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5G: Mobilfunk Standard der 5. Generation

25. Sep 2016

Der große 5G Ratgeber Ihrer Mobilfunk Spezialisten

Während LTE & LTE Advanced (4G) mittlerweile weltweit zum Einsatz kommen - wenn auch noch nicht flächendeckend - wird von Unternehmen, Universitäten und Kommisionen bereits am Mobilfunk Standard der 5. Generation (5G) gearbeitet. Wir erläutern Ihnen den aktuellen Stand der Entwicklung, die technischen Rahmenbedingungen für 5G und die möglichen Aussichten für das mobile Internet der Zukunft.

Von der Evolution zur Revolution

Um die Vision des 5G Netzes vollkommen verstehen zu können, muss die bisherige Entwicklung des mobilen Internets betrachtet werden. Das GSM-Netz (2G) wurde ursprünglich zum Telefonieren und zur Datenübertragung im 900 MHz Bereich genutzt. Als sich dann UMTS (2G) als Datennetz im 2100 MHz Bereich etablierte, wurde 2G immer mehr zum reinen Telefon- und SMS-Netz degradiert. Mit LTE und LTE Advanced (4G) wurde diese Entwicklung konsequent weitergetrieben. Spätestens nach der letzten Auktion der Bundesnetzagentur ist klar, dass die GSM-Nutzung ab 2017 sukzessive eingestellt wird. Damit werden Telefon- und Datendienste wieder zeitgleich über die Frequenzkanäle betrieben.

Technisch gesehen wurde das Rad in den letzten Jahren aber nicht neu erfunden, sondern bestehende Technologien wurden auf dem Weg von 2G zu 4G immer weiter vorangetrieben. Verbesserte Modulationsverfahren ermöglichten z.B. die massiven Leistungsverbesserungen von UMTS bis HSPA+. Die Carrier Aggregation war ein weiterer großer Schritt nach vorne - doch auch hier wurde im Grunde "nur" die genutzte Technik weiter ausgereizt.

Die geplante 5G Technologie sprengt allerdings den Rahmen des bisher etablierten Mobilfunks und ist daher als wirkliche Revolution anzusehen. Die Anforderungen an die Hard- und Software, sowohl in Bezug auf die Netze als auch an die Periphärie und die Endgeärte, werden fundamentale Veränderungen ganzer Industriezweige mit sich bringen.

Festlegung des 5G Standards in 2016 möglich

Zur Zeit diskutieren Netzbetreiber und Infrastrukturanbieter über den endgültigen Standard, der bald verabschiedet werden soll. Die internationale Standardisierungsorganisation ITU rechnet noch 2016 damit. Aus Kreisen der Telekom, die den Vorsitz bei der Next Generation Mobile Networks Allianz (NGMN) hat, wird Optimismus signalisiert: Man sei bei den Verhandlingen schneller unterwegs als ursprünglich gedacht. Es sei möglich, dass ein breiter 5G Rollout früher als 2020 beginnen könne - so zumindest lauten die Aussagen der Telekom. ;-)

Eckdaten des 5G Netzes

  • Wesentliche Erhöung der Datenraten ( bis zu 10 000MBit/s)

  • Zusätzliche Nutzung von höheren Frequenzbereichen

  • Erhöhung der Frequenzkapazität und des Datendurchsatzes

  • Echtzeitübertragung und direkte Ansprache durch Latenzzeiten von < 1 ms

  • Kompatibilität von Maschinen und Geräten untereinander

  • Radikale Senkung des Energieverbrauchs je übertragendem Bit (1/1000)

Wie soll das 5G Netz aussehen?

Bei 5G geht es um weit mehr als nur um die Kommunikation von Handys, Tablets und Notebooks. 5G ist der nächste Schritt in die Entwicklung einer umfassenden mobilen Kommunikation. Ziel ist eine komplett vernetzte, internationale Gesellschaft. 5G soll dazu beitragen, die Vision vom unbegrenzten Zugang zu Informationen und die gemeinsame Nutzung von Daten an jedem Ort und zu jeder Zeit realisieren zu können.

Hierbei stehen die Konnektivität und die Kommunikation von Maschinen und Geräten untereinander im wesentlichen Fokus. Alle möglichen Komponenten unsere täglichen Lebens sollen über Sensoren und Aktoren verbunden werden können. Gedanken über intelligente Häuser, Erhöhung der Verkehrssicherheit und die Kontrolle kritischer Infrastrukturen stehen dabei ganz oben auf der Liste der "Visionäre".

M2M im Alltag

Vernetzung vieler täglicher Aktivitäten und Geräte im Alltag eines jeden (© Telekom)

Für 5G werden neue Frequenzen benötigt

Trotz der revolutionären Ausmaße von 5G, werden die neuen mobilen Funksysteme nicht ausschließlich aus einem noch zu entwickelnden System bestehen. Vielmehr wird auf dem vorhandenen und noch zu perfektionierenden LTE (4G) aufgebaut. So wird der LTE Betrieb auf den vorhandenen Frequenzen bis 6 GHz weiter fortgeführt. Die wesentlichen Neuerungen werden oberhalb von 6 GHz stattfinden.

Das Übertragungsvermögen ist bei Frequenzen jenseits der 6 GHz wesentlich höher. Dafür muss das zukünftige 5G Netz allerdings erheblich engmaschiger sein als die heutigen Netze. Jedes noch so kleine Hindernis führt bei solch hohen Frequenzen zum Abbruch der Übertragung. Die Herausforderungen für die Netzbetreiber sind also sehr hoch - technisch wie finanziell!

5G wireless-access solution

Frequenzbereiche für 5G (© 5G Ericsson White Paper 02/15)

Die Herausforderung liegt nicht nur in der hohen Frequenz, sondern auch in einer unvorstellbaren Anzahl von verknüpften Geräten. Es wird mit Milliarden von drahtlos verbundenen Sensoren, Aktoren und weiteren Elementen gerechnet. Diese Maschinenteile werden nur begrenzte Wege zu überbrücken haben und werden sich auch nicht wesentlich auf den Traffic auswirken, aber alle müssen in den Netzwerken verknüpft werden. Diese Bereiche werden als Kapillarnetzwerke (Capillary Network) bezeichnet.

Mobile Übertragung in Echtzeit

Bruchteile von Sekunden können bei chirurgischen Eingriffen durch Roboter über Leben und Tod entscheiden und innerhalb weniger Augenblicke verändert sich die Situatuon im Straßenverkehr. Damit der Traum von selbstfahrenden Autos, autonomen Flugapparaten und Operationen via Computersteuerung irgendwann Wirklichkeit werden kann, müssen die Latenzzeiten (Reaktionszeiten) deutlich gesenkt werden. Erklärtes Ziel liegt hierzu bei unter einer Millisekunde.

Trotz engmaschiger Netze soll der Datendurchfluss schlanker werden. Unter anderem soll die Verbesserung der Internet- und Übertragungsprotokolle dazu beitragen. Wichtige Teile davon sind die Umstellung auf IPV6, 6LoWPAN und neue Protokolle wie 802.15.4

MIMO Technologie

Die Anwendung von mehreren Sendern und Empfängern (MIMO) kommt bei LTE bereits zum Tragen. Genauer sind hiermit der Empfang und das Senden über mehrere Frequenzbereiche und damit über mehrere Antennen gemeint. Während bei LTE Übertragungen im 800 MHz Bereich (50 MBit/s) die Verwendung mehrer Antennen noch unkritisch ist, werden bei 1800 MHz (150 MBit) und LTE Advanced schon dringend MIMO Antennen benötigt.

Bei heutigen LTE Systemen wird noch die 2x2 MIMO Technologie angewendet. Bei WLAN Antennen, als Teil der Signalkette, sind schon 4x4 MIMO Antennen zu finden. Als Prototyp im Rahmen einer Studie fertigte Ihr Mobilfunk Team von FTS Hennig schon einmal eine 6x6 MIMO Antenne. Diese Antenne besitzt 12 einzelne Strahlerelemente, die jeweils separat für sich arbeiten. Diese Antenne findet heute als 6x2 MIMO-Variante (Es sind 6 mal 2x2 MIMO Elemente vorhanden) bei der Versorgung von Mehrfamilienhäusern, Mehrkanalroutern von Unternehmen wie Viprinet und der 3DRACE-log Live Video Box Anwendung.

Für stabile hohe Datenraten müssen auch in Zukunft Datenströme gebündelt werden. Aus heutiger Sicht gibt es noch keine andere Lösung. Wer also schon heute auf Breitbandantennen setzt, ist für die nächsten Entwicklungen schon einmal bestens gewappnet.

Sehr schlankes Design

Die mobilen Übertragungsverfahren von 5G sollen vereinfacht und entschlackt werden. Hierbei handelt es sich im Detail um die Vereinfachung der Struktur bei Synchronisationen, Netzwerkerfassungen und Kanalschätzungen. Thesen wie "Alle Teilbereiche des Netzwerkes müssen vereinfachter miteinander arbeiten." klingen immer super, werden den Unternehmen aber sicherlich noch viele Probleme bereiten. :-)

Trennung von Nutzerdaten & Steuerungsdaten

Die Anwenderdaten sollen zukünftig von der Steuerung entkoppelt werden. Wenn der 5G Nutzer autorisiert wurde und alle Systeminformationen ausgetauscht wurden, wird er in eine andere Ebene übergeben und kann direkt auf die gewünschten Daten zugreifen. Dabei soll mit mehreren "Schichten" gearbeitet werden. Betrachtet man die Trennung der Daten in Zusammenhang mit der Optimierung der Netzstruktur selbst, wird schnell klar, dass die Latenzzeit hierdurch deutlich gesenkt werden kann.

Flexible Frequenzbandnutzung in allen Richtungen

Aktoren und Sensoren, die in den oberen Frequenzen um 10GHz arbeiten sollen, besitzen nur begrenzte Funkreichweiten oder verändern ständig den Standort (z.B. Autos). Daher sollen Betreiber diese Funkstrecken in Zukunft unabhängig vom jeweiligen Frequenzband nutzen. Da eine hohe Installationsdichte (mehrere Milliarden Geräte) erwartet wird, kann, wenn alle dynamisch und flexibel miteinander interagieren, ein äußerst stabiles Netz mit minimaler Reaktionszeit entstehen. Gleiches gilt auch für die Duplexanordnungen. Eine Dynamisierung strebt man auch unter Netzknoten und Zellen an. Erhöhtes Datenaufkomen soll auf diesem Wege aufgefangen werden - und zwar so effektiv wie noch nie!

Direkte Geräte Kommunikation

Geräte, Fahrzeuge, Maschinen & Co. sollen bei 5G direkt miteinander kommunizieren können. Die "DEVICE-TO-DEVICE COMMUNICATION" wird nicht als Einzellösung angesehen und aufgebaut, sondern immer als Teil des gesamten Netzwerkes.

Access / Backhaul Intergration

Um nur annähernd in Reichweite der geplanten Ziele zu kommen, wird für 5G eine komplett andere Netzarchitektur benötigt. Die Mobilfunkmasten müssen endlich mit Glasfaserkabel an das Kernnetz angebunden werden. Richtfunkstrecken sollten nur noch in Ausnahmesituationen oder auf engsten Raum zur Lückenversorgung verwendet werden.

Unternehmen treiben die 5G Entwicklung voran

Neben ihren Rollen in den entsprechenden Gremien, treiben Firmen wie Huawei, Nokia und Ericsson die Entwicklung der Mobilfunktechnik in Eigenregie stetig voran. Ein Wettbewerbsvorteil bei der Entwicklung von 5G Hardware und Software könnte in den nächsten 10 Jahren entscheidend für den Erfolg vieler Unternehmen sein. Entsprechend engagiert zeigen sich die Firmen. So überzeugten sich z.B. die Kollegen von lte-anbieter.info auf dem Mobile World Congress 2015 vom 5G Testnetz von Ericsson.

Unter der original Überschrift VERY HIGH DATA RATES EVERYWHERE formulierte Ericsson im White Paper vom 15.2.2015, dass in speziellen Umgebungen und zentalen Plätzen bis zu 10 GBit/s verfügbar sein sollen. In städtischen und vorstädtischen Gebieten sollen allgemein mehrere 100 MBit/s erreichbar sein.

Andererseits spricht man aber noch von einer Untergrenze von 10 MBit / s. Hier wird schon deutlich, dass auch den Unternehmen bewusst ist, wo in der Praxis voraussichtlich die Grenzen der Versorgung mit 5G verlaufen werden.

Huawei führend bei der 5G Forschung

Führend in der 5G Entwicklung ist unbestritten das chinesische Unternehmen Huawei. An vielen Standorten wird seit Jahren geforscht und entwickelt. Gäbe es bereits eine Einigung bzgl. der Standards, wären wahrscheinlich schon konkrete Geräte in Planung. Man strebt wohl tatsächlich ein funktionierendes 5G Netz in Japan für die Olympischen Spiele an.

5G Entwicklung bei Huawei

Huawei hat schon sehr klare Vorstellungen vom 5G Netzaufbau (© 5G White Paper Huawei)

5G aus Sicht von Huawei

Huawei fasst im folgenden Video sehr eindrucksvoll die Gedanken, Ansätze und Visionen des chinesischen Unternehmens zu 5G zusammen:

Dresden ist Zentrum der 5G Entwicklung in Deutschland

Unter dem Titel "5G Lab Germany" werden die 5G Forschungen an der TU Dresden gebündelt. Neben vielen deutschen Unternehmen (Telekom, Vodafone, Rhode & Schwarz) entwickeln auch Ericsson, Nokia, NEC, Claas, IDT und National Instruments das 5G Netz an der Universität.

Es ist natürlich purer Zufall, dass ich zu Beginn der 90er Jahre in Dresden Elektrotechnik studierte. :-D

Die mögliche Zukunft des mobilen Internets dank 5G

Mit 5G und dem Internet der Dinge (Internet of Things = IoT) sollen Menschheitsträume Wirklichkeit werden. Mit der geplanten Revolution sollen in wenigen Jahren viele Milliarden Objekte miteinander vernetzt werden, Fahrzeuge sollen selbständig fahren und ein Kinofilm in Sekunden auf dem Handy bereitstehen. Das mobile Internet der 5. Generation greift demnach wohl in alle Bereiche unseres Lebens ein.

Aus der heutigen Sicht klingen diese Sätze jedoch - gelinde formuliert - sehr abenteuerlich. Noch vor wenigen Jahren feierten wir die Datenübertragung mit UMTS und HSPA+. LTE brachte für viele ländliche Haushalten und Unternehmen endlich einen arbeitsfähigen Internetzugang und in den Großstädten wird LTE Advanced endlich zur Wirklichkeit.

LTE Advanced arbeitet mit theoretisch maximal ereichbaren 300 MBit/s. 5G soll in Zukunft mit 10 GBit/s arbeiten. Die Entwicklung muss selbstverständlich schrittweise voranschreiten. Man rechnet für 2018 mit ersten Etappenzielen und 2020 will man mit dem Aufbau in der Fläche beginnen.

Skepsis gegenüber den gesteckten Zielen

5G wird kommen - daran gibt es gar kein Zweifel. Als Vollblut Techniker sind wir auch davon überzeugt, dass die Zukunft der Menschheit maßgeblich durch das mobile Internet beeinflusst wird. Dennoch müssen wir aus unserer jahrelangen Erfahrung heraus klarstellen, dass es defintiv nicht für alle verfügbar sein wird und dass es vor allem nicht billig wird!

Selbst wenn der technische Standard und die Entwicklungen von Hardware Herstellern wie Huawei, Ericsson und Nokia alle Anforderungen erfüllen werden, müssen die Netzstrukturen von Telekom & Co. massiv ausgebaut werden - und dies erscheint uns als das bedeutendste Nadelöhr. Schon jetzt glänzt die Telekom Jahr für Jahr mit fragwürdigen strategischen Entscheidungen und diese werden meist mit dem Problem der Finanzierbarkeit erklärt.

Auch Vodafone und Telefónica haben damit zu kämpfen, dass man als Netzbetreiber erst einmal in Vorleistung treten muss, wenn die Sendestationen flächendeckend mit Glasfaser Zuleitungen ausgestattet werden oder engmaschige Netze für die hohen Frequenzen gebaut werden sollen. Im Vergleich zu den Anforderungen von 5G ist LTE Advanced eine überschaubare Aufgabe.

Man muss sich 5G also voraussichtlich erst einmal leisten können. Dies gilt für die Tarife, mit denen die Betreiber ihre Investitionskosten wieder einspielen müssen, ebenso wie für die Kabel & Co. für die Versorgung zu Hause, im Büro oder in der Fertigungshalle. In diesem Rahmen wird die Welt durch 5G nichtsdestotrotz in ein völlig neues Gewand gehüllt werden.

Mobile World Congress 2016: Autonome Autos

Auf dem Mobile World Congress 2016 wurden auch wieder sehr viele Entwicklungen und Visionen zum Thema 5G präsentiert. Das folgende Video zu den selbständig fahrenden Autos von Nokia entlässt Sie hoffentlich mit einem guten Gefühl in Ihre mobile Zukunft. :-)

FAZIT

Die Pläne sind geschmiedet und die Visionen sind formuliert. In den nächsten Jahren wird die Entwicklung der Funktechnik und der mobilen Kommunikation schnell voranschreiten. Indem man heute schon auf Breitbandgeräte setzt, kann man für diese Entwicklung bereits vorbauen. Die nächsten Schritte von 50 MBit/s über 150 MBit/s bis hin zu 300 MBit/s sind nur noch gering.

Wir, das Team von FTS Hennig, sind stolz darauf, ein Teil dieser Entwicklung sein zu dürfen.

Literatur

Als Grundlage für die technischen Inhalte verwendeten wir die White Paper von Ericsson und Huawei.


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