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5G: So funktioniert der neue Mobilfunk-Standard

Die logi­sche Weiter­ent­wick­lung von LTE (4G) heißt 5G. Das revo­lutio­niert die Mobil­funk­nutzung, da mit einem neuen Netz gleich mehrere Netz-Archi­tekturen gebaut und Anfor­de­rungen erfüllt werden.

Es gab bei den letzten Mobile-World-Congress-Terminen (vor Corona) in Barce­lona keinen Ausrüster und kaum einen Netz­be­treiber, der nicht seine Produkte und Ideen für das "Zauber­netz" 5G präsen­tierte. Die Deut­sche Telekom hatte schon 2015 im Rahmen der von ihr stark unter­stützten NGMN-Initia­tive ("Next Gene­ration Mobile Network") zur Pres­se­kon­fe­renz gerufen. "2020 muss das neue Ding da sein", forderte der dama­lige Telekom-CTO Bruno Jacob­feu­er­born klar und unmiss­ver­ständ­lich. Und der Termin hat hinge­hauen.

Lange war nicht so ganz klar, wie das "neue 5G-Ding" aussehen könnte. Längst sind zahl­lose 5G-Netze in Betrieb. Wir geben einen Einblick in das, was 5G möglich machen kann.

5G hat die Grenzen dessen, was über­haupt mit Mobil­netzen möglich ist, erheb­lich erwei­tert. Die Entwick­lung läuft in mehrere Rich­tungen gleich­zeitig: Von "ultra-schnell" (ein bis mehrere Gigabit pro Sekunde in einer Zelle; mindes­tens 50 bis 100 MBit/s beim indi­vi­du­ellen Nutzer) über "ultra-schnelle Antworten" (Ping-Zeiten) bis hinunter zu 1 ms Antwort­zeit vom Netz­werk, statt derzeit typisch 30-50 ms) hin zu "ultra-sparsam" (Dauer­be­trieb eines per Mobil­funk ange­bun­denen Sensors mit einer handels­üb­li­chen Batterie für zehn Jahre) reicht das Spek­trum.

Endge­räte können auch direkt mit anderen Endge­räten Daten austau­schen, zwar auto­ri­siert über die Basis­sta­tion, aber ohne Umweg über die Basis­sta­tion. Nicht zuletzt: Die von den Netzen trans­por­tierte Gesamt­da­ten­menge hat sich verviel­facht und kann sich bald vertau­send­fa­chen, während der Gesamt­strom­ver­brauch sinken soll, das Ziel wäre eine Halbie­rung.

Heraus­for­de­rung ange­nommen

5G kann eigentlich 2 stellig, wenn auch nicht überall. 5G kann eigentlich 2 stellig, wenn auch nicht überall.
Bild: vyus.de
Es gehört zu den Gesetzen der Branche, dass solche Heraus­for­de­rungen in der TK-Indus­trie regel­mäßig eine gewisse Aufbruchs­stim­mung auslösen. Die tech­nolo­gischen Entwick­lungen, die darauf basie­renden Stan­dar­di­sie­rungen, die konkreten Produkt­ent­wick­lungen und die nötigen Inter­ope­ra­bi­li­täts­tests sind ein perma­nent sich weiter entwi­ckelnder Prozess.

Zwei Jahre vor dem eigent­lichen Wunsch­termin star­tete 5G in Süd-Korea (zur Winter-Olym­piade 2018). Fix war die Schweiz (5G seit 2019), und auch in Deutsch­land gingen bereits 2019 die ersten 5G-Netze bei der Telekom und Voda­fone in den öffent­li­chen Wirk­be­trieb, wobei Voda­fone für sich rekla­miert, "erster" gewesen zu sein.

In den USA ist "5G-America" sehr weit voran­geschritten. T-Mobile USA nimmt für sich in Anspruch, das größte 5G-Netz "nation­wide" zu betreiben, was nach allem, was bekannt ist, wohl stimmt.

Entwick­lung beschleu­nigt sich

2015 zeigte Ericsson auf dem Mobile World Congress ein "mobiles" Endgerät ("mobil" im Sinne von: "kann geschoben werden") mit 5 GBit/s. Der südko­rea­nische Netz­be­treiber SK Telecom gab damals an, darüber schon 7,5 GBit/s erreicht zu haben. 2016 hatten Ericsson, ZTE und viele andere bereits die 20 GBit/s über­schritten. Und das ist noch lange nicht das Ende der Fahnen­stange.

Doch bei aller Begeis­terung heißt es aufpassen: Nicht überall, wo 5G drauf­steht, ist wirk­lich 5G drin. In den USA beispiels­weise zeigen bestimmte Handys auch in den 4G-LTE-Netzen mitunter bereits "5G" an.

Dutzende oder gar hunderte Antennen auf einmal

Die Stei­ge­rung der Gesamt­ka­pa­zität eines Netzes kann durch verschie­dene Maßnahmen erreicht werden:

  • Bessere Modu­la­tion
  • ange­passte Duplex-Verfahren
  • bis hin zu full duplex
  • Verdich­tung der Zellen
  • Nutzung brei­terer Frequenz­bänder
  • mehr Antennen pro Zelle

Eine Maßnahme alleine reicht dabei nicht. Man kommt nicht umhin, mehrere Maßnahmen zu kombi­nieren, um die Ziele zu errei­chen.

Massive-MIMO-Antenne von ZTE Massive-MIMO-Antenne von ZTE
Bild: vyus.de
ZTE zeigte in Barce­lona eine ange­sichts der 256 einzelnen enthal­tenen Antennen, Endver­stärker, Empfänger und zuge­hö­rigen Base­band-Einheiten erstaun­lich kompakte massive-MIMO-Antenne. Diese versorgte mit einem ledig­lich 20 MHz breiten LTE-Frequenz­band im soge­nannten TDD-Modus (in diesem senden Basis­sta­tion und Endge­räte abwech­selnd auf derselben Frequenz) insge­samt ein Dutzend normale LTE-Endge­räte mit jeweils um die 35 MBit/s. In Summe wurden somit gut 400 MBit/s in einer Zelle über­tragen. Mit herkömm­li­chen 4x2-MIMO (4 Antennen auf Seiten der Basis­sta­tion, je zwei im Endgerät) und TDD wäre hingegen nur ein Viertel dieser Gesamt­band­breite erreicht worden.

Möglich­keiten und Limi­tie­rungen von MIMO und Beam­for­ming

ZTE stellte die Möglich­keiten und Grenzen vor: Deut­liche Band­brei­ten­stei­ge­rung als auch die Limi­tie­rungen von MIMO und Beam­for­ming: Die Ver-64-fachung der Zahl der Anten­nen­ele­mente auf der Seite der Basis­sta­tion bringt nur eine Vervier­fa­chung des Gesamt­durch­satzes. Kritiker geben immer wieder zu bedenken, dass MIMO ständig "over promised" und "under deli­vered" gewesen sei.

MIMO allein kann die nötige Kapa­zi­täts-Erwei­te­rung nicht leisten. Deswegen wird fort­lau­fend über weitere, zusätz­liche Frequenz­bänder nach­ge­dacht und disku­tiert. In den USA sind bereits 26 GHz und 60 GHz (soge­nannte Milli­meter­wellen) in Benut­zung, in Europa sind diese Frequenzen noch nicht vergeben. Strah­len­gegner bekommen schon "Kopf­schmerzen", wenn sie über diese Frequenzen nur nach­denken.

Welche Probleme diese jedoch mit sich bringen, lesen Sie auf Seite 2 unseres 5G-Arti­kels.

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