3-Layer-Model is proposed as a basis for a Network Slicing architecture. NGMN 5G architecture comprises three layers and a management entity. The three layers are: an Infrastructure Resources Layer, a Business Enablement Layer and a Business Application Layer. This 3-Layer approach will be used as a basis and evolved to match the architectural Anything as Service (XaaS) business architectures in data networks and spanning the whole core and access network areas. Following describes the three layers and the management entity: •

The infrastructure resources layer comprises all physical network resources of a fixed-mobile converged network: access nodes, cloud nodes (edge and central), networking node, and 5G devices. The cloud nodes offer processing, networking as well as storage capabilities. The 5G devices comprise terminal devices as well as data forwarding devices, for example, relays, hubs, or routers. It is expected that these devices and their capabilities are also configurable. The physical resources are exposed to the business enablement layer and can be accessed and configured by the management and orchestration entity.

•

The business enablement layer deals with the functions that are executed on the physical resources provided by the infrastructure layer. It comprises a library of functions required within a network, including functions realized by software modules that can be retrieved from the repository to the desired location, and related configuration parameters. The end-to-end (E2E) management and orchestration entity dynamically selects the appropriate functions for a particular service and their arrangement and configuration.

•

The business application layer consists of specific applications or services of the mobile network operator or tenant. On this layer, network slices can be created by the E2E management and orchestration entity, and applications can be mapped to network slices.

•

The E2E management and orchestration entity configures all three layers according to demands of the requested service or business model and supervises them during runtime. This includes defining the network slices, chaining the relevant modular NFs and mapping them onto the infrastructure equipment. It also includes resource management and scaling the capacity of functions and managing their geographic distribution. NGMN expects that this entity will build on technologies designed in the framework of NFV, SDN, or selforganizing networks (SON) concepts.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

113  

  114

Introduction to 5G

 

5G E2E architecture

Figure 84: 5G E2E architecture Nokia defines 5G as a System of Systems. This means that 5G is a multi-RAT network, which natively combines LTE and new 5G technologies, in addition to other access types like Wi-Fi or fixed. Following lists the eight domains: 1. Cognitive Domain: It collects data and events from the network and, when necessary, from external sources. This data can be processed in real-time to extract relevant information as well as stored offline for processing later, or applications access the data via the Shared Data Domain. Analysis of the data reveals and interprets different patterns, for example, to find the root cause of problems and to identify any effects on customers or the operator’s business. Insights from these analyses are reported and automatically translated into appropriate actions. These are performed by the Co-ordinated Actuation Domain to prevent conflicts between actions initiated by different applications. 2. Service Enablement Domain (SED): Using SED, operators can allow controlled and secured access to their networks to authorized third parties, allowing them to deploy innovative, cognitive applications and services to mobile consumers, enterprises and vertical segments. The SED provides a Software Development Kit (SDK) to aid application design, provisioning, testing, reporting, analytics and integration into the platform. For example, the Throughput Guidance capability in Mobile Edge Computing already provides managed access to the network for any kind of application to ensure the best performance. 3. Shared Data Domain (SDD): SDD acts as a common data repository to provide shared data access for applications from various operator domains. The aim is to eliminate application-specific data silos whenever possible and to provide a consistent set of KPIs. Apart from providing flexible access to data, the SDD also has security and privacy mechanisms to ensure that only authorized applications have access to protected data. Authentication and authorization, and restricting access to people based on their roles, ensures data security and privacy. 4. Software Appliances Environment: In the 5G architecture, all physical resources needed to implement any network element are virtualized and offered as a Service accessible through an infrastructure manager. All network functions and services are built from software, which can be subscriber repository, a voice server, LTE-SW, a firewall on an IP transport layer, SON functionality, and many others. 5. Virtualization Framework: The virtualization domain comprises an execution plane and an automation plane. The execution plane consists of a set of resources (compute, networking, storage) which may be accessed by network functions through a virtualization layer. The automation plane enables automated management of the execution plane through operations such as

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Core Network and E2E Architecture

creation, deletion and scaling of the network functions and allocation of the underlying resources. 6. Radio Access network: New 5G radio will natively integrate existing and new technologies, it will include existing systems like LTE Advanced and Wi-Fi. 7. Orchestration and Management: In a fully cloud-based network, there are several levels and types of orchestration. These include service orchestration for services, developed by the operator and offered to users; and the management of cloud services and available resources, performed by the virtualized infrastructure manager domain. And, as a completely new entity, the Network Function Orchestrator is introduced and defined by ETSI NFV. 8. Security and Privacy: The major principles on which the Security and Privacy architecture is based are constant vigilance; increased automation of data collection, analysis and response; and the evaluation of threats beyond the boundaries of the network. 5G e2e Network Functional architecture

Figure 85: 5G E2E architecture: 5G e2e Network Functional architecture The figure above zooms into the 5G components, namely the virtualized 5G network functions and Shared Data Layer (Data Repository), of the overall end-to-end architecture vision as outlined in previous slide. The baseline for the architecture depicted in this figure is the virtualization of 5G network functions and the separation of Control plane and User plane, both in the access (light blue) and non access (dark blue) domains. The mobility management, session management, service control functions and a dynamic policy control will benefit from common data layer(s). The connectivity management functionality supports flexible definition of connectivity models going beyond point-to-point services. On the U-plane side, a seamless integration of Network Service Functions on top of the basic connectivity and policy enforcement function is envisioned, thus removing the fine line of separation between the network service functions in the SGi LAN and the connectivity service. However, it is up to the deployments to decide whether network service functions are deployed independently in the SGi LAN or seamlessly integrated to the basic connectivity and policy enforcement functions. Policy enforcement functions will be enhanced with active QoE management to ensure a premium user experience even in congested network areas. When it comes to the radio access, what can be or cannot be virtualized depends on operators’ front-haul availability, that is, whether abundant fiber is deployed/available. The architecture of the radio part needs to be flexible to cope with different front-haul deployments. Typical radio functions which can be easily virtualized are, for example, the Radio Resource Control / Management, the multiconnectivity (intra-5G and 5G-LTE dual connectivity). The latter one is a key feature of 5G. Multi-connectivity can be done at higher and/or lower layers. © Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

115  

  116

Introduction to 5G

 

Nokia has created a holistic concept of future 5G architecture in which programmable radio and core networks are automatically re-shaped in real time to adapt to changing demands. Volker Ziegler, Chief Architect at Nokia, said: Nokia is leading industry-wide 5G architecture work through various vehicles such as the 5GPublic Private Partnership (5G-PPP) project 5G NORMA (5G Novel Radio Multiservice adaptive network architecture). With our cognitive and cloud-optimized architecture for the 5G era, we have outlined an end-to-end architecture that will allow unprecedented and cognitive customizability to meet stringent performance, security, cost, and energy requirements. It will fuel economic growth through new business models across vertical sectors, such as Network-as-a-Service for other industries to use network functions as they need them.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Core Network and E2E Architecture

Main building blocks for 5G core Potential building blocks for 5G core

Figure 86: Potential building blocks for 5G core In a nutshell, the Nokia programmable 5G multi-service architecture overcomes the rigidity of legacy networks. It achieves this by automatically and dynamically adapting radio access and core network resources to meet the needs of different services, traffic variations over time and location, and network topology, including transport. The architecture uses a system of systems approach to integrate and align the network’s many different and separate parts to achieve lower latency and higher reliability than today’s networks can offer. Nearly all network functions will be software defined, cognitive technologies will automatically orchestrate the network, and content and processing will be distributed across the network close to where they are needed. So, 5G will implement a radically new network architecture based on NFV and SDN technologies. Programmability will be central to achieving the hyper-flexibility that operators will need to support the new communication demands placed on them from a wide array of users, machines, companies from different industries and other organizations. The main building blocks for 5G core network and end to end architecture are depicted on this slide. The key architecture functionalities are as follows: •

Network Slicing

•

Dynamic Experience Management (DEM)

•

Service-determined connectivity

•

Fast traffic forwarding

•

Mobility on demand

•

Security

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

117  

  118

Introduction to 5G

 

Network Slicing Network Slicing

Figure 87: Network Slicing (1/3) Network Slicing is a key concept for 5G. 5G networks will be further abstracted with the concept of network slices. Operators will then be able to use their physical infrastructure to create network slices, which are virtual instances of an entire network tailored to the needs of any industry whether automotive, healthcare, logistics, retail or utilities.

Figure 88: Network Slicing (2/3) So, Network Slicing means that multiple independent and dedicated virtual subnetworks (network instances) are created within the same infrastructure to run services that have completely different requirements on latency, reliability, throughput and mobility. That means a network slice is the definition of the characteristics of a virtual network, in other words, it is a network definition/template made available in the network orchestrator, ready for deployment. As outlined before, the 5G architecture uses a system of systems or multi-service architecture approach to integrate and align the many different and independent parts of a network to achieve higher performance with greater functionality as compared to today’s networks. Nearly all network functions will become softwaredefined, cognitive technologies will automatically orchestrate the network, and content and processing will be dynamically distributed across the network close to where they are needed at a certain point in time.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Core Network and E2E Architecture

Network Slicing allows a mobile operator to address different use cases, services with different demands on network capabilities effectively. It allows to provide services by abstracting the functionality offered by the network slice through open APIs exposure to 3rd party service provider, thus Third-party entities can be given permission to control certain aspects of slicing via a suitable API, in order to provide tailored services. Each network slice can be based on different architectural principles. Network slicing is an appropriate means to keep networks based on different architectures separated. Each Network slice has its own isolated set of resources, this means for example, deploying, maintaining and usage of a network slice does not affect other network slices. Network slice can also share resources between them.

Figure 89: Network Slicing (3/3) To make this slicing concept a bit more clear, let’s have a look at a concrete example. It is expected to see a handful of different slice types, for example, for extreme MBB, massive MTC and critical MTC and many more instances. Example of network slices for diverse use cases are as follows: •

To serve tablets and smartphones, Extreme Mobile Broadband slice is used: Scalable Control plane, High-performance user plane, potentially distributed and Mobility on demand, including high-speed mobility

•

To serve Mission critical devices, Critical MTC slice is used: Highest reliability for control plane and user plane, User plane in edge cloud for lowest latency and Local switching

•

To serve IoT devices, Massive MTC dedicated slice is used: Optimized for Sporadic Data Transmission of Short Data Burst, Extreme Power Savings and Enhanced monitoring/reporting (for example, location reporting)

UE can be served by multiple UP slices at a given time. UE can be served by any CP/UP slice at any time. This may depend on factors such as UE capabilities, applications. Selection principles are critical for network slicing to be accomplished. Definition of a multi-dimensional descriptor (for example, application, service descriptor) configured in the UE and reported to the network, allows network to select a particular slice. Multi-dimensional selection principle – use cases are as follows: •

Mobile broadband UE can request a service referred to as session continuity for a certain application. In this case, network chooses functional entities necessary to support mobility procedures, session management and other relevant functions such as policy control, security.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

119  

  120

Introduction to 5G

 

•

Stationary IoT UE can request a service referred to as session on demand for a certain application. In this case, network chooses functional entities necessary to support session on demand (and no function selected to offer support for mobility).

•

Critical MTC UE can request a service referred to as efficient user plane path for a certain application. In this case, network chooses functional entities necessary to support low latency user plane path and at the same time offer support for route optimization, as needed due to UE mobility.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Core Network and E2E Architecture

Dynamic Experience Management Dynamic Experience Management

Figure 90: Dynamic Experience Management (1/2) Generally, customer experience management has moved from a nice to have topic to an absolute must have priority in the industry over the last few years. DEM allows operators to instantly respond to changing needs of customers and network conditions to improve their experience by orders of magnitude while ensuring network resources are used efficiently to maximize profitability for each application session. DEM can sustain Quality of Experience (QoE) in nearly all sessions even under high load conditions, which is about four times better than industry-standard Quality of Service (QoS) mechanisms.

Figure 91: Dynamic Experience Management (2/2) Dynamic Experience Management, which is Automatic Quality of Experience optimization of each application session, provides superior customer experience even under high network load using up to 30 percent fewer resources. It removes the limitations of current QoS management solutions. Operators have experienced that measuring QoS is not enough and it is not correlating with the QoE perceived by end users. More granularity is needed in measurements, analytics and actions with the adequate context information to ensure immediate QoE optimization. Operators will need to be able to instantly respond to changing demands and network conditions to substantially improve the QoE while also ensuring network resources are used efficiently during each application session. Conventional QoS architecture is not sufficiently aware of the specific needs of the different application © Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

121  

  122

Introduction to 5G

 

sessions in the networks and is not able to initiate the right optimization actions automatically within the necessary short time frame. A major overhaul of the Core QoS architecture that goes beyond simply evolving the LTE Core will be needed to tap the full potential of Dynamic Experience Management to sustain QoE in nearly all sessions, even under high load conditions. Dynamic Experience Management can already be deployed in today’s networks.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Core Network and E2E Architecture

Service determined connectivity Service determined connectivity

Figure 92: Service determined connectivity (1/2) Conventionally, the network’s available connectivity determines what services are possible. In 5G, devices and services are no longer tied to a single point to point IP connection. In fact, the connectivity path can be freely chosen according to actual service demand. By enabling a service to determine the connectivity, the required latency and reliability can be assured by the network.

Figure 93: Service determined connectivity (2/2) New services require a new connectivity model. The figure above shows the different networking models that need to be enabled by 5G. Service determined connectivity support is needed for new use cases that require re-locatable low latency and high reliability (multi-connectivity) services. In LTE, the continuous optimization of the IP anchor point (that is, relocation of IP anchor point) is not supported. This is necessary to offer the shortest and optimal path for routing UP traffic enabling low latency services (for example, critical MTC) and at the same time support seamless service continuity due to mobility. In LTE, the PDN connections with local GW is possible for local IP access (LIPA) and traffic offloading (SIPTO), but if the user moves beyond the serving area of the local GW, there is no support for service continuity for the corresponding service. In addition, a point to point connection to a (central) GW is not appropriate for some use cases like Vehicle-to-X (V2X) that require support for low latency with full mobility and many-to-many type of connectivity. Another example is to provide simultaneous access to Internet services through a central gateway and access to a local Content Delivery Network (CDN) site through a local gateway. © Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

123  

  124

Introduction to 5G

 

Fast traffic forwarding Fast traffic forwarding

Figure 94: Fast traffic forwarding (1/2) In order to support low latency services, the Gateway and application, that is, the Mobile Edge Computing (MEC) should be introduced close to the radio. Depending on the location of the communicating devices, switching happens either at the radio or in an aggregator cloud. Furthermore, it should be ensured that service continuity is achieved when the communicating devices are fully mobile.

Figure 95: Fast traffic forwarding (2/2) A variety of services will depend on the network providing low latency access under full mobility conditions. For example, Vehicle-to-X (V2X) applications will require seamless service continuity as the vehicle moves between the serving areas of local gateways. Supporting such re-locatable low latency and high reliability (multiconnectivity) services will require the 5G access point, or an aggregator cloud, to route traffic either to the centralized IP anchor, local IP anchor or directly to the MEC application. This is achieved by introducing service-aware forwarding at the radio.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Core Network and E2E Architecture

Mobility on demand Mobility on demand

Figure 96: Mobility on demand (1/2) Offering mobility on demand makes efficient use of network resources. Depending on the application needs and device capabilities, the network determines the right level of active and idle mode mobility to be assigned for a certain device.

Figure 97: Mobility on demand (2/2) It has been observed that only 30% of the users who are actually camping in cellular operator networks are actually mobile. So, the overhead introduced in the network to support seamless mobility should be minimized by introducing support for flexible mobility, also referred to as mobility on demand. Flexible active mobility is made possible by supporting flexible IP anchoring and enabling mobility only when needed. Flexible mobility consists of two components: one for managing mobility of active devices and a second for tracking and reaching devices that support a power-saving idle mode. The assigned mobility may range from one extreme, beginning with no active mode mobility, with no support for idle mode (typical with today’s Wi-Fi access) to the other extreme with full support for active and idle mode mobility as applied in 2G/3G/4G. Different levels of flexible mobility bridge the gap between these extremes, allowing for independent assignment of idle-mode mobility on a per-device basis, and active mode mobility on a per-application basis.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

125  

  126

Introduction to 5G

 

How security is built into 5G networks right from the start 5G security

Figure 98: Security (1/2) When it comes to security and privacy, it is vital to take steps to protect the network from threats.

Figure 99: Security (2/2) These threats must be detected quickly, with swift action to reduce their effect. This rapid response requires an architecture that is multidimensional, cohesive and holistic, connecting the dots between Security and Privacy and network events. Sharing of information on threats, breaches, and associated solutions is critical, not only with customers, and ecosystem partners, but with regulators and potentially with competitors. This openness is required since all domains are affected by cyber threats. The major principles on which the Security and Privacy architecture is based are constant vigilance; increased automation of data collection, analysis and response; and the evaluation of threats beyond the boundaries of the network. Besides protecting the privacy of subscribers and the confidentiality and integrity of their communication, also the protection of internet of things applications and the network itself against any forms of cyber attacks is of paramount importance. In particular, a superior degree of network availability is required to support future use cases like control of critical infrastructures, car traffic control or remote surgery. Nokia CEO Rajeev Suri in a recent interview said: I think network security will have to play a very strong role. I do not think we, as an industry, are focused on security as much as we should be. Mobile malware is really increasing at a rapid pace. It is

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Core Network and E2E Architecture

not very expensive to find a loophole in the network and try to bring parts of the network down, or to target consumers and individuals and get hold of private information. In a nutshell, Nokia aims for security mechanisms with highest robustness, flexibility, and automation for 5G security.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

127  

  128

Introduction to 5G

 

Other potential building blocks for 5G core network Other potential building blocks for 5G core network Apart from the core network technologies, there are other potential 5G core network and 5G Network architecture building blocks to be considered.

Figure 100: Other potential building blocks for 5G core network While these new technologies will be very diverse and applied to all domains of a mobile network including transport and core network, they must also be harmonized to make sure there are no contradictions. It might have been easy to build a separate system for each of these requirements, but the real challenge is to develop 5G as one system of systems that can meet all these requirements invisibly from the user’s perspective. New network architecture will be essential to meet the requirements beyond 2020, to manage complex multi-layer and multi-technology networks, and to achieve built-in flexibility. 5G era networks will be programmable, software driven and managed holistically. Backhaul will be heterogeneous, relying on optical technologies wherever possible, augmented with other secure wireless backhaul options to support flexible deployments. Mobile edge computing will bring the cloud applications, content and context closer to user locations. This will personalize the service experience through faster service delivery and augmented reality enhancements. This capability goes hand-in-hand with the transformation to cloud-based radio access. Virtualization of core and radio access network functions will optimize the use of network resources, add scalability and agility. This will also require both central and local data centers with SDN capabilities. SDN technologies will enable transport network resources, including fronthaul and backhaul, to become virtually programmable.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  5G Core Network and E2E Architecture

Summary: 5G Core Network and E2E Architecture Module Summary This module covered the following learning objectives: •

Describe 5G E2E architecture.

•

List main building blocks for 5G core.

•

Describe Network Slicing.

•

Describe Dynamic Experience Management.

•

Describe service determined connectivity.

•

Describe fast traffic forwarding.

•

Describe mobility on demand.

•

Explain how security is built into 5G networks right from the start.

•

List other potential building blocks for 5G core network.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

129  

  130

Introduction to 5G

 

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  LTE-A and LTE-Advanced Pro as foundation for 5G

LTE-A and LTE-Advanced Pro as foundation for 5G Module Objectives • • • •

Explain how 5G will build on 4G LTE foundation technologies. Explain the evolutionary paths of LTE-Advanced Pro. List potential 5G Technologies where LTE-A aids in transition. Explain tight 4G-5G interworking for fast time to market.

How 5G will build on 4G LTE foundation technologies LTE-A Pro as catalyst for 5G

Figure 101: LTE-A Pro as catalyst for 5G Evolution to 5G is a voyage. Original LTE standards from 3GPP Release 8 have been enhanced with LTE-Advanced to offer improved support for small cells and higher bit rates using Carrier Aggregation (CA). LTE will continue to evolve with the introduction of LTE-Advanced Pro. LTE-Advanced Pro brings great enhancements in radio performance on top of LTE-Advanced: multi-Gbps data rates, higher spectral efficiency and reduced latency. LTE-Advanced Pro also enables a number of new application scenarios, including Internet of Things (IoT) optimization for the Programmable World, vehicular connectivity and public safety. Although Mobile Network Operators (MNOs) are still building out their 4G networks, they need to prepare for 5G now. Since 5G will be build on 4G LTE foundation technologies, mobile operators should consider deploying advanced LTE technologies sooner rather than later. This will not only benefit them today, but also position their networks to evolve easily and quickly to 5G tomorrow. With 5G deployments slated to start in 2020, MNOs should be making plans to participate in 5G technology trials. Each LTE release is a stepping-stone to 5G. Operators must start preparing their networks today for 3GPP R12, R13, and R14. Investing in 4G is the right approach. Investments in LTE advanced and advanced Pro technologies will allow operators to boost capacity and quality of experience today and secure 5G sites for tomorrow. As leaders in LTE, small cells and virtualization, Nokia is well positioned to help mobile operators build a strong 4G foundation to start their journey on the path to 5G. In a nutshell, the move to the new 5G-driven, programmable world will be gradual. Rather than a replacement for existing technologies. Nokia’s view is that 5G has to be built on top of LTE and EPC and that a healthy balance of evolution and

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

131  

  132

Introduction to 5G

 

revolution will ensure investment protection for operators and vendors while innovative technologies will enable a future-proof 5G network. By combining all available technologies with new innovations operators will be able to get the full value of 5G. They will be able to create the massive capacity and massive connectivity needed for a new era of communication. This will allow them to look beyond technology to create new business models based on the delivery of agile, elastic, and highly personalized services. It will make all the probable use cases possible and enable the connection of everyone to every thing, transforming our digital lives.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  LTE-A and LTE-Advanced Pro as foundation for 5G

Evolutionary paths of LTE-Advanced Pro LTE-Advanced Pro LTE-Advanced Pro introduces improved radio capabilities which will make mobile broadband services more efficient, providing higher quality and enabling new sets of services on top of LTE networks. These features are defined in 3GPP Releases 13/14 and are collectively known as LTE-Advanced Pro. The developments will enable the Programmable World for billions of connected IoT devices, vehicular communication for Intelligent Traffic Systems (ITS) and public safety/critical communications. LTE-Advanced Pro raises user data rates to several Gbps, cuts latency to just a few milliseconds, gives access to unlicensed 5 GHz spectrum and increases network efficiency. LTE-Advanced Pro evolves in parallel to 5G towards the programmable world. The evolutionary paths of LTE-Advanced Pro and 5G are shown in the figure below:

Figure 102: LTE-Advanced Pro LTE-Advanced Pro and 5G can use similar technology components to enhance radio capabilities. 5G is a new non-backwards compatible radio technology that can operate both below and above 6 GHz frequencies and provide even higher data rates and lower latency. LTE-Advanced Pro operates below 6 GHz and evolves in parallel to development work on 5G.  To replay the video, click on this link: https://youtu.be/8UFODEdoNHw

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

133  

  134

Introduction to 5G

 

Potential 5G Technologies where LTE-A aids in transition Potential 5G Technologies where LTE-A aids in transition

Figure 103: Potential 5G Technologies where LTE-A aids in transition Since its launch, LTE has evolved to support higher peak bit rates and improve interworking with other radio access technologies such as WLAN. It will continue to evolve for the next ten years or so. LTE-Advanced Pro brings great enhancements in radio performance on top of LTE-Advanced. The LTE-Advanced enhancements, which are currently undergoing standardization in 3GPP in Release 13 and subsequent releases, mark a truly giant leap forward for 4G. The aggregation of up to 32 carriers made possible by LTE-Advanced, in combination with the use of unlicensed spectrum, will allow data rates to scale beyond 3 Gbps. Latency will shrink below 2 ms and spectral efficiency gains enabled by Full Dimensional MIMO will boost network capacity by a factor of 3. All these and further enhancements will not only benefit smartphone users, but also enable a host of new use cases, from connectivity for the IoT to public safety. At the same time, networks and networking topologies are anticipated to evolve with the introduction of new platform technologies such as: Network Function Virtualization (NFV) and Software Defined Network (SDN) and Mobile Edge Computing (MEC): The MEC concept is being standardized in ETSI, work that was initiated by Nokia. Nokia’s MEC solution is called Liquid Applications. Liquid Applications are also expected to be a key component in future 5G deployments. With all these new features and enhancements, why cannot we simply evolve LTE? As already outlined in a previous chapter, the set of requirements for 5G is not economically or technically achievable with the evolution of 4G. Some of the main challenges include: •

Advanced mission critical services and immersive virtual reality will eventually require extremely low end-to-end service latency of less than 1 millisecond.

•

With wide spread adoption of IoT devices, the RAN will need to handle extreme device connection density, up to 200,000 devices per km². Because LTE is connection-oriented, the signaling overhead will become a major issue as soon as the device density increases. What is required is a connectionless service.

•

Desire by mobile operators to offer a more consistent Quality of Experience (QoE) rather than simply promoting raw peak bit rates will push the RAN to support a more flexible optimization for a more uniform delivered bit rate.

•

The need to optimize the radio interface to simultaneously meet a wider range of use cases will drive the need for a more adaptable radio and core network solution than LTE/EPC.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  LTE-A and LTE-Advanced Pro as foundation for 5G

•

Ongoing traffic growth in high density zones will eventually exceed what can be supported in the spectrum bands in which LTE was designed to operate, leading to a need for new radio access technologies optimized for new spectrum bands above 20 GHz.

•

Need to evolve the security infrastructure to handle a significantly large number of attached devices will encourage the adoption of more distributed solutions based on chain of trust using verifiable credentials.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

135  

  136

Introduction to 5G

 

Multi-Gbps data rates with CA evolution

Figure 104: Multi-Gbps data rates with CA evolution LTE started with 150 Mbps peak rate and 20 MHz bandwidth. In Release 10, the peak data rates were upgraded by carrier aggregation. Mainstream carrier aggregation in 2015 delivers up to 300 Mbps on 2x20 MHz and the first networks with 3x20 MHz are about to go into commercial operation. 3GPP Release 10 defines a maximum capability up to 5x20 MHz, which gives 1 Gbps with 2x2 MIMO and 64QAM, and even 3.9 Gbps with 8x8 MIMO. The data rate can be increased still further with more spectrum and more antennas. A higher number of antenna elements is feasible when using comparatively large base station antennas, however, it is more of a challenge to integrate further antennas into small devices. For these, data rates are more easily increased by using more spectrum. Release 13 makes this possible by enhancing carrier aggregation to enable up to 32 component carriers. In practice, the use of unlicensed spectrum enables LTE to benefit from even further carrier aggregation capabilities.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  LTE-A and LTE-Advanced Pro as foundation for 5G

Using 5 GHz band

Figure 105: Using 5 GHz band So far, LTE networks have been deployed using licensed spectrum between 450 and 3600 MHz. With ever increasing amounts of traffic, being able to use unlicensed as well as licensed bands will allow improvements in capacity and peak data rates for LTE-Advanced Pro. The unlicensed 5 GHz band has plenty of available spectrum, suitable in particular for small cell deployments. This large pool of spectrum allows mobile broadband operators to benefit from the carrier aggregation evolution provided by LTE-Advanced Pro. LTE-Advanced Pro can use unlicensed band spectrum either through Licensed Assisted Access (LAA), or by integrating Wi-Fi more closely to the cellular network via LTE-Wi-Fi aggregation (LWA). LAA combines the use of licensed and unlicensed spectrum for LTE using carrier aggregation technology as shown in figure above. It is a highly efficient method of offloading traffic, since the data traffic can be split, with millisecond resolution, between licensed and unlicensed frequencies. Licensed bands can provide reliable connectivity, mobility, signaling and guaranteed data rate services, while the unlicensed band can give a significant boost in data rates. The technical solution for combining licensed and unlicensed spectrum is based on dual connectivity and carrier aggregation – the same solutions that have already been defined in LTEAdvanced and which can be reused for the 5 GHz band. LTE-Advanced Pro also allows the aggregation of LTE and Wi-Fi transmissions, offering a further way to make use of unlicensed bands. So far, LTE and Wi-Fi interworking has been implemented on the application layer. Under 3GPP Release 13, the data traffic can be split between LTE and Wi-Fi transmissions, allowing the user device to receive data simultaneously via both paths. This allows full use of WiFi capacity while maintaining the LTE connection for reliable mobility and connectivity.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

137  

  138

Introduction to 5G

 

3D MIMO

Figure 106: 3D MIMO LTE-Advanced Pro introduces the next step in spectral efficiency with 3-dimensional (3D) beamforming, also known as Full Dimensional MIMO (FD-MIMO). Increasing the number of transceivers at the base station is the key to unlocking higher spectral efficiencies. Release 13 specifies MIMO modes for up to 16 transceivers at the base station, while Release 14 may allow as many 64. These will bring efficiency gains for downlink transmissions: 16x2 provides a 2.5-fold gain in spectral efficiency compared to 2x2, while 64x2 shows a 3-fold gain. The gain available from 64x2 compared to 8x2 is 50 percent. Note that the 8x2, 16x2 and 64x2 transceiver configurations each have four columns of cross-polarized antenna elements of approximately the same physical dimensions, while the 2x2 transceiver configuration has only one column of cross-polarized antenna elements. The total transmission power is the same in all cases.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  LTE-A and LTE-Advanced Pro as foundation for 5G

Millisecond latency

Figure 107: Millisecond latency LTE-Advanced Pro tackles the latency problem by reducing the frame length and optimizing the physical layer control of the air interface resources. A shorter TTI is directly proportional to the air interface delay. Shortening the TTI by reducing the number of symbols is the most promising approach when seeking to maintain backwards compatibility and usability in existing LTE bands. The current 1 ms TTI produces in practice a 10-20 ms round trip time, while an LTE-Advanced Pro solution should provide even less than 2 ms round trip time and a less than 1 ms one-way delay. Nokia’s implementation approach offers further reduction in end-to-end delay in content delivery, through deployment of Mobile Edge Computing (MEC). Nokia’s MEC solution is called Liquid Applications. This allows the delivery of large amounts of localized data to the user with an extremely low delay, all without burdening the core network. Low-latency LTE-Advanced Pro will provide an even better radio interface to complement the benefits of Liquid Applications. In addition to low latency, MEC allows authorized third-parties to gain access to the RAN edge, enabling them to deploy innovative applications and services for mobile subscribers, enterprises and vertical segments. As already outline in a previous slide, Liquid Applications are expected to be a key component in future 5G deployments.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

139  

  140

Introduction to 5G

 

Internet of Things optimization

Figure 108: Internet of Things optimization Narrow-Band Long-Term Evolution (NB-LTE) is a narrowband radio technology specially designed for the IoT. It is currently being standardized within 3GPP under the label NB-IoT. NB-IoT standardization was completed by June 2016. NB-LTE specification is developed by 3GPP and targeted for Rel-13 (3GPP TR 45.820, study still ongoing). NB-IoT is an optimized variant of LTE and is well-suited for the IoT market segment because of its low implementation cost, ease of use and power efficiency. Nokia will help develop and bring to market the products needed for the commercialization of NB-IoT timed with market demand. NB-IoT will support a scalable solution for data rates. This solutions is deployable either in shared spectrum together with normal LTE, or as stand-alone, in a refarmed GSM carrier with as narrow a bandwidth as 200 KHz. It increases the coverage of LTE networks seven-fold and simplifies modems by 85 percent to support low data volume IoT applications. On the other hand, LTE for Machines (LTE-M) also know as Enhanced Machine Type Communications (or eMTC) is an evolution of legacy LTE 1.4MHz, it was under discussion in 3GPP R13 in December 2015. LTE-M is optimized for support of low throughput, low complexity, low energy consumption Machine Type Communications with good coverage. LTE-M will support a scalable solution for data rates. This solutions is deployable either in shared spectrum together with normal LTE, or as stand-alone, in a refarmed GSM carrier with as narrow a bandwidth as 1.4 MHz. LTE-M complements NB-IoT by addressing demanding IoT applications with low to mid-volume data use of up to about 1 Mbps. The technology also simplifies modems by about 80%. And Nokia has already shown 1st live LTE-M demo on commercial Nokia FlexiZone and core in MWC 2015 working together with KT, one of Korea's leading operators. IoT optimization in Release 13 extends coverage for power-limited devices via repetition and power spectral density, boosting to 164 dB path loss, allowing the use of power-limited devices to operate in cellars or closed indoor places. Release 13 also improves battery consumption by introducing longer Discontinuous Reception (DRX) cycles, allowing up to 10-year battery life with 2 AA batteries. Narrowing the operating bandwidth to 1.4 MHz and further to 200 kHz, together with reduced modem complexity enables LTE to support low cost device use. Moreover, signaling and network optimizations improve the capacity of networks, so that tens of billions of devices can be served by a single network. Operators can start supporting IoT devices with LTE networks from Release 8 using Category 1 devices that are available today. Device cost and power consumption is reduced in Release 12 with Category 0 devices using a simple software upgrade in © Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  LTE-A and LTE-Advanced Pro as foundation for 5G

the network. Even further cost reductions are possible with a narrow-band 200 kHz IoT solution developed in 3GPP Release 13. This will enable a further cut in the implementation costs of IoT modems, making mass market deployment feasible. This narrowband IoT solution can be multiplexed within an LTE carrier, outside an LTE carrier or deployed as a standalone carrier. The preferred solution is the in-band options which is a software upgrade to the LTE network and allows to multiplex NBIoT within the existing LTE carrier.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

141  

  142

Introduction to 5G

 

Tight 4G-5G interworking for fast time to market Evolution to 5G

Figure 109: Evolution to 5G LTE-Advanced Pro is a key technology for the immediate future of mobile network development. LTE-Advanced Pro will be backwards compatible on the same frequencies as current LTE networks and devices and will be available from 2017. In contrast, 5G will be a non-backwards compatible radio technology, starting trials around 2018 and commercially available on a wide scale in 2020. LTE will evolve to constitute part of the 5G system, complemented by new non-backwards compatible radio interfaces designed to better serve new use cases and scenarios. 3GPP is expected to define close interworking between LTE-Advanced Pro and 5G, in fact a tighter interworking than with any earlier technologies. 5G Devices will have simultaneous connection to LTE and 5G radios, based on the LTE Dual Connectivity functionality. The quality and performance of LTE-Advanced Pro is not only important in the short term but also in the long term when 5G radio will be deployed. 5G is expected to use LTE for the control plane in the first phase, with the 5G radio used for boosting user plane data rates. An excellent 5G experience will only come with high quality LTE networks. 5G will further boost the data rates and capacity beyond LTE-Advanced Pro by using larger bandwidths and spectrum above 6 GHz.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  LTE-A and LTE-Advanced Pro as foundation for 5G

Summary: LTE-A and LTE-Advanced Pro as foundation for 5G Module Summary This module covered the following learning objectives: •

Explain how 5G will build on 4G LTE foundation technologies.

•

Explain the evolutionary paths of LTE-Advanced Pro.

•

List potential 5G Technologies where LTE A aids in transition.

•

Explain tight 4G-5G interworking for fast time to market.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

143  

  144

Introduction to 5G

 

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Landscape of major 5G industry activities

Landscape of major 5G industry activities Module Objectives • • • • • • • •

List major 5G industry activities. Describe ITU-R 5G related activities. Describe NGMN 5G related activities. Describe 3GPP work on 5G. Explain 5G related European Union projects. Explain 5G related activities in Asia. Explain 5G related activities in the Americas. Identify Nokia key role within 5G industry cooperation.

Major 5G industry activities Overview of major 5G industry activities 5G-related research activities had already begun. Different regions of the world are competing to be the leader in the research and development of 5G standards, networks, and products. Various organizations from different countries and regions have taken initiatives and launched programmes aimed at potential key technologies of 5G.

Figure 110: Overview of major 5G industry activities The European Union has invested heavily in research activities with the aim to put Europe back in the leading role of the global mobile industry. In addition, China, Korea and Japan have a number of initiatives underway with funding by the respective governments. North America, in particular the United States, has long been leading the global efforts on the deployment of mobile technologies all the way through 4G technologies and need to remain a strong player in the definition and development of 5G in order to continue the deployment leadership by tuning the 5G development to the unique North American and Latin American marketplace. 5G Americas officially announced the change of the organization’s name from 4G Americas on February 12, 2016. The Third Generation Partnership Project (3GPP) has drawn up its evolution roadmap to 2020. On the other hand, The Next Generation Mobile Networks (NGMN) Alliance has positioned itself as the lead organization driving the 5G agenda. Through the leading role of WP 5D, International Telecommunication Union-Radio communication sector (ITU-R) is finalized its view of a defined actionable timeline towards IMT for 2020 and beyond.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

145  

  146

Introduction to 5G

 

ITU-R 5G related activities ITU-R IMT 2020 and beyond

Figure 111: ITU-R IMT 2020 and beyond ITU has a rich history in the development of radio interface standards for mobile communications. The framework of standards for IMT, encompassing IMT-2000 and IMT-Advanced, spans the 3G and 4G industry perspectives and will continue to evolve as 5G with IMT-2020. ITU-R began in 2012 a programme to develop IMT-2020 and beyond, setting the stage for the 5G research activities that have since emerged across the world. In September 2015 the organization has finalized its Vision of the 5G mobile broadband connected society. This view of the horizon for the future of mobile technology will be key in setting the agenda for the World Radio communication Conference (WRC) 2019, where deliberations on additional spectrum are taking place in support of the future growth of IMT. WP 5D is responsible for the overall radio system aspects of IMT systems, comprising IMT 2020 and beyond (but also IMT-2000, IMT-Advanced). Through the leading role of Working Party 5D ITU-R which has finalized its vision of a timeline towards IMT-2020. In the next phase, in the 2016-2017 time-frame, WP 5D will define in detail the performance requirements, evaluation criteria and methodology for the assessment of new IMT radio interface. It is anticipated that the timeframe for proposals will be focused in 2018. In 2018-2020 the evaluation by independent external evaluation groups and definition of the new radio interfaces to be included in IMT-2020 will take place. WP 5D also plans to hold a workshop in late 2017 that will allow for an explanation and discussion on performance requirements and evaluation criteria and methodology for candidate technologies for IMT-2020 that has been developed by WP 5D, as well as to provide an opportunity for presentations by potential proponents for IMT-2020 in an informal setting. The whole process is planned to be completed in 2020 when a draft new ITU-R Recommendation with detailed specifications for the new radio interfaces will be submitted for approval within ITU-R. The Secretary-General of ITU, Houlin Zhao said: Following additional spectrum allocations for mobile during the World Radio Communication Conference in late 2015, ITU is continuing to work in close collaboration with governments and the global mobile industry to make rapid progress in bringing the vision of IMT-2020 to fruition. Future steps in 5G mobile technology are aimed at a new paradigm of connectivity among people and things in a smart, networked environment encompassing big data, applications, transport systems and urban centers.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Landscape of major 5G industry activities

 ITU UPDATE: The work of the ITU-T Focus Group on network aspects of IMT2020 (5G): https://youtu.be/9JAj3QJVETY  ITU INTERVIEWS: Stephen M Blust, AT&T speaking on mobile broadband: https://youtu.be/fQrWyvlbM6A

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

147  

  148

Introduction to 5G

 

NGMN 5G related activities NGMN 5G related activities The Next Generation Mobile Networks (NGMN) Alliance is a forum made up of 28 mobile operators and various other mobile industry ecosystem companies including network and handset vendors, and research institutes. It was founded by leading international mobile network operators in 2006. The NGMN Alliance is developing, consolidating and communicating operator requirements to ensure that customer needs and expectations on mobile broadband are fulfilled.

Figure 112: NGMN 5G related activities NGMN began working on identifying requirements for 5G standards in Q4 2013. NGMN has launched a 5G-focused work-programme that will build on and further evolve the NGMN 5G White Paper guidelines (published its 5G White Paper at Mobile World Congress 2015) with the intention to support the standardization and subsequent availability of 5G for 2020 and beyond. The key tasks of the project teams will be: the development of 5G requirements and design principles, the analysis of potential 5G solutions, and the assessment of future use-cases and business models. The outcome of the work will be shared and discussed with all relevant industry-organizations, SDOs and research groups.  NGMN positions operators at the forefront of 5G development: https://youtu.be/MlYwkXqMJuc

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Landscape of major 5G industry activities

3GPP work on 5G 3GPP 5G related activities The Third Generation Partnership Project (3GPP) has drawn up its evolution roadmap to 2020.

Figure 113: 3GPP 5G related activities The 3GPP is starting work on a more detailed set of standards for 5G. Their initial focus is on setting requirements (the technical requirements defined in TR 38.913 Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies), followed by formal Study Items (SI) to baseline the architecture and radio technologies. This will lead to work items between 2017 and 2019 to define the complete 5G specification, resulting in the first release being issued as part of 3GPP Release 15. While the normative work can be phased to initially specified support for only a subset of the identified use cases and requirements. It seems widely agreed that, the design of the new radio should be forwarded and has to be compatible so it can optimally support the remaining use cases and satisfy the requirements that will be added in a later phase: •

Phase 1 to be completed by H2 2018 (3GPP Release 15) to address a more urgent subset of the commercial needs (to be agreed).

•

Phase 2 to be completed by Dec 2019 (3GPP Release 16) for the IMT 2020 submission and to address all identified use cases and requirements.

 Check out this Podcast called: Time-line for 5G in 3GPP-SD http://tube.int.nokia.com/Pages/NSNPodcastDetail.aspx?ItemId=6610

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

149  

  150

Introduction to 5G

 

5G related European Union projects 5G related European Union projects

Figure 114: 5G related European Union projects The list of the projects shown here is a non exhaustive list. See more at https://5g-ppp.eu/5g-ppp-phase-1-projects/ Much of the European 5G research is funded by the European Union. The 7th Framework Programme (FP7) was a funded European Research and Technological Development from 2007 until 2013 (projects needed to start by 2013 for FP7 funding, but could run an additional 2-3 years). The 5G Public Private Partnership (5G PPP, previously 8th Framework Program) is a collaborative research program that is organized as part of the European Commission’s Horizon 2020 program – The European Union Program for Research and Innovation. It is aimed at fostering industry-driven research, which is controlled by businesses, performance and societal KPIs. The 5G PPP has a lifetime from 2014 to 2020 and is open for international cooperation and participation. Within this research and innovation framework, the European Commission, with the approval of the European Parliament, has committed 700M€ of public funds to supporting 5G PPP activities. Complementary private investment in the order of five times the amount is expected to be provided by Industry, SME, and Research Institutes to realize the 5G-PPP vision. The private side in 5G PPP is represented by the 5G Infrastructure Association. The 5G PPP is expected to fund many projects over the next several years. The main related projects are given on this slide but this is not an exhaustive list. More information is available at http://5g-ppp.eu/ or Twitter: @5GPPP

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Landscape of major 5G industry activities

5G related activities in Asia 5G related activities in Asia

Figure 115: 5G related activities in Asia 5G related activities in China The 5G-related activities in China are primarily centered on two main fora. These two fora are the IMT-2020 Promotion Group and Ministry of Science & Technology (MOST) 863-5G Project. The IMT-2020 promotion group was jointly established by three ministries in China (the Ministry of Industry and Information Technology, the National Development and Reform Commission and the Ministry of Science and Technology) in February 2013 based on the original IMT-Advanced Promotion Group, with the objective to Promote 5G research and development Facilitate global cooperation on 5G R&D. The IMT-2020 promotion group does not carry out any detailed research activities itself but should be seen more as discussion or coordination fora. The set of members of the IMT-2020 promotion group includes Chinese operators, vendors, universities and research institutes. Foreign companies cannot be members of the IMT-2020 promotion group but are invited to events such as workshops. More information is available at http://www.imt-2020.cn/en 863-5G is a government-sponsored research activity on 5G wireless access as part of the overall Chinese 863 research program. The first call of 863-5G activities consist of four topics or directions covering three years (2014-2016). These four aspects covered are Radio-access-network (RAN) architecture, Radio-transmission technologies, Visions, requirements, and spectrum and enabling techniques and Evaluation and test methodology. The 863-5G activities are not limited to Chinese companies; non-Chinese companies may also participate. The list of non-Chinese companies participating in the 863-5G activities includes Ericsson, Nokia, Samsung and NTT DoCoMo. 5G related activities in South Korea South Korea formed the 5G Forum, an industry-academia cooperative program in May 2013. The appointed chairing companies include the Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI), three major telcos (for example, KT, SKT and LG U+) and major electronics companies such as Samsung Electronics, LG Electronics, KMW and Dio Interactive. The Forum has identified four strategies to promote in Korea which include: activation of 5G R&D, implementation of universal infrastructure, creation of mobile service and establishment of national policy.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

151  

  152

Introduction to 5G

 

By 2020 the South Korean government intends to commercially deploy 5G mobile telecommunication technology for the first time in the world featuring five core 5G services during the Pyeongchang 2018 Winter Olympics. This would include social networking services; mobile 3D imaging; artificial intelligence; high-speed services; and ultra- and high-definition resolution capabilities; and holographic technologies. More information is available at http://www.5gforum.org 5G related activities in Japan In Japan, the Association of Radio Industries and Businesses (ARIB) 2020 and beyond Ad Hoc group was established in September 2013 with the objective to study system concepts, basic functions and distribution/architecture of mobile communication in 2020 and beyond. The country has set an ambitious target of having commercial 5G services available in time for the 2020 Olympic Games in Tokyo. Additionally, The Fifth Generation Mobile Communications Promotion Forum (5GMF) was created in September 2014 to conduct research & development concerning the 5G system and research and study pertaining to standardization thereof, along with liaison and coordination with related organizations, the collection of information, and dissemination and enlightenment activities aimed at the early realization of the 5G Systems, all with the aim of thereby contributing to the sound development of the use of telecommunications. More information is available at http://5gmf.jp/en/

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Landscape of major 5G industry activities

5G related activities in the Americas 5G related activities in the Americas Several 5G activity in the Americas has been taking place in various universities. These research activities are often joint activities with private industry, funded through government grants, or a combination of the two.

Figure 116: 5G related activities in the Americas 5G Americas is an industry trade organization composed of leading telecommunications service providers and manufacturers. The organization's mission is to advocate for and foster the advancement and full capabilities of LTE wireless technology and its evolution beyond to 5G, throughout the ecosystem's networks, services, applications and wirelessly connected devices in the Americas. 5G Americas is invested in developing a connected wireless community while leading 5G development for all the Americas. 5G Americas officially announced the change of the organization’s name from 4G Americas on February 12, 2016. More information is available at http://www.5gamericas.org or Twitter@5GAmericas.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

153  

  154

Introduction to 5G

 

Nokia key role within 5G industry cooperation Nokia 5G related research activities The following figure illustrates the Nokia’s contribution in shaping and aligning the global 5G end-to-end ecosystem:

Figure 117: Nokia 5G related research activities We are a leader in 5G research, and we play a vital role in its definition and development through major research projects. These projects are conducted by Bell Labs and FutureWorks through partnerships with mobile operators, universities and key 5G organizations, like 5G PPP, NGMN, ITU and 3GPP. Nokia’s position as a leader in innovation is stronger than ever through the combination of the Nobel prize winning research organization at Bell Labs and the cutting edge research at FutureWorks. The combination of these research capabilities will drive breakthrough innovations that will shape and define the networks of the future of our connected lives. Ultimately, the creation of a successful 5G standard requires the best ideas to be adopted, no matter where they come from. And requirements from outside the telecom industry are very important to consider. Nokia has established a broad range of innovation partnerships to establish a common direction through collaboration in requirement setting, technology research and finally in standardization. Therefore, we are driving collaborative research with customers (for example, NTT DOCOMO, SKT, KT, DT, CMCC), governmental bodies, regulatory and industry bodies (for example, NGMN, IEEE), industry & scientific community, 5G labs (for example, 5G lab at TU Dresden) and universities (for example, New York University for channel measurements and characterization or University of Kaiserslautern for 5G architecture). Particularly, Nokia is a leading contributor to 5G radio system and overall architecture within 5G PPP Projects: 5G-NORMA, METIS-II, FANTASTIC-5G, mmMAGIC and Xhaul. In addition to its contributions in these projects, Nokia also holds the chair position of the entire 5G-PPP Infrastructure Association Board and participates in several overall coordinating workgroups of the 5G-PPP Initiative. On top of that, Nokia participates in a Coordinating Support Action (CSA) project called EURO-5G for effective and efficient co-operation between all projects of the 5G-PPP, all associated partners, the European Commission and related national initiatives.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Landscape of major 5G industry activities

Summary: Landscape of major 5G industry activities Module Summary This module covered the following learning objectives: •

List major 5G industry activities.

•

Describe ITU R 5G related activities.

•

Describe NGMN 5G related activities.

•

Describe 3GPP work on 5G.

•

Explain 5G related European Union projects.

•

Explain 5G related activities in Asia.

•

Explain 5G related activities in the Americas.

•

Identify Nokia key role within 5G industry cooperation.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

155  

  156

Introduction to 5G

 

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Roadmap for 5G standards and rollout

Roadmap for 5G standards and rollout Module Objectives • Describe key milestones in 5G development. • Explain 5G roadmap. • Explain how Nokia is serving Early Adopters for extreme Broadband.

Key milestones in 5G development Key milestones in 5G development

Figure 118: Key milestones in 5G development In early 2012, ITU-R embarked on a programme to develop IMT-2020 (International Mobile Telecommunications 2020), setting the stage for the 5G research activities that have since emerged across the world. The EC’s (The European Commission) 5G research activities began in November 2012 with the co-funding of METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty (2020) Information Society). During Mobile World Congress (MWC) 2013, GSMA launched an industry effort to think about the future of the mobile services industry. In December 2013, the European Union went further and announced a joint 5G research and innovation project with the private sector: The 5G Infrastructure Public Private Partnership (5G PPP). In Japan, The Association of Radio Industries and Businesses (ARIB) 2020 and beyond Ad Hoc group was established in September 2013 with the objective to study system concepts, basic functions and distribution and architecture of mobile communication in 2020 and beyond. The industry buzz on 5G increased dramatically in 2014. Attention was becoming more focused on establishing the operator’s view of the enablers for a connected society in the 2020 and beyond timeframe. On July 1, 2015, the projects from the first phase of the 5G PPP started. The first call for projects has resulted in nineteen projects being selected addressing a rich cross section of the research challenges leading to a 5G infrastructure by 2020.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

157  

  158

Introduction to 5G

 

In 2015, the ITU-R finalized it's Vision of the 5G mobile broadband connected society. This view of the horizon for the future of mobile technology was the key in setting the agenda for the World Radiocommunication Conference (WRC) 2015, where discussions regarding additional spectrum take place in support of the future growth of the industry.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Roadmap for 5G standards and rollout

5G roadmap 5G roadmap The roadmap, milestones and steps to be taken towards the final deployment are essential prerequisites for the overall success of 5G.

Figure 119: 5G roadmap Research work on 5G started about five years ago with significant research projects in Europe, China, Korea, and Japan. At the same time, ITU-R started working on setting the fundamental requirements for 5G, followed more recently by the (Next Generation Mobile Networks) NGMN, an operator pre-standards organization, with the release of it's 5G White Paper at Mobile World Congress (MWC) 2015. Moving forward, the 3GPP will start working on a more detailed set of standards for 5G. Their initial focus is on setting requirements, followed by formal study items to baseline the architecture and radio technologies. This will lead to work items between 2017 and 2019 to define the complete 5G specification, resulting in the first release being issued as part of 3GPP Release 15. Therefore, trials prior to 2019 cannot be standard based. In parallel, ITU-R is expected to launch a formal call for candidate radio technologies for it's IMT-2020 project and prepare for the critical World Radio Conference (WRC) in 2019 where new radio bands above 20 GHz are expected to be identified. Mobile Network Operators are expected to hold technology trials in 2018 and limited customer trials in 2019, with early commercial 5G deployments starting in 20202021. Particularly, Korea and Japan are aggressive on the timetable of 5G. Both Korea and Japan are about to show their competence on 5G technology development by providing 5G services in 2018 Winter Olympic Games and 2020 Summer Olympic Games respectively.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

159  

  160

Introduction to 5G

 

Early Adopters for extreme Broadband served by Nokia Serving early adopters

Figure 120: Serving early adopters 5G will happen faster than expected. This may surprise some of you, Chief Executive Rajeev Suri declared to an audience including investors ahead of the Mobile World Congress 2016 in Barcelona. First commercial 5G deployments are expected to happen starting 2020. As mentioned in previous slide, some markets, especially Korea and Japan need high capacity mobile broadband to be deployed by 2020. This will require the standards to be agreed and finalized in 2018. But pre-standard products and trials will take place in 2017 and 2018. In 2017, Nokia targets 5G-ready massive broadband solution for last hop to the home. The solution bridges from the existing fiber network using high throughput 5G-ready hotspots placed, for example, on adjacent lamp posts to cover the last hop. This ensures at least 1 Gbps throughput for every home. Nokia will start performing trials in 2016 and targets commercial availability in 2017. Connecting homes near fiber, Nokia’s 5G-ready solution is the first concrete step towards realizing the benefits inherent with full 5G. Next step will be in 2018, with Pre standardized trials. It will be triggered by South Korea Telecom's ambition to have 5G-ready networks running in time for the 2018 Winter Olympics in South Korea. And finally, as outlined before, the first commercial 5G deployments are expected to happen starting 2020. this 3GPP compliant solution will see the introduction of novel layers and architectural changes beyond those implemented in pre-standard phase; to enable the full potential of 5G. At Nokia, we are ready to help operators turn 5G technical concepts into real business. Our holistic services approach and methodology guides them throughout the whole 5G journey. Are you ready for this new experience?  Click on https://youtu.be/LaKyga5unGU or scan the QR code in the image to play the video.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

  Roadmap for 5G standards and rollout

Summary: Roadmap for 5G standards and rollout Module Summary This module covered the following learning objectives: •

Describe the key milestones in 5G development.

•

Explain 5G roadmap.

•

Explain how Nokia is serving Early Adopters for extreme Broadband.

© Nokia Solutions and Networks. All rights reserved.

161