Welches Frequenzspektrum wird die 5G-Technologie nutzen und wie unterscheidet sich dies von der 4G-Technologie?

Die mittlerweile allgegenwärtige Präsenz drahtloser Technologien in den Bereichen Konsumgüter, Autobau, Industrie und sogar Verteidigung, Luft- und Raumfahrt führte dazu, dass die drahtlose Mobilfunktechnologie von einer zwischenmenschlichen Kommunikationsplattform in ein hoch flexibles drahtloses Netzwerkinfrastruktur transformiert wurde. Dies wird angesichts der Unterschiede bei Funktionalität und Frequenzspektrum zwischen 4G LTE- und den neuen 5G-Technologien offensichtlich. In diesem Artikel werden daher die Details der Unterschiede bei Leistung, Frequenz und Anforderungen zwischen 4G LTE- und 5G-Systemen beschrieben.

Neue Anwendungen ändern Spektrumnutzung und Leistung von Mobilfunknetzwerken

Obwohl frühere Generationen drahtloser Mobilfunknetzwerke auch andere Anwendungen als mobile Breitbandanwendungen unterstützten, wurden die meisten der 2G-, 3G- und aktuellen 4G LTE-Mobilfunkdienste speziell für das mobile Breitband entwickelt. Die Standards und Technologien für frühere Mobilfunkgenerationen unterstützen überwiegend mobile Benutzer des Breitbandmobilfunks in städtischen und vorstädtischen Regionen, nicht so sehr Benutzer in ländlichen Regionen. Das Ziel der 5G-Technologien geht jedoch über die reine Bereitstellung eines mobilen Breitbandnetzwerks hinaus. Sie bieten wesentliche Verbesserungen zur Unterstützung einer sehr viel größeren Zahl von Anwendungen: verbessertes Mobilfunkbreitband (enhanced Mobile Broadband, eMBB), ultra-zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (Ultra-Reliable Low Latency Communications, URLLC), massive Maschinentyp-Kommunikation (Massive Machine-type Communications, MMC) und fester Drahtloszugang (Fixed Wireless Access, FWA).

Verbessertes Mobilfunkbreitband (Enhanced Mobile Broadband, eMBB)

Der Unterschied zwischen dem 5G eMBB und dem mobilen 4G-Breitband besteht in den extremen Datenübertragungsraten und im Ziel einer allgegenwärtigen städtischen Abdeckung. Die IMT-2020-Ziele legen für das eMBB einen Standard fest, der Downloads mit Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 20 Gbit/s und zuverlässige Datenraten für Benutzer in städtischen Umgebungen von mindestens 100 Mbit/s mit einer Latenz von nur 4 ms unterstützt. Auch wenn die aktuellen mobilen 4G-Breitbandnetzwerke Spitzengeschwindigkeiten von mehreren hundert Megabit pro Sekunde erreichen können, erhalten die meisten Benutzer in städtischen Umgebungen eine Übertragungsgeschwindigkeit von weniger als 10 Mbit/s mit einer Latenz von mehreren Dutzend Millisekunden. Jenseits schneller Videodownloads unterstützt das 5G eMBB Anwendungsfälle, die die Tür zu Augmented Reality- und Virtual Reality-Anwendungen öffnen, die in städtischen Umgebungen in Echtzeit ausgeführt werden können.

Diese Leistung setzt Upgrades der gesamten Mobilfunkinfrastruktur sowie technologische Verbesserungen bei mobilen Geräten voraus. Zurzeit finden zahlreiche Änderungen der Netzwerkarchitektur statt, da die großen Telekommunikationsunternehmen in Umgebungen, in denen sich die herkömmlichen homogenen Makrozellenarchitekturen als untauglich erwiesen haben, zusätzliche kleine Zellen zur Unterstützung der eMBB-Leistung bereitstellen. Dies gilt besonders für dicht bebaute städtische Umgebungen.

Ultra-zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (Ultra-Reliable Low Latency Communications, URLLC)

Auch wenn in einigen Regionen eine für Unternehmen geeignete drahtlose Mobilfunkleistung verfügbar ist, können die meisten Mobilfunksysteme nicht die Anforderungen in Bezug auf Zuverlässigkeit oder Latenz erfüllen, die kritische Anwendungen stellen. Zu diesen Anwendungen gehören autonome Fahrzeuge, die Produktionsautomatisierung oder Notfallreaktionen. Die 5G URLLC soll eine hoch zuverlässige und sichere Kommunikation mit einer niedrigen Latenz von weniger als 1 ms ermöglichen. Dies ist zuverlässig genug, um in Anwendungen verwendet zu werden, die über Leben und Tod entscheiden können.

Die Optimierung der Zuverlässigkeit von Mobilfunknetzwerken bei gleichzeitiger Reduzierung der Latenz bedeutet Änderungen für mobile Geräte, Basisstationen und Netzwerke. Diese Optimierungen nutzen neue Wellenformen, eine Hardware mit niedrigerer Latenz und aller Wahrscheinlichkeit nach auch drahtlose Netzwerke, die Frequenzagilität und Redundanz unterstützen. Voraussichtlich wird es auch zur Einführung alternativer Netzwerkarchitekturen kommen, die die herkömmliche sternförmige Netzwerkarchitektur ablösen.

Massive Maschinentyp-Kommunikation (Massive Machine-type Communications, MMC)

Die meisten Benutzer von drahtlosen Mobilfunknetzwerken verwenden heute mobile Geräte. Die Mobilfunknetzwerke der Zukunft werden jedoch wahrscheinlich von Internet of Things (IoT)-Geräten dominiert werden, die miteinander kommunizieren, Sensorinformationen melden und auf der Basis von Kontrolldaten in modernisierten städtischen Umgebungen, Fabriken, Industrieanlagen und Transportnetzwerken funktionieren. Ein großer, wenn nicht sogar der überwiegende Teil der Mobilfunkkommunikation der Zukunft wird zwischen Maschinen stattfinden, deren Anforderungen sich stark von denen menschlicher Benutzer unterscheiden.

Die verteilten IoT- und Maschinengeräte werden wahrscheinlich eine sehr unterschiedliche Reihe von Kommunikationsanforderungen besitzen. Daher kann es kein einzelnes Protokoll für die drahtlose Kommunikation geben, das alle Anforderungen erfüllt. Dementsprechend werden die neuen 5G-Standards wahrscheinlich Verfahren für flexible Kommunikationsprotokolle enthalten. Systeme wie batteriebetriebene Sensoren mit geringem Energiebedarf und niedrigen Anforderungen an die Datenrate können so dieselbe Netzwerktopologie wie autonome Roboter nutzen, die auf hohe Datenraten und eine niedrige Latenz angewiesen sind. Frühere Mobilfunkgenerationen verwendeten für bestimmte Anwendungen spezifische Frequenzbänder. Diese Lösung wird für zukünftige Mobilfunkgenerationen wahrscheinlich nicht geeignet sein, da die hohe Spektrumauslastung zu einem höheren Wert der einzelnen Frequenzbänder führt.

Fester Drahtloszugang (Fixed Wireless Access, FWA)

Auch wenn dies nur selten genutzt wurde, unterstützten 3G- und 4G-Netzwerke über Hotspots und Mobilfunkmodems eine Reihe pseudo-fester Systeme für den Drahtloszugang. Dank der verbesserten Datenraten und der niedrigen Latenz von 5G-Netzwerken bietet sich nun jedoch ein attraktiver Anwendungsfall für die FWA-Bereitstellung, der mit anderen Internetdiensten für den letzten Kilometer konkurrieren kann. Angesichts der größeren Bandbreite und der verbesserten Antennentechnologien gehen zahlreiche Experten davon aus, dass 5G-Netzwerke eine Leistung ähnlich Glasfasernetzwerken bieten werden und so entwickelten als auch sich entwickelnden Märkten ein zugängliches Internet und eine zugängliche Konnektivität bereitstellen können. FWA-Dienste benötigen nicht nur Antennen, die massives Multi-Input-Multi-Output (mMIMO) und Strahlformung unterstützen, sondern auch eine Bandbreite, die über das hinausgeht, was im von den aktuellen Mobilfunknetzwerken verwendeten Spektrum unterhalb von 6 GHz verfügbar ist. Um einen glasfaserähnlichen Service bereitzustellen, sind hohe Bandbreiten erforderlich, wahrscheinlich über 1 GHz hinaus. Daher nutzen 5G-Mobilfunknetzwerke auch Millimeterwellen-Frequenzbänder, um neue Anwendungen zu unterstützen und dramatische Steigerungen bei den Datenraten im Vergleich zu früheren Generationen zu erzielen.

5G-Frequenzen im Vergleich zu 4G-Frequenzen

Frühe GSM-Mobilfunknetzwerke wurden bei 850 MHz und 1900 MHz betrieben. 2G- und 3G-Netzwerke änderten das Modulierungsverfahren, nutzten jedoch im Großen und Ganzen die gleichen Anteile am Spektrum bei neu organisierten Frequenzbändern. Mit der Entwicklung von 3G kamen zusätzliche Frequenzbänder sowie das 2100-MHz-Spektrum hinzu. Mit den 4G LTE-Technologien wurden weitere Spektrum- und Frequenzbänder hinzugefügt, d. h. 600 MHz, 700 MHz, 1,7/2,1 GHz, 2,3 GHz und 2,5 GHz. Alle Frequenzen früherer Mobilfunknetzwerke sind lizenzbasiert (siehe Tabelle 1).

Die Pläne für das 5G-Frequenzband sind sehr viel komplexer. Das Frequenzspektrum unterhalb von 6 GHz umfasst 450 MHz bis 6 GHz, die 5G-Frequenzen im Millimeterwellenbereich umfassen 24,250 GHz bis 52,600 GHz. Dazu kommen unlizenzierte Spektrumbänder. Zusätzlich wird es möglicherweise ein 5G-Spektrum im Bereich zwischen 5925 MHz und 7150 MHz sowie im Bereich zwischen 64 GHz und 86 GHz geben. Daher nutzt 5G alle Spektrumbänder früherer Mobilfunknetzwerke und eine große Zahl von Spektrumbändern im Bereich unterhalb von 6 GHz und darüber hinaus. Die Zahl der verfügbaren Spektrumbänder ist sehr viel größer als die Zahl der aktuell verfügbaren Spektrumbänder (Tabellen 2 und 3). Die erste 3GPP-Version der 5G New Radio (5G NR)-Standards für eigenständige Frequenzbänder enthielt mehrere Frequenzbänder unterhalb von 6 GHz unter der Bezeichnung FR1 (Tabelle 2). Die zweite 3GPP 5G-Version nach der Veröffentlichung von IMT-2020 wird FR2-Frequenzbänder im Millimeterwellenspektrum enthalten (Tabelle 3).

Wie bei früheren Mobilfunkgenerationen und 3GPP-Versionen werden verschiedene Regionen und Länder wahrscheinlich ebenfalls spezifische Spektren für die 5G-Nutzung einführen. Die US FCC zieht beispielsweise die Öffnung der Bereiche 5,925 GHz bis 6,425 GHz und 6,425 GHz bis 7,125 GHz für die unlizenzierte Nutzung und die Hinzufügung von Kapazitäten für das mobile Breitband im Spektrum zwischen 3,7 GHz und 4,2 GHz in Betracht. Zurzeit öffnet die FCC die Spektrumbereiche zwischen 27,5 GHz und 28,35 GHz, 24,25 GHz bis 24,45 GHz und 24,75 GHz bis 25,25 GHz für die Nutzung durch 5G-Millimeterwellen. Die FCC wird möglicherweise auch die Öffnung der Mittelbandfrequenzen zwischen 3,7 GHz und 4,2 GHz für 5G und sogar die Öffnung der 4,9-GHz-Frequenzbänder, die Anwendungen zur Unterstützung der öffentlichen Sicherheit vorbehalten sind, für den 5G-Zugang in Betracht ziehen. Darüber hinaus wird die FCC möglicherweise auch zusätzliche Bänder in den Bereichen 2,75 GHz, 26 GHz und 42 GHz für 5G zur Verfügung stellen. Im Dezember 2018 gab die FCC eine Incentive-Aktion in den Bereichen 37,6 GHz bis 38,6 GHz, 38,6 GHz bis 40 GHz und 47,2 GHz bis 48,2 GHz bekannt. Die meisten anderen entwickelten Länder stellen ähnliche Überlegungen in Bezug auf die Spektrumzuteilung für 5G-Anwendungsfälle an.

Die physischen Einschränkungen in Verbindung mit Durchsatz und Bandbreite gehören zu den hauptsächlichen Gründen für die Hinzufügung zusätzlicher Spektrumbereiche für 5G-Anwendungsfälle. Die 4G-Frequenzbandpläne beanspruchten zwischen 5 MHz und 20 MHz Bandbreite pro Kanal. Der 5G FR1-Standard lässt jedoch einen Bandbreitenanteil zwischen 5 MHz und 100 MHz pro Kanal zu. Da die Bandbreite direkt proportional zum maximalen Durchsatz ist, bedeutet eine 5-fache Erhöhung der Bandbreite auch eine ungefähr 5-fache Erhöhung des Durchsatzes. Darüber hinaus führt 3GPP Version 15 neue Wellenformen und π/2 BPSK als zusätzliches Modulierungsverfahren ein. Bei den zusätzlichen Wellenformen handelt es sich um Discrete Fourier Transformation Orthogonal Frequency Division Multiplex (DFT-S-OFDM) im Fall von FR1 und Cyclic Prefix OFDM (CP-OFDM) im Fall von FR2.

Auch wenn RF-Hardware, Technologie und Kommunikationsinfrastruktur verfügbar sind und einige Anforderungen der frühen 5G-Spezifikationen in Bezug auf Frequenz und Leistung erfüllen können, geht die Mehrzahl der 5G-Erwartungen nach wie vor über das hinaus, was die aktuell verfügbaren Technologien leisten können. Zu diesen Herausforderungen gehören eine kosteneffektive Hardware mit dem notwendigen Frequenzbetrieb, die Integration von Handheld/Mobilgeräten und eine dichte und hoch verteilte Netzwerkinfrastruktur. Da in den USA und anderen Ländern nach wie vor 4G LTE-Dienste bereitgestellt werden, werden bis zur Verfügbarkeit von 5G-Diensten, die über die Funktionalität von 5G FR1 hinausgehen, wahrscheinlich mehrere Jahre vergehen.

Schlussfolgerung

Jede neue Mobilfunktechnologie-Generation hat zu Änderungen bei Frequenzbändern und Betriebsarten geführt. Die Entwicklung bei 5G-Technologien unterscheidet sich hier nicht. Was sich jedoch unterscheidet, sind die Zahl der neuen Frequenzbänder, die hinzugefügt werden, und die Stellen im elektromagnetischen Spektrum, an denen sich diese Frequenzen befinden. Darüber hinaus führt der Bedarf für höhere Bandbreiten dazu, dass der Gesetzgeber und die Gerätehersteller so viel Leistung aus den eng belegten Mobilfunkbändern unterhalb von 6 GHz wie möglich herauspressen. Dazu dienen verschiedene Techniken, die mehrere Mobilfunkbänder aggregieren und die Bandbreite einzelner Kanäle erhöhen. Außerdem bedeuten neue Anwendungen wie das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) und die Maschine-Maschine (Machine to Machine, M2M)-Kommunikation, dass die Industrie verschiedene 5G-Betriebsarten untersucht, um die vielen verschiedenen Anwendungen unterstützen zu können. 5G wird in verschiedenen Hinsichten zu einer modularen Lösung für die Herausforderungen der universellen drahtlosen Kommunikation werden.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Ressourcen

http://www.3gpp.org/specifications/specifications

GSA Spectrum for Terrestrial 5G Networks: Licensing Developments Worldwide (Dezember 2018)