Zukunft der Funktechnik

Die Zukunft der Funktechnik ist von Frequenzknappheit und dem ständig steigenden Bedarf nach höheren Übertragungsraten geprägt. Deshalb spielen in der Forschung und Entwicklung im Mobilfunk verschiedene Verfahren zur Steigerung von Kapazitäten und Datenraten in Mobilfunknetzen eine große Rolle.
Das ist deshalb so wichtig, weil die künftigen Anwender der Mobilfunknetze Musik und Filme aus der Cloud laden und Fotos und Videos auf Facebook hochladen wollen. Dafür braucht jeder mobile Nutzer mehrere MBit/s für sich alleine.

Während eine spezifizierte Mobilfunktechnik in Halbleiterbausteine, Netzwerkelemente und Mobilfunkgeräte integriert wird, sind die Wissenschaftler weltweit schon längst wieder damit beschäftigt, die nächste, noch bessere und schnellere Mobilfunkgeneration zu entwickeln. Gleichzeitig macht sich die internationale Fernmeldeunion (ITU) daran Frequenzen zuzuteilen.

Eine höhere Spektrumeffizienz, die Bündelung von Funkbändern und noch schnellere Zugriffszeiten sind dabei die erklärten Entwicklungsziele. Verbesserte Antennenstrukturen, optimierte RF-Architekturen, besser ausgeschöpfte Mehrantennentechnik (MIMO) und die Trägerbündelung sind zur Zeit die einzigen Optimierungsmöglichkeiten.

Mehrfachnutzung des Frequenzspektrums

Die meisten Funktechniken sind bestimmten Frequenzbereichen zugeordnet, die sie meist auch exklusiv nutzen dürfen. Weil freie Frequenzbereiche knapp sind, versucht man Funktechniken so zu entwickeln, dass eine Koexistenz unterschiedlicher Funksysteme im selben Frequenzbereich möglich sind. Für 2,4 und 5 GHz gibt es bereits Frequenzbereiche, die für unterschiedliche Funksysteme freigegeben sind.
Das Ziel ist, das vorhandene Frequenzspektrum effizienter auszunutzen. Damit das gelingt, ist eine technologie- und dienstneutrale Funkregulierung in Arbeit. Dahinter steckt die Idee, dass jeder Dienst mit jeder Technologie in jedem Frequenzband betrieben werden darf, wenn gegenseitige Störungen technisch ausgeschlossen sind.

Dynamischen Frequenzzuweisung

In der Regel erkauft man sich eine schnellere Übertragungsrate mit einem breiteren Frequenzspektrum. Das führt dazu, dass im Fernbereich mindestens 20 MHz breite Funkkanäle gefordert sind. Im Nahbereich sind es mindestens 100 MHz breite Funkkanäle. Doch leider sind breite Frequenzbereiche, die dann auch noch frei sind, sehr selten. Deshalb versucht man den Funkkanal durch ungenutzte Frequenzbereiche dynamisch zu vergrößern, um so mehr Raum für eine schnellere Übertragungsrate zu schaffen.

In Zukunft werden Funkgeräte verschiedene Frequenzbereiche dynamisch nutzen. Sowohl lizenzpflichtige als auch lizenzfreie Frequenzbereiche. Sobald der Datenverkehr im Standardnetz zu stark ist, sucht sich das Funkgerät einen freien Frequenzbereich. Dazu wird mehrmals in der Sekunde nach einem freien Bereich im Spektrum gesucht. Im Fall einer bereits belegten Frequenz stellen sich sowohl Basisstation als auch Endgeräte auf den nutzbaren Frequenzbereich ein.

Vorerst arbeitet man jedoch daran, dass Funkgeräte auf eine Datenbank zugreifen können, um lokal genutzte Frequenzen abzufragen. Dabei soll das Gerät die Frequenzen meiden, die durch eine Lizenz belegt sind und nur die Frequenzen nutzen, für die es keine Lizenz gibt. Die Datenbank enthält also nicht nur Frequenz und Lizenznehmer, sondern auch Geoinformationen und Sendeleistungspegel.
Eine Frequenzabtastung wäre momentan zu teuer. Deshalb baut man vorerst auf eine Datenbanklösung.

Universelles Funksystem

Die Idee eines universellen weltweit funktionierenden Mobilfunksystems ist der Traum der Mobilfunkbranche. Bisher scheiterte das an der uneinheitlichen Frequenzzuteilung in den USA, Europa und Asien. Doch die Hersteller von Funksystemen möchten zu viele unterschiedliche Frequenzbereiche vermeiden. Multiband-Geräte sind aufwendiger in der Entwicklung und Herstellung. Das macht die Geräte teuer, drückt die Verkaufszahlen und macht die Funksysteme weder für Hersteller noch für den Handel und schon gar nicht für den Massenmarkt interessant.
Doch die Integration unterschiedlicher Übertragungstechniken zu einem universellen Funksystem ist in Zukunft unausweichlich.

Mehrantennenkonzepte

Bei der Entwicklung neuer Funktechniken stößt man bei Ein-Antennen-Systemen immer öfter an das technisch Machbare. Deshalb setzt man auf Systeme, die mehrere Antennen zum Senden und Empfangen nutzten. Mehrere Antennen verhelfen dem Empfänger zu räumlichen Informationen (Spatial Multiplexing), was zur Steigerung der Übertragungsrate genutzt werden kann.

Single-User-MIMO werden über mehrere Sende- und Empfangsantennen mehrere Datenströme gleichzeitig übertragen. Per Beamforming wird die Sendeleistung der Basisstation gebündelt und das Funksignal gezielt an den Empfänger übertragen. Das erhöht die Empfangsqualität und somit die Reichweite. Mit Multi-User-MIMO ist ein räumlicher Mehrfachzugriff möglich. Dabei werden unterschiedliche Datenströme zu räumlich getrennten Empfängern übertragen, die Antennen-Diversität und dadurch auch die Übertragungsqualität verbessert.

Optimierte Mehrantennenkonzepte (MIMO) und zellübergreifende Kooperationstechniken sind die Schlüsseltechnologien der aktuellen Mobilfunkgeneration. Um die spektrale Effizienz und die Leistungsfähigkeit der Mobilfunksysteme weiter zu verbessern wird an Weiterleitungs- und Interferenzreduktionsverfahren geforscht. Bisher müssen die theoretisch hergeleiteten Ergebnisse unter praktischen Bedingungen noch erprobt werden.

Per Antennentrick zu Vollduplex über eine einzige Frequenz

Wissenschaftler von der Universität Stanford haben eine Technik entwickelt, mittels der sich anders als bisher über einen einzigen Funkkanal zugleich senden und empfangen lässt. Sozusagen ein Vollduplex-Betrieb für Funksysteme.

Mathematische Formel / Coded TCP

In Funknetzwerken gehen Datenpakete häufiger verloren im Vergleich zu leitungsgebundenen Netzwerken. Ein verlorenes Datenpaket muss deshalb noch mal gesendet werden. Die Wartezeit, bis ein Fehler erkannt wird und bis das Paket noch mal gesendet wurde, verringert die Datenübertragungsrate der Verbindung. Daher ist man bestrebt Lösungen zu finden, die das erneute Senden von Datenpaketen vermindert oder vermeidet.
Dazu gibt es ein Verfahren mit der Bezeichnung "Coded TCP". Hierbei werden die Datenpakete in eine mathematische Gleichung umgewandelt und verschickt. Gehen ein Teil der Daten aus der Gleichung verloren, dann kann der Empfänger die fehlenden Daten mit einer Formel und den vorhandenen Daten rekonstruieren. So ist ein erneutes Versenden überflüssig. Die Berechnung der fehlenden Daten ist schneller.
Geht man von einem Datenverlust von 2 Prozent bei einem typischen WLAN aus, dann verringert sich die Übertragungsrate von 16 auf 1 MBit/s. Mit einer mathematischen Fehlerkorrektur, wie "Coded TCP" lässt sich ein Geschwindigkeitszuwachs von bis zu 1.000 Prozent erreichen.

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