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Mobilfunk

Die Vision drahtloser 5G-Kommunikation

22. April 2013, 10:05 Uhr | Gerhard P. Fettweis, seit 1994 Inhaber des Vodafone Stiftungslehrstuhls an der Technischen Universität Dresden in Deutschland mit Forschungsschwerpunkt Wireless-Datenübertragung und Chipentwurf

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Entwicklung der drahtlosen Kommunikationstechnologien

Das Volumen der drahtlosen Datenübertragung ist über Jahre kontinuierlich gestiegen, hauptsächlich durch die Übertragung stets größer werdender Dateien, sowie durch rasante Akzeptanz und Zunahme von Streaming- und Podcast-Diensten. So wird im Folgenden ein kurzer Überblick über die steigenden Datenraten bei drahtlosen Datenanwendungen im Lauf der Zeit gegeben – diese sind der entscheidende Faktor für die Entwicklung der drahtlosen Kommunikationstechnologien.

Drahtlose Endgeräte – populäre Gadgets – benötigen verschiedene Datenanbindungen. Über kurze Distanzen ist USB am weitesten verbreitet, da es einen einfachen und schnellen Weg darstellt, Daten von A nach B zu verschieben. Die Datenrate ist von 2 MBit/s bei USB 1.0 auf 4,8 GBit/s bei dem im Jahr 2009 eingeführte USB 3.0 gestiegen. Drahtloses – „Wireless“ – USB wird häufig als Alternative gesehen – besonders für die Anbindung von Geräten mit eigener Stromversorgung und ohne 2-W-Speisung über das USB-Kabel.

Wireless-USB war bisher wirtschaftlich nicht erfolgreich. Hauptgrund ist, dass der WLAN-Standard IEEE 802.11 mit steigenden Datenraten Schritt halten konnte (siehe auch Grafik oben). Der Unterschied bei den Datenübertragungsraten zwischen Wireless-USB und 802.11 ist bislang nicht groß genug, um vom Nutzer spürbar wahrgenommen zu werden. Zudem ist der Kostenunterschied der Chipsätze äußerst gering. Letztlich ist der Protokoll-Stack vom 802.11 gut in die aktuellen Betriebssysteme von PCs und Mobiltelefonen integriert, wohingegen der Protokoll-Stack des Wireless-USB-Standards IEEE 802.15 eine völlig neue Entwicklung erfordern würde. Die technischen Probleme sowie der Aufwand für die Fehlerbehebung sind schwer abschätzbar.

Mobilfunkkommunikation im Vergleich zu Wireless-USB und 802.11 dient einem völlig anderen Zweck. Die wichtigste Funktion eines Mobilfunknetzes ist die Abdeckung, also die zuverlässige Netzanbindung, unabhängig von der Position oder dem Ort eines Anwenders. Sobald ein Netz verfügbar ist und eine Verbindung hergestellt wurde, stellt die Geschwindigkeit der Datenkommunikation die nächste Herausforderung dar. Da Erreichbarkeit und Zuverlässigkeit mittlerweile ausreichend gegeben sind, sind höhere Datenraten bei Mobiltelefonen die nächste Forderung der Anwender. Gegenwärtig liefert LTE – die Mobilfunktechnologie der nächsten Generation – Datenraten in einer Größenordnung von 36 MBit/s. Bemerkenswert ist, dass sich die Datenraten vom USB, WLAN und Mobilfunk alle fünf Jahre um das Zehnfache erhöhen – genau dieselbe Geschwindigkeit, mit der die Größe des Flash-Speichers gemäß der Entwicklung des Mobilfunks nach ITRS zunimmt (Stichwort: Moor‘sches Gesetz). Der Geschwindigkeitsunterschied bei Mobilfunk- und WLAN-Technologien beträgt das Hundertfache. Bisher war dieses Unterscheidungsmerkmal groß genug, dass sich beide Technologien erfolgreich am Markt durchsetzten.

Wird es Bedarf für Datenraten über 100 MBit/s geben? Heute werden mehr als 50 Prozent des Datenvolumens in Mobilfunknetzen von Streaming-Anwendungen generiert. Hochauflösendes 3D-Streaming mit benutzerdefinierter Steuerung des Bildbetrachtungswinkels erfordert Datenraten in einer Größenordnung von 100 MBit/s. Wenn mehrere Nutzer Echtzeit-Streams parallel herunterladen wollen, wird die Anforderung für die Wireless-Anbindung schnell auf mehr als 10 GBit/s steigen. Dies bedeutet nicht, dass die hohe Bandbreite kontinuierlich für einen Nutzer verfügbar sein muss. Stattdessen werden 10-GBit/s- Datenraten über das drahtlose Medium geteilt.