5G-Mobilfunk / IMT-2020
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 (International Mobile Telecommunication) ihre 5G-Implementierung voran.
Neben den 3GPP-Mobilfunk-Standards gibt es auch Standards von anderen Hersteller und Organisationen mit ähnlicher Zielsetzung. 5G ist als Überbegriff zu verstehen, das verschiedene Netze, Technologien und Anwendungen umfasst. Allerdings spricht man im Rahmen der Weiterentwicklung durch das 3GPP auch von 5G-Mobilfunktechnik.
5G hat wenig mit dem klassischen Mobilfunk zu tun, wie es von den Vorgängern GSM, UMTS und LTE bekannt ist. Ein einheitliches 5G-Netz gibt es nicht. Zu unterschiedlich sind die Anforderungen an das Netz. Zum Beispiel von Sensornetzbetreibern, die Automobilwirtschaft und Smart-City-Architekten.
Es existiert vielmehr eine ganze Familie von Funktechniken für unterschiedliche Anforderungen und unterschiedlichen Zugangsmöglichkeiten. Es entwickeln sich eine Vielzahl neuer Geschäftsmodelle in vertikalen Branchen. Hier herrscht ein Umfeld in dem viel anwendungsorientiert integriert werden muss.
Anforderungen an die 5G-Mobilfunktechnik
Die 5G-Mobilfunktechnik erfordert hohe Datenraten, niedrige Latenzzeiten, hohe Netzwerkkapazität und Energieeffizienz. Sie muss eine zuverlässige Verbindung für eine Vielzahl von Geräten bieten und eine nahtlose Integration mit bestehenden Netzwerken gewährleisten.
- Datenrate: bis zu 20 GBit/s im Downlink und bis zu 10 GBit/s im Uplink pro Zelle
- Latenz: zwischen 1 und 5 ms (Echtzeitkommunikation zeitkritischer Anwendungen)
- Kapazität: Vernetzung von Milliarden Menschen und Trillionen Dinge und Maschinen
- Verfügbarkeit: 99,999% (zuverlässige Kommunikation)
- Energieverbrauch: 10 mal weniger (verbesserte Energieeffizienz)
- Vernetzung: Kommunikation direkt zwischen den Endgeräten
5G-Anforderungsprofile
Die Internationale Fernmeldeunion (ITU-R) hat drei Anwendungsgruppen definiert.
- Enhanced Mobile Broadband (eMBB): Mobiler Breitbandzugang mit hohen Datenraten und geringen Signallaufzeiten (Latenzen).
- Massive Machine Type Communication (mMTC): Anwendungen mit sporadischen und geringen Datenmengen. Einfache und kostengünstig herzustellende Geräte mit geringer Stromaufnahmen. In der Regel vernetzte Sensoren und fernauslesbare Zähler.
- Ultra Reliable and Low Latency Communication (URLLC): 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.
Übertragungstechnik für 5G-Mobilfunk (3GPP)
5G baut auf der bestehenden LTE-Technik auf und optimiert sie für höhere Datenraten und geringere Latenz. Es nutzt OFDMA und verschiedene Modulationsverfahren wie QPSK und QAM. Wichtige Merkmale sind Beamforming, Massive MIMO, Multi Carrier und Network Slicing.
Netzarchitektur der 5G-Mobilfunk (3GPP)
Um das verfügbare Frequenzspektrum maximal ausnutzen zu können, bedarf es einer höheren Netzdichte. Damit mehr Teilnehmer eine hohe 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.
Frequenzbereiche für 5G-Mobilfunk in Deutschland
- 700 MHz
- 2 GHz
- 3,4 bis 3,8 GHz
- 24,5 bis 27,5 GHz, 31,8 bis 33,4 GHz, 40,5 bis 43,5 GHz (vielleicht zukünftig)
Um mit der 5G-Mobilfunktechnik die versprochenen Datenraten erreichen zu können werden die genutzte Frequenzen mit 2G-, 3G- und 4G-Mobilfunktechnik auch für 5G verwendet. Durch Re-Farming wird von der Bundesnetzagentur für bereits vergebene Frequenzen für 5G die Betriebserlaubnis erteilt. Die Netzbetreiber dürfen also selber entscheiden, welche Mobilfunktechnik sie einsetzen wollen.
Desweiteren werden zusätzliche Frequenzen aus hohen Frequenzbereichen verwendet, in denen sich die Funkwellen allerdings schlechter ausbreiten und damit eine geringe Reichweite haben.
Generell gilt, je höher die Frequenz, desto mehr beeinträchtigen Hindernisse und die steigende Reichweite die Funkverbindung. Mauern beispielsweise, die auf Frequenzen von 700, 800 oder 900 MHz noch problemlos durchdrungen werden, erweisen sich bei 3,6 GHz oft als undurchdringbar. Da mit steigender Frequenz auch die Streckendämpfung zunimmt, fallen die Funkzellen auf 3,6 GHz zudem spürbar kleiner aus als auf 1800 oder 700 MHz.
5G-Mobilfunk-Anwendungen
5G ist eine wichtige mobile Plattform für die vernetzte Gesellschaft, die unterschiedliche Breitbandanforderungen erfüllen muss. Nicht wenige erwarten eine industrielle Revolution.
Von der 5G-Mobilfunktechnik wird viel erwartet. Man geht davon aus, dass 5G die Voraussetzungen für zukünftige Anwendungen schafft.
- Internet der Dinge
- Industrie 4.0
- Smart Home
- 5G-Broadcast / Mobile-TV
- eHealth und mHealth
- Mission Critical Applications
Allerdings schwebt über allen diesen Anwendungen das Problem, dass sie manchmal nicht in die Tat umgesetzt werden, weil es schlicht an menschlichen Interessenten fehlt.
Internet der Dinge
5G-Mobilfunknetze sind speziell darauf ausgelegt, die Vernetzung von Maschinen und Sensoren zu unterstützen, was ein zentraler Bestandteil des IoT ist. Mit 5G können viele Geräte gleichzeitig und effizient miteinander kommunizieren, was für das IoT entscheidend ist. Die hohe Geschwindigkeit, geringe Latenz und die Fähigkeit, eine große Anzahl von Geräten pro Fläche zu unterstützen, machen 5G zur idealen Technologie für IoT-Anwendungen.
Industrie 4.0
In einem 5G-Mobilfunknetz stellen Smartphones den kleinsten Teil der Geräte dar. Die meisten technischen Leistungsmerkmale, die in der 5G-Technik stecken, zielen auf Endgeräte, die der Vernetzung von Maschinen und Sensoren dienen. Mobilfunk bildet somit das kommunikative Rückgrat des Internets der Dinge.
Smart Home
5G die technische Grundlage bietet, um die Vernetzung und Kommunikation der vielen Geräte im Smart Home effizient und zuverlässig zu ermöglichen.
5G-Broadcast / Mobile-TV
Das Mobilfunknetz mit Rundfunk zum Empfang von Radio und TV zu vereinen gibt es bereits seit UMTS. Auf dem ersten Blick scheinen Mobilfunk und Rundfunk gut zusammenzupassen. Doch egal wie man es dreht und wendet, für die Rundfunkübertragung wurden die Mobilfunknetze nicht konzipiert.
So kann man alle Versuche, Mobilfunk und Rundfunk via DVB-H, DMB, MediaFLO und viele weitere Verfahren zu vereinen, als gescheitert ansehen.
Mit 5G gibt es eine Neuauflage, 5G Today genannt, um die großflächige TV-Übertragung via 5G umzusetzen.
eHealth und mHealth
5G kann die technischen Voraussetzungen schaffen, die für viele eHealth-Anwendungen notwendig sind. Mit 5G können Anwendungen wie Telemedizin, Fernüberwachung von Patienten und Echtzeit-Diagnosen ermöglichen.
Mission Critical Applications
Missionskritische Funktionen (Critical Communication Functions) sind essenziell für professionelle Nutzer wie BOS, Flughäfen, Energieversorger und den öffentlichen Personennahverkehr. Dazu gehören Gruppenkommunikation, Push-to-Talk-Betrieb (PTT), Direktmodus, Fallback-Modus der Basisstationen sowie Status- und Kurzdatenübertragung.
Übersicht: 5G-Mobilfunk
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Leichter Einstieg in LoRa mit The Things Network (TTN)
Mit dem Elektronik-Set LoRa Edition kannst Du Dein eigenes IoT-Endgerät bauen und mit Deinem eigenen LoRaWAN oder dem LoRaWAN von The Things Network (TTN) verbinden. Als Basis dient das LoRa-Modul RAK3272S Breakout Board von RAK Wireless. Wahlweise kannst Du das LoRa-Modul mit einen Mikrocontroller oder einem PC steuern.
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