Mobilfunknetz
5G - Die Schöpfung eines Standards
Nicht nur Reaktionszeiten von wenigen Millisekunden und Datenraten von 10 GBit/s soll die fünfte Generation des Mobilfunks erreichen. Auch die nötige Netzarchitektur wird sich auf neues Terrain wagen. Ein Ausblick.
Die Entwicklung eines Mobilfunkstandards verläuft in fünf sich überschneidenden Phasen. In der ersten werden die Ziele gesteckt, die oft wie eine Mischung aus Utopie und „Wünsch Dir was“ klingen. In der zweiten, bei 5G jetzt endenden Explorations-Phase wird erforscht, welche technischen Möglichkeiten es zur Umsetzung gibt. Dabei testet die Industrie seit Anfang 2016 intensiv, inwieweit die Lösungen die angestrebten Ziele erreichen und ob diese praktisch realisierbar sind. Danach beginnt der eigentliche Standardisierungsprozess, der ab 2018 in der vierten Phase mit Experimenten zur Verifikation der gefundenen Lösungen einhergeht. Die fünfte Phase schließt mit der Entwicklung von Use-Cases und dem Aufstellen von Richtlinien zur Einführung des Standards ab.
ie Anforderungen an 5G sind sehr gut im White Paper der NGMN-Allianz (Next Generation Mobile Networks) beschrieben. Die Vereinigung geht davon aus, dass sich das übertragene Datenvolumen binnen zehn Jahren vertausendfacht. Doch nicht nur das Datenvolumen steigt. In den 5G-Netzen werden sich zehn- bis hundertmal mehr Geräte tummeln als heute. Der M2M-Kommunikation kommt hier eine entscheidende Bedeutung zu.
Die Zukunft beginnt jeden Moment
Auch die Ansprüche der Kunden werden steigen: Eine Datenrate von bis zu zehn GBit/s soll der neue Standard bieten. Noch beeindruckender ist die Reduktion der Latenz auf wenige Millisekunden, schließlich können Funkwellen nicht schneller als Licht reisen – bei 300 Kilometern pro Millisekunde ist Schluss. Darüber hinaus soll der Mobilfunkstandard Geräte ermöglichen, die bis zu zehnmal so lange mit einer Batterie auskommen wie heutige Interfaces. Laufzeiten von bis zu zehn Jahren sind im Gespräch.
Die hohe Anzahl an Verbindungen innerhalb einer Zelle, extrem geringe Latenzen und zum Teil extreme Ausdaueranforderungen zeigen, warum ein neuer Standard nötig ist. In Zukunft werden immer mehr Geräte Mobilfunk nutzen um zu kommunizieren. Ist etwa ein Sensor dafür zuständig, einen Einbruch zu melden, sollte dieser möglichst jahrelang laufen. Dafür ist bisher kein Mobilfunkstandard ausgelegt.
Im Gegenteil: Für die M2M-Kommunikation mit geringem Datenaufkommen sind immer noch GSM-Module im Einsatz, denn UMTS- oder LTE-Hardware kostet zu viel. Doch GSM ist ein Standard, der die von den Netzbetreibern teuer ersteigerte Funkbandbreite schlecht nutzt und Endkunden keine Vorteile bringt. Deshalb können preiswerte, energiesparende 5G-Modems helfen, den 2G-Standard abzuschaffen. Die extrem kurzen Latenzen wiederum werden etwa in Bezug auf autonomes Fahren wichtig. In Zukunft finden voraussichtlich viele Autos ohne menschlichen Eingriff von A nach B. Dabei kommt dem Mobilfunk eine zentrale Rolle zu. Bei Verkehrseingriffen darf es in kritischen Situationen keine Wartezeiten geben.
Die hohen Verbindungszahlen sind eine Folge davon, dass immer mehr Geräte miteinander kommunizieren. 2020 bis 2030 dürfte der Mobilfunk zahlreiche neue Dinge überwachen, respektive steuern.
Doch um den Datendurchsatz und die Geschwindigkeit zu erhöhen, braucht es genügend Spektrum. Denn höhere Übertragungsraten benötigen nach dem Shannon-Hartley-Gesetz bei festem Signal-Rauschabstand mehr Bandbreite. Höhere Frequenzen sind jedoch schwieriger zu nutzen. Und der Platz ist knapp. Schließlich wollen auch Radiosender, Fernsehanstalten, die Polizei und viele andere ihren Teil vom Spektrum abhaben. Deshalb experimentieren Mobilfunker nun mit Millimeterwellen um zehn Gigahertz. Die haben zwar wegen Kurzwelligkeit schon mit kleinen Hindernissen Probleme und dringen daher nur schwer in Häuser ein, doch Bandbreite gibt es im hohen Frequenzbereich reichlich und die einfach erreichbare, hohe Richtwirkung ist beim Beamforming ein Vorteil.
Doch es geht nicht nur darum, welche Frequenzbereiche für den Mobilfunk zur Verfügung stehen, es stellt sich auch die Frage, wie sie genutzt werden. Von LTE kennt man die „Carrier Aggregation“, bei der einem Gerät mehr als ein Frequenzblock zugewiesen wird. Diese Blöcke stammen immer aus dem Spektrum, für das der jeweilige Netzbetreiber eine Lizenz besitzt. Doch auch das unlizenzierte Spektrum kann dem Mobilfunk helfen. Dazu gehören etwa die ISM-Bänder (Industrial, Scientific, Medical), in denen sich ferngesteuerte Garagentore, Funkkopfhörer oder das WLAN tummeln.
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