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Die Technik hinter 5G: So funktioniert das neue Funknetz

Frequenzbänder für WLAN, LTE, 5G

Inhaltsverzeichnis

Vereinfacht kann man sagen: Je breiter ein Funkband ist, desto schneller kann es Daten transportieren. Beispielsweise liefert WLAN mit 40 MHz breiten Kanälen 450 MBit/s. Für Gigabit-LTE und 5G sind aber weit breitere Bänder erforderlich. Die gibt es aber nicht am Stück. LTE kompensiert das, indem es Bänder ab 1,4 MHz bis 20 MHz Breite bündelt (Carrier Aggregation). Erst damit sind die für Gigabit-Niveau erforderlichen Systembandbreiten möglich (z. B. 32 Träger für eine maximale Systembandbreite von 640 MHz). 100 MHz Systembandbreite sind für viele LTE-Netze fast schon das obere Ende der Fahnenstange. 5G ist für ein Mehrfaches davon ausgelegt.

LTE und 5G stehen weltweit etliche unterschiedlich breite Funkbänder ab 450 MHz bis rund 6 GHz zur Verfügung. Das ist in 5G-Sprech der Frequency Range 1 (FR1). Zusätzlich bekommt 5G Kapazitäten im mmWave-Bereich, die im 3GPP Release 15 neu spezifiziert wurden. Das ist der Frequency Range 2 (FR2). Er startet bei 24 GHz und reicht aktuell bis 52,6 GHz hinauf. Möglicherweise kommen Teile aus dem Bereich 64 bis 86 GHz hinzu.

Außerdem haben die Mobilfunker für LTE und 5G unlizenzierte Bänder erschlossen. Es gibt mehrere Verfahren dafür. Am meisten verbreitet sind LAA und LTE-U (28 Betreiber investieren in LAA, 11 in LTE-U). Dabei ist die 3GPP hauptsächlich scharf auf das 5-GHz-Band. Das dürfte vor allem WLAN-Nutzer treffen. Weltweit sind bereits rund 100 LTE-Geräte erhältlich, die unlizenzierte Bänder nutzen können. Davon sind 40 für LAA ausgelegt, 45 für LTE-U und 16 für LWA.

Das erste für 5G genutzte Band wird vermutlich im 700-MHz-Bereich liegen. Die Nutzungsrechte dafür sind schon 2015 vergeben worden, in diesem Jahr werden sie frei. Die Bundesnetzagentur (BNetzA) versteigert das im 2-GHz-Bereich ehemals für UMTS vergebene Band neu und hat weitere Kapazitäten im Bereich von 3,4 bis 3,7 GHz locker gemacht.

Auch die Roadmaps der Chipsatz- und Smartphone-Hersteller belegen, dass 5G-Geräte einen deutlichen Geschwindigkeitssprung bringen werden. Schon zum Anfang des Jahres gab es die ersten kommerziell erhältlichen 5G-Chipsätze von Qualcomm (Snapdragon X50), Samsung (Exynos 5100) und Hi-Silicon (Balong 5G01). Mittlerweile sind einige weitere erschienen, Zumindest angekündigt oder erwartet werden Chipsätze von Intel (XMM 8160), Hi-Silicon (Kirin 990) und MediaTek (Helio M70). MediaTek kündigt erste Geräte mit dem Helio M70 noch für 2019 an. Intel will den XMM 8160 Mitte 2019 ausliefern.

(Bild: TPROduction / Shutterstock.com)

Maximale Downlink-Raten starten bei 1900 MBit/s. Das ist der Fall bei Samsung Exynos 5100, das auch ein 4G-Modem gemäß der Categorie 19 enthält (Cat19); es bündelt dafür bis zu acht LTE-Träger. Bis 5 GBit/s liefert Qualcomms Snapdragon X50. Beide, Samsung und Snapdragon bündeln bis zu acht LTE-Träger.

Wenn Kritik laut wird, dass Deutschland beim Breitbandausbau zurückliegt, wiegt das angesichts des guten Angebots an LTE-Geräten umso schwerer. Viele liefern schon heute Gigabit-Datenraten. Wie üblich kann man sie in verschiedene Gerätekategorien unterteilen (Category, Cat). Aktuell sind auf dem Weltmarkt 30 Cat15-Geräte erhältlich. Sie liefern im Downlink bis zu 750 MBit/s. Es gibt 48 Cat16-Geräte – sie erreichen in der Spitze 1 GBit/s. Und es gibt sogar 49 Cat18-Geräte für maximal 1,175 GBit/s.

Doch in deutschen Netzen kann man ihre Leistung nicht ausschöpfen, denn die Betreiber kommen mit dem Netzausbau nicht hinterher. Am weitesten ist da noch die selbsternannte "Gigabit-Company" Vodafone. Das Vodafone-Netz erreicht an Hotspots bis zu 60 MHz Systembandbreite und liefert im optimalen Fall tatsächlich Gigabit-Niveau. Das klingt gut, aber die Tarife sind teuer, sodass hierzulande Gigabit-LTE-Router kaum jemand auch nur in Erwägung zieht.

Außerdem fällt auf: Die schnellsten LTE-Chipsätze, die die kommende Gerätegenerationen bekommen wird, sind den 5G-Modems auf den Fersen: Qualcomm Snapdragon X20 und X24 sollen gemäß Cat18 respektive Cat20 1,2 GBit/s und 2 GBit/s liefern. Das X20-Modem bündelt dafür 5 Träger, das X24 bündelt 7 Träger (je 20 MHz Breite). Beide modulieren im optimalen Fall mit 256-QAM. Intels XMM 7560 und 7660 (Cat16 und Cat19) liefern maximal 1 GBit/s beziehungsweise 1,6 GBit/s, 256-QAM inklusive.

Der Hi-Silicon Balong 765 gehört ebenfalls zur Cat19-Kategorie und erreicht so 1,6 GBit/s. Dafür bündelt er vier Träger, moduliert per 256-QAM, funkt aber als weltweit erster Chipsatz mittels 8x8 MIMO. Damit dürfte er sich ebenfalls für Router empfehlen.

Der Balong 765 steht stellvertretend für Chipsätze, die immer mehr von den fortgeschrittenen LTE-Funktionen mitbringen. Denn neben der schieren Systembandbreite braucht man für Gigabit-Niveau auch schnelle Modulationen und vielfache räumlich separierte Übertragungen (MIMO).

In der niedrigsten Preisklasse nutzen die weitaus meisten Geräte zur Modulation maximal 64-QAM und das auch nur in Downlink-Richtung. 30 Chipsätze eignen sich für 64-QAM im Downlink, 29 auch im Uplink.

Der Trend geht aber zu höherwertigen Modulationen. Anfang des Jahres gab es immerhin schon 16 Chipsätze, die Daten per 256-QAM auf die Funkwellen aufmodulieren (Downlink). Das sind GCT GDM7243A, Hi-Silicon Kirin 970 und 980, Qualcomm Snapdragon 630, 636, 660, 670, 675, 710, 820, 821, 835, 845 und 850, Samsung Exynos 9810 und 9820. Hi-Silicon Kirin 980 und Samsung Exynos 9820 eignen sich sogar für 256-QAM im Uplink.

16 Chipsätze eignen sich für 4x4 MIMO: Altair Semiconductor Alt4800, GCT GDM7243Q Quad, GDM7243QT und GDM7243A, Hi-Silicon Kirin 960, 970 und 980, Qualcomm Snapdragon 710, 820 (inkl. Automotive-Varianten), 821, 835, 845 and 850 und Samsung Exynos 9810 sowie 9820.