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5G: So funktionit d neue Mobilfunk-Standard

Die logi­sche Weit­ent­wick­lung von LTE (4G) heißt 5G. Das revo­lutio­nit die Mobil­funk­nutzung, da mit einem neuen Netz gleich mehre Netz-Archi­tekturen gebaut und Anfor­de­rungen füllt wden.

Eine weite Anfor­de­rung an 5G-Netze ist, dass Sensoren mit ein handels­üb­li­chen AA-Battie 10 Jahre lang betrieben wden können. Bei 5G soll im "Intnet d Dinge" (kurz IoT) künftig alles mit allem vnetzt sein.

Als Beispiel sei ein Feuch­te­mess genannt, den ein Land­wirt in den Boden steckt, und d ihn warnt, wenn es zu trocken wird, sodass dann gezielt künst­lich bewäs­sn kann. Nicht nur will d Bau bei solchen Sensoren nicht regel­mäßig die Battie wech­seln müssen. Sie wden oft auch an Stellen weitab von Sied­lungen, mit folg­lich schlecht Netz­v­sor­gung aufge­stellt wden. Dieselben Probleme haben ab zum Beispiel auch Feu­meld od elek­tro­ni­sche Wass­uhren.

Selbst ste 5G-Prototypen reichten schon einstellige GBit/s Selbst ste 5G-Prototypen reichten schon einstellige GBit/s
Bild: vyus.de
Vorteil ist: Solche Sensoren benö­tigen nicht die eingangs genannten hohen Bitraten. Ob das Absetzen ein Dürre­mel­dung fünf Milli­se­kunden od fünf Sekunden daut, ist egal. Wichtig ist, dass die Meldung üb­haupt ankommt.

Hifür wden in 5G-Netzen zwei Tricks ange­wendet, die sich übri­gens im Rahmen des Stan­dards "Narrow­band Intnet of Things" (kurz: NB-IoT) auch in aktu­elle 4G-Netze imple­men­tien lassen. D ste ist, nur einen d OFDM-Subträg zu vwenden und auch auf MIMO und all die anden Maßnahmen zur Geschwin­dig­keits­stei­ge­rung zu vzichten. Das limi­tit die Bitrate auf einige hundt Kilobit pro Sekunde. Ab es redu­zit den Strom­v­brauch und vein­facht den Aufbau d Send.

Trick: Signal­wie­d­ho­lung

D ande Trick ist, dass die IoT-Send ihr Sende­si­gnal bei Bedarf beharr­lich wied­holen, bis zu 100 od gar 1000 mal. Selbst wenn das einzelne Signal im Rauschen unt­geht: Durch die Wied­ho­lung vbes­st sich das Signal-zu-Rausch-Vhältnis entspre­chend d Zahl d Wied­ho­lungen. Die Filt in den Basis­sta­tionen müssen nur gezielt nach diesen sich wied­ho­lenden Signalen suchen, dann können sie diese aus dem Hint­grund­rau­schen haus­fil­tn.

Natür­lich eignet sich diese Methode nicht, um ein 20-Mega­pixel-Foto in die Cloud hoch­zu­laden. Hi würde die tausend­fache Wied­ho­lung die Netze üb­lasten. Die Meldung: "Dicht Rauch und leicht höhte Tempe­ra­turen bei Feu­meld 349348" belegt ab auch in tausend­fa­ch Wied­ho­lung wenig als 0,1 MB. Haupt­sache, sie kommt an.

Bei jedem Update d Mobil­funk-Tech­no­logie wurde auch die Modu­la­tion vbes­st.

Modu­la­tion: Schon am Ende ange­kommen?

Alle modnen Funk­v­fahren üb­tragen mehre Bits mit einem Signal. Die dzeit bei LTE einge­setzte 64-QAM-Modu­la­tion vwendet beispiels­weise 64 vschie­dene Symbole. Mit jedem Symbol wird dadurch ein Zahlen­wt zwischen 0 und 63 üb­mit­telt - das entspricht genau 6 Bit.

Im Ideal­fall wden dah mit 64-QAM-Modu­la­tion auf einem 20 MHz breiten Kanal somit 6 Bit/Hz * 200 MHz = 1200 MBit/s üb­tragen. Nach Abzug von Framing und Korrek­tur­bits bleibt eine Nutz­da­ten­rate von bis zu 1000 MBit/s. Die eingangs beits wähnte MIMO-Tech­no­logie laubt dann durch Nutzung von mehren Antennen im Send und im Empfäng parallel die Kapa­zität noch weit zu stei­gn - mit 4x4-MIMO bei d genannten Kanal­breite beispiels­weise auf bis zu 4000 MBit/s.

Ein 'mobiles' 5G-Endgät, Stand Anfang 2015 Ein "mobiles" 5G-Endgät, Stand Anfang 2015
Bild: vyus.de
Eine weite hö­hung d Nutz­da­ten­rate durch eine Modu­la­tion mit noch mehr Symbolen, etwa mit 256 QAM mit 256 vschie­denen Wellen­formen, bringt nur einen gingen Gewinn. Denn sie for­dt einwand­freien Empfang mit nur sehr gingen Störungen. Andn­falls lassen sich die 256 Symbole nicht mehr eindeutig vonein­and unt­scheiden. Im Vgleich zu 64 QAM kann 256 QAM zudem nur 33 Prozent zusätz­lich üb­tragen - nämlich 8 statt 6 Bit pro Symbol.

Am Zellen­rand, wo die Nach­bar­zellen meist stark stören, ist man in d Praxis schon froh, wenn 16 QAM (4 Bit/Hz) einge­setzt wden kann, und nicht gar auf 4 QAM (auch als QPSK od 4-PSK bezeichnet) zurück­ge­schaltet wden muss. Letz­te üb­trägt ledig­lich 2 Bit/Hz.

Das mit n-QAM kodite Rohsi­gnal muss ab noch auf eine Träg­fre­quenz aufmo­du­lit wden. Letz­tes ist die bekannte Sende­fre­quenz von z.B. 900/1800/2100/2600/3600 MHz. Hibei gibt es das Problem, dass die Folge d QAM-Symbole aufgrund d harten Üb­gänge zwischen den Symbolen auch Frequenz­an­teile enthält, die höh sind als die Symbol­rate. Diese stören, auf den Träg aufmo­du­lit, jeweils die Nach­bar­bänd.

Wenn Gauss das wüsste

Bei GSM hatte man noch ein Vfahren - Gaus­sian Minimum Shift Keying, kurz GMSK - einge­setzt, das diese Störungen jenseits des Kanals mini­mit. Bei 3G/UMTS wurde auf die Gauss-Filt zugunsten eines einfa­chen Aufbaus des Funk­sys­tems vzichtet. Die Folge sind stär­ke Störungen in den Seiten­bän­dn.

Bei UMTS wurden dabei die Störungen in benach­barte Bänd zumin­dest dadurch etwas redu­zit, dass die Chip-Rate mit 3,84 MHz deut­lich unt d Kanal­band­breite von 5 MHz liegt. So wurde zwar d Aufbau d Send einfa­ch, ab auch signi­fi­kant Band­breite vschwendet.

LTE/4G/5G: Signal wird mit zahl­rei­chen Subcar­rin üb­tragen

LTE/4G und 5G vwenden den Trick, das Sende­band in viele schma­le Unt­bänd zu zlegen, und die Aufmo­du­la­tion des Nutz­si­gnals auf das Träg­si­gnal in allen Unt­bän­dn so abzu­stimmen, dass die Störungen des einen Bandes nicht die Deko­die­rung des Nach­bar­bandes beein­flussen.

Dies Ortho­gonal Frequency Divi­sion Multi­plex (kurz OFDM) funk­tio­nit jedoch nur, wenn alle Subträg pfekt aufein­and abge­stimmt sind, und auch mit d glei­chen Charak­te­ristik vom Send zum Empfäng üb­tragen wden.

Ist das Refle­xi­ons­v­halten von Bauteilen zum Beispiel (leicht) frequenz­ab­hängig, od sendet eine benach­barte Basis­sta­tion auf benach­barten Kanälen, dann kommt es doch zu Störungen.

Schon wegen d oben genannten Narrow­band-Anfor­de­rung, wird beim 5G-Stan­dard das Signal wie LTE/4G mit zahl­rei­chen Subcar­rin üb­tragen wden.

Ein Handy im Standby od ein Low-Pow-Endgät wird dann nur einen dies Subcar­ri empfangen, während ein Smart­phone für einen dicken Down­load natür­lich zahl­reiche Subcar­ri akti­vien wird. Um ab die gegen­sei­tigen Störungen zu redu­zien und so die Kanal­qua­lität und damit die mögliche Zahl an üb­tra­genen Bits zu vbes­sn, sehen mehre d für 5G vorge­schla­genen Modu­la­ti­ons­v­fahren wied Filt vor, ähnlich dem GMSK-Filt von GSM.

D meiste zusätz­liche Aufwand für die Filt entsteht übri­gens auf Empfän­g­seite: Je genau das Signal im Send auf die vorge­ge­bene Band­breite limi­tit wird, desto stärk vschmien die Bits auf d Zeit­achse. Damit steigt d Aufwand, diese saub vonein­and zu trennen. Dennoch üb­wiegen die Vorteile d Filte­rung. Wenig Störung von Nach­bar­bän­dn bedeutet nunmal, dass in allen Bändn das Signal saub wird.

Nur: Große Sprünge bei d üb­tra­genen Band­breite wden auch mit den wied­ein­ge­führten Filtn nicht möglich sein. D posi­tiven Wirkung d gin­gen Störungen in die Nach­bar­bänd stehen die schnell weit stei­gende Zahl an Endge­räten und die imm dicht stehenden Basis­sta­tionen gegen­üb, so dass die Zahl d Störungen inn­halb eines Bandes zunimmt.

Kabel­ge­bun­dene Medien können gleich­zeitig senden und empfangen. Lässt sich diese Full-Duplex-Tech­no­logie auch im Mobil­funk nutzen?

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