IMT-2020 / 5G-Mobilfunk

Die Bezeichnung "5G" bezieht sich auf die Definition der ITU für ein Mobilfunk-System der 5. Generation. Hierfür treibt die Standardisierungsorganisation 3GPP (3rd Generation Partnership Project) mit der Initiative IMT-2020 ihre 5G-Implementierung voran. Parallel dazu existieren mit METIS, iJOIN, TROPIC und MOTO weitere Forschungsprojekte und Initiativen anderer Institutionen.

Mitte 2018 soll das erste 3GPP-Release fertig sein. Mit den ersten 5G-Mobilfunknetzen ist dann im Jahr 2020 zu rechnen. Doch nicht nur die 3GPP arbeitet an einer 5G-Spezifikation, sondern auch andere Standardisierungsgremien, darunter das IEEE und die ITU.

"5G" ist als Überbegriff zu verstehen, das verschiedene Netze, Technologien und Anwendungen umfasst. Neben den 3GPP-Standards wird es alternative Standards von anderen Hersteller und Organisationen gebe. Zum Beispiel Sensornetzbetreiber, die Automobilwirtschaft und Smart-City-Architekten.
Es ist damit zu rechnen, dass "vertikal integrierte Unternehmen" an den 5G-Spezifikationen mitarbeiten, die Services und Applikationen anbieten wollen.

Ein einheitliches 5G-Netz wird es also nicht geben. Zu unterschiedlich sind die Anforderungen an das Netz. Es wird vielmehr eine Familie von Funkschnittstellen mit unterschiedlichen Zugangsmöglichkeiten für unterschiedliche Anforderungen geben.

Für 5G-Netzbetreiber ist 5G nicht nur die nächste Geschwindigkeitsstufe in ihren Netzen. Es stellt sich die Frage, ob sie mehr sein wollen, also nur der Zugangspunkt zum Netz.
Damit sich die enormen Investitionen in ein 5G-Mobilfunknetz rechnen, müssen die Netzbetreiber Geschäftsmodelle entwickeln. Um die anstehenden Möglichkeiten zu nutzen bedarf es radikaler Lösungen, an die man sich erst noch herantrauen muss. Eine Vielzahl neuer Geschäftsmodelle ergeben sich insbesondere in vertikalen Branchen. Hier herrscht ein Umfeld in dem viel anwendungsorientiert integriert werden muss.

Anforderungen an ein 5G-Mobilfunknetz

Das Internet der Dinge (IoT, Internet of Things) stellt die Mobilfunkbranche vor neue Aufgaben. Damit sind Smartwatches, Life-Tracker, vernetzte Autos und die Heim- und Industrieautomatisierung gemeint. Das drängenstes Problem ist dabei der Kapazitätsbedarf der Netze. Hier stellt sich die Frage, wie die Massen an Teilnehmern, die in die Mobilfunknetze strömen, versorgt werden können? Höhere Bandbreiten, Latenzen unter 1 Millisekunde und garantierte Verfügbarkeit sind die Parameter, an denen die Netzbetreiber und ihr 5G-Mobilfunknetz gemessen werden.

  • Kapazität: Vernetzung von Milliarden Menschen und Trillionen Dinge und Maschinen
  • Latenz: zwischen 1 und 5 ms (Echtzeitkommunikation zeitkritischer Anwendungen)
  • Datenrate: bis zu 20 GBit/s im Downlink und bis zu 10 GBit/s im Uplink pro Zelle
  • Verfügbarkeit: 99,999% (zuverlässige Kommunikation)
  • Energieverbrauch: 10 x weniger (verbesserte Energieeffizienz)
  • Vernetzung: Kommunikation direkt zwischen den Endgeräten

Anforderungsprofile

Alle diese Anforderungen können nur schwer in einer einzigen Mobilfunktechnik implementiert werden. Zu groß wäre die Komplexität. Außerdem werden nicht alle Anforderungen zu jeder Zeit eingefordert. Deshalb gibt es 3 anwendungsbezogene Anforderungsprofile.

  • Mobile Broadband (MBB): Mobiler Breitbandzugang mit hohen Datenraten und geringen Signallaufzeiten (Latenzen).
  • Massive Machine-type Communication (M-MTC): Anwendungen mit sporadischen und geringen Datenmengen. Einfache und kostengünstig herzustellende Geräte mit geringer Stromaufnahmen. In der Regel vernetzte Sensoren und fernauslesbare Zähler.
  • Critical Machine-type Communication (C-MTC): Anwendungen mit hohen Datenmengen, die Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und sehr geringe Signallaufzeiten (Latenzen) voraussetzen. Fernsteuerung von Maschinen und Anlagen, Echtzeitsteuerung von kritischen Abläufen in der Produktion und den Energienetzen und autonom fahrenden Fahrzeugen.

Anwendungen

  • vernetzte Autos
  • intelligente Transportsysteme
  • Virtual und Augmented Reality
  • Wearables
  • Smart Cities
  • Mobile/Connected Health

Netzarchitektur

Um mehr Kapazität im Frequenzspektrum zu bekommen, bedarf es einer höheren Netzdichte. Damit mehr Teilnehmer eine brauchbare Geschwindigkeit bekommen, muss das Netz mit Mikro-, Pico- und Femtozellen betrieben werden.

  • Small Cells: Besonders kleine Funkzellen in stark frequentierten Gebieten mit Frequenzbereichen, die ungünstige Ausbreitungsbedingungen haben.
  • Mesh-Network: Mobilfunkgeräte agieren als Relay-Stationen für andere Geräte mit schlechtem Empfang.
  • Software Defined Networking (SDN): Flexibleres Backbone-Netz.
  • Device-to-Device-Kommunikation: Mobilfunkgeräte kommunizieren innerhalb einer Funkzelle direkt miteinander und entlasten so die Basisstation.

Die Welt wird zunehmend kabellos, aber gleichzeitig setzen die Funknetze auf die Leistungsfähigkeit eines dahinterliegenden Festnetzes. Aus ökonomischer Sicht und der Verfügbarkeit werden bestehende Glasfaserzugangsnetze (PON-FTTx/FTTH), die eigentlich für Internet-Zugänge für private und gewerbliche Kunden gedacht sind, auch als Versorgungsnetz für das 5G-Mobilfunknetz dienen.

In diesem Zusammenhang bekommt Fixed Mobile Convergence eine völlig neue Bedeutung.

Übertragungstechnik

  • Verbesserung der Effizienz bei der Energieaufnahme und der Spektrumnutzung.
  • Beamforming: Gezieltes "Anfunken" der Empfänger, wie es von WLAN bekannt ist.
  • Neue Modulationsverfahren, um auch kleine Lücken im Frequenzspektrum leichter nutzen zu können.
  • 3D-MIMO und Massive MIMO: Mehr Sende- und Empfangseinheiten in einem Endgerät.
  • Multi Carrier: Noch mehr gebündelte Frequenzbereiche.
  • Ultra Low Latency: In Tests wurde bereits eine Latenzzeit von weniger als 1 ms erreicht.
  • WLAN-Offloading: Kombination von Frequenzen aus nicht-lizensierten Bändern mit lizensierten Frequenzbändern.

Hinweis: Eine Ende-zu-Ende-Latenz von 1 ms ist aufgrund der Begrenzung durch die Lichtgeschwindigkeit (1 ms entspricht 300 km) nur dann möglich, wenn sich die Endpunkte nicht zu weit voneinander entfernt befinden.

Frequenzen

Um eine möglichst große Kapazität im Frequenzspektrum zu erreichen werden die 5G-Standards der 3GPP sowohl für lizenzierte Frequenzbänder als auch für allgemein verfügbare Frequenzen spezifiziert werde. Es gibt bereits Netze, die werden mit Standalone Unlicenced Access betrieben.

Frequenzbänder im niedrigen Bereich werden bevorzugt, weil hier eine große Reichweite zu erwarten ist. Die Funksignale dringen gut durch Fassaden und Wände. Jedoch ist der maximal mögliche Datendurchsatz gering. Höhere Frequenzbänder haben schlechtere Ausbreitungsbedingungen für die Funksignale. Dafür bieten hohe Frequenzen hohe Übertragungsraten, haben aber nur eine begrenzte Reichweite und durchdringen Fassaden und Wände geringer.

Weil die bisher als attraktiv angesehenen Funkbänder im Bereich zwischen einigen Hundert Megahertz und drei Gigahertz belegt sind, geht man inzwischen auf höherfrequente Bänder.

Die zukünftigen Frequenzbänder für 5G könnten wie folgt aussehen:

  • 700 MHz
  • 3,4 bis 3,8 GHz (3,5 GHz)
  • 24,25 bis 27,5 GHz (Hotspots)

Aufgrund des Auslaufens der UMTS-Frequenzen Ende 2020 ist davon auszugehen, dass diese Frequenzen ab 2021 als Teil der 5G-Strategie übernommen werden.

Network Slicing

Statt einem Netz für alles will man ein flexibles Netz, das beispielsweise die Zuteilung von Einheiten verschiedener Güte für verschiedene Kunden oder spezielle Anwendungen erlaubt. Dazu wird das Gesamtnetz in virtuelle Netzabschnitte (Network Slices) unterteilt. Dabei sorgen Software-Defined Networking (SDN) und Network Functions Virtualization (NFV) für Flexibilität vom Kern bis hin zum mobilen Zugang des Netzes.

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