5G-Mobilfunk-Übertragungstechnik (3GPP)

Anders als bei den vorherigen Mobilfunk-Generationen mit GSM, UMTS und LTE findet bei 5G keine grundlegende technische Umstellungen statt. Die bestehende LTE-Technik wird weiterentwickelt und optimiert. Beispielsweise auf höheren Datendurchsatz und geringere Latenz.

Als Zugriffsverfahren kommt OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) zum Einsatz. Als Modulationsverfahren wird QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying), sowie 16-, 64-, 256- und 1024-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) verwendet.
Die maximale Kanalbreite beträgt 400 MHz (LTE: maximal 20 MHz), die maximale Datenrate im Downlink beträgt 20 GBit/s, im Uplink 10 GBit/s. Die minimale Latenz soll zwischen 0,5 und 4 ms betragen. Eine Unterbrechungszeit beim Handover zwischen Zellen darf es nicht geben, gleichzeitig liegt die maximale Geschwindigkeit, mit der sich 5G-Endgeräte ohne Verlust des Netzzugangs bewegen dürfen, bei 500 km/h. Und es ist die Versorgung von bis zu 1 Million Geräte pro Quadratkilometer möglich.

Leistungsmerkmale

• Beamforming: Extrem kleine Antennen mit hoher Richtwirkung, um einzelne Mobilgeräte gezielt mit einer hohen Übertragungsrate zu versorgen.
• Massive MIMO und Multi-User-MIMO: Mehr Sende- und Empfangseinheiten in einem Endgerät für mehrere räumlich separierte Datenströme.
• Multi Carrier: Mehrere einzelne Frequenzbereiche, die zu einem zusammenhängenden Frequenzbereich gebündelt sind.
• Lean Carrier: Interferenzen zwischen Zellen senken, um die Übertragungsrate zu erhöhen.
• WLAN-Offloading: Kombination von Frequenzen aus nicht-lizenzierten Bändern mit lizenzierten Frequenzbändern.
• Verbesserung der Effizienz bei der Energieaufnahme und der Spektrumnutzung.
• Neue Modulationsverfahren, um auch kleine Lücken im Frequenzspektrum leichter nutzen zu können.
• Network Slicing: Diese Funktion erlaubt es, auf einem Funkband mehrere komplett voneinander getrennte Kanäle zu realisieren, die jeweils eine festgelegte Bandbreite besitzen.

Flexibilität durch Software-defined Networking (SDN)

Network Functions Virtualization und das Software-Defined Networking verlagerte Netzfunktionen in die Software, die auf Standard-Hardware läuft. Dazu gehört auch Network Slicing (virtuelle anwendungsbezogene Netzwerke im Parallelbetrieb).

Durch die unterschiedlichen Anforderungen der Anwendungsfälle bietet die Netzarchitektur und Übertragungsrate große Freiräume. Verschiedene Parameter wie genutzte Frequenzbereiche, Unterträgerabstände, Trägerbandbreiten, Symboldauer und ähnliches mehr können an jeden Anwendungsfall angepasst werden. 5G-Mobilfunk-Verbindungen können wahlweise auf zum Beispiel maximale Stromsparsamkeit oder maximalen Datendurchsatz optimiert werden.
Das 5G-Mobilfunknetz kann damit ebenso für Anwendungen mit Sensoren, die nur gelegentlich kleine Datenmengen übertragen und möglichst wenig Strom verbrauchen sollen, und auch für hochauflösende Videostreams in Echtzeit verwendet werden.

• SDN - Software Defined Networking

Beamforming

Beamforming ist eine aktive Antennentechnik, die mit gerichteten Funkverbindungen einzelne Mobilgeräte zeitgleich und gezielt mit hoher Bandbreite versorgt.
Die zwangsweise Nutzung hoher Frequenzbereiche machen Mehrantennensysteme interessant. Es gilt, je höher die Frequenz, desto schlechter sind ihre Ausbreitungsbedingungen für die elektromagnetischen Wellen. Mit Mehrantennensystemen und Beamforming kann man dem teilweise entgegenwirken. Beamforming ermöglicht das räumlich zielgerichtete Aussenden und Empfangen von Funksignalen. Je mehr Antennenelemente zur Verfügung stehen, desto besser funktioniert das Beamforming.

Hinweis: Beamforming funktioniert dann am besten, wenn nicht zu viele Endgeräte in einer Funkzelle eingebucht sind.

Geringe Latenz (Ultra Low Latency)

Beim 5G-Mobilfunk soll die Latenz der Übertragung (Verzögerung) weniger als eine Millisekunde sein.

Aber, eine Ende-zu-Ende-Latenz von 1 ms oder weniger 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. Das bedeutet, die kommunizierenden Endstellen müssen sich in der selben Funkzelle befinden. Die Endstellen müssen direkt und möglichst ohne ein Netzelement kommunizieren können.

Der eigentliche Trick, der die kurzen Latenzen ermöglicht: Die Daten werden nicht vom Endgerät über die Basisstation irgendwo ins Netz übertragen, sondern nur bis zur Basisstation, in der ein Teil der Verarbeitungsintelligenz integriert ist. Das läuft dann unter dem Konzept des Edge Computing.

• Edge und Fog Computing

Übersicht: 5G-Mobilfunk

• 5G-Mobilfunk / IMT-2020
• 5G-Mobilfunk-Netzarchitektur (3GPP)
• Vo5G - Voice over 5G

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