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Die Technik hinter 5G: So funktioniert das neue Funknetz

Die Technik hinter 5G: So funktioniert das neue Funknetz

(Bild: kriangphrom / Shutterstock.com)

Nach LTE kommt 5G? So einfach ist es nicht, 5G vereint viele Entwicklungen und neue Anforderungen.

5G führt den klassischen Mobilfunk fort, fügt aber auch vieles Neue hinzu und hebt sich deshalb stark von Vorgängern ab. Im Prinzip wurde die Standardisierung bereits 2012 von International Telecommunication Union (ITU) angestoßen, seit 2016 wird 5G im Rahmen des 3rd Generation Partnership Project (3GPP) entwickelt. Der Standard definiert sowohl die Luftschnittstelle als auch den Backbone neu.

Die Basisdefinitionen: Als Zugriffsverfahren kommt wie bei LTE OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) zum Einsatz, als Modulationsverfahren QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) sowie 16-, 64-, 256- und 1024-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Die maximale Kanalbreite beträgt 400 MHz (LTE: maximal 20 MHz), die maximale Datenrate im Downlink beträgt 20 GBit/s, im Uplink 10 GBit/s. Die minimale Latenz soll zwischen 0,5 und 4 ms betragen. Eine Unterbrechungszeit beim Handover zwischen Zellen darf es nicht geben, gleichzeitig liegt die maximale Geschwindigkeit, mit der sich 5G-Endgeräte ohne Verlust des Netzzugangs bewegen dürfen, bei 500 km/h. Und es sind bis zu 1 Million Geräte pro Quadratkilometer möglich.

Schwerpunkt: 5G - Das Netz der Zukunft

Für die Basisdefinitionen gilt: Es sind nur prinzipielle Merkmale des 5G-Baukastens. Kein Gerät wird gleichzeitig die maximale Bandbreite bei minimaler Latenz und niedrigster Leistungsaufnahme bieten. Die maximale Datenrate werden zum Beispiel stationäre 5G-Router für den Festnetzanschluss liefern, minimale Latenzen hingegen Industriegeräte als Ethernet-Ersatz.

2017 wurde der erste Teil des Standards festgezurrt, mit den Netzbetreiber 5G-Erweiterungen auf Basis von LTE-Kernnetzen einführen. Auf Basis dieser NSA (5G New Radio specification for non-standalone operation) sind erste 5G-Basisstationen bereits realisierbar. Im Juni 2018 folgte dann die SA-Definition (Standalone Release 15) mit dem sich eigenständige 5G-Netze inklusive neuer 5G-Kernnetze bauen [10] lassen.

Bei der 5G-Standardisierung nahm man sich unter anderem auch das Kernnetz vor und verlagerte mehr und mehr Netzfunktionen in die Software. Dazu gehören Network Slicing (virtuelle anwendungsbezogene Netzwerke im Parallelbetrieb), Network Functions Virtualization und das Software-Defined Networking. Für die 5G-Anwendungen definierte das 3GPP drei Kategorien: mobiler Breitbandzugang (enhanced Mobile Broadband, eMBB), critical Machine-Type Communication (cMTC mit sehr hoher Systemverfügbarkeit und zuverlässiger latenzarmer Übertragung, beispielsweise zur funkbasierten Steuerung von Industrieanlagen oder für die Kommunikation autonomer Fahrzeuge) sowie massive Machine-Type Communication (mMTC mit hohen Signalreichweiten, langen Batterielaufzeiten und sehr günstigen Funkelementen für IoT).

Die wichtigsten Vorzüge der kommenden fünften Mobilfunkgeneration (5G) sind aus Sicht der privaten ebenso wie der industriellen Anwender hohe Geschwindigkeit, bessere Energieeffizienz und minimale Signallaufzeit (Latenz). Kein Gerät dürfte aber alle diese Attribute auf einmal bieten. Stattdessen kann man neben den branchenprägenden Smartphones, Tablets und Routern weitere Geräteklassen für ganz unterschiedliche Zwecke erwarten. Dazu gehören AR- und VR-Brillen sowie stationäre Internet-Anschlüsse, die hohe Geschwindigkeiten liefern sollen.

Ohne neue Masten, vor allem zur Versorgung ländlicher Gebiete, wird es bei 5G nicht gehen.

Für Wearables (Smart Watches, intelligente Kleidung etc.) und IoT-Geräte (Auto- oder Personen-Tracker, Wasseruhren, Stromzähler, Milchkannen usw.) sind wiederum Module mit hoher Energieeffizienz in Arbeit, die jahrelang mit einer Knopfzelle auskommen. Neu ist das nicht, aber nach Sigfox, LoRaWAN, Bluetooth LE und anderen Sparfunkern mischt nun auch die Mobilfunkindustrie mit und lockt mit höheren Funkreichweiten und robusteren Übertragungen. 2019 wird das Jahr, in dem erste ausgereifte und preiswerte Mobilfunkmodule antreten, um ihre steinzeitlichen GPRS-Vorgänger abzulösen. Ob die Mobilfunktechniken NB-IoT und M1 das Zeug haben, den etablierten Schmalfunkern das Wasser abzugraben, wird spannend zu beobachten sein: Mobilfunk-IoT bedeutet auch Mobilfunkkosten. Die fallen bei Bluetooth, LoRaWAN & Co. nicht an.

Auch Smart Cities, autonome Fahrzeuge und digitales Gesundheitswesen bekommen mit 5G neuen Schub. In Pilotprojekten hat man ausführlich erprobt, wie sich IoT-Techniken für Parkleitsysteme oder die Steuerung der Straßenbeleuchtung nutzen lassen. Ein komplett neues Feld will sich die Mobilfunkbranche mit speziellen Erweiterungen für die Industrie eröffnen. Vor allem sollen minimale Signallaufzeiten unter einer Millisekunde Interessenten aus der Fabrikautomation und Produktion locken. 5G hat das Potenzial, viele industrielle Prozesse zu verbessern und manche auch umzuwälzen.

Schnellere Datenraten wird man am eigenen Smartphone bemerken -- weniger beim Chatten, Websurfen oder Streaming, sondern am ehesten noch bei Upload-Vorgängen. Das ist zurzeit der Flaschenhals für Cloud-Synchronisierungen, den Foto- und Video-Versand. Ein Indiz für schnellere Uplinks sind Chipsätze, die immer mehr von den fortgeschrittenen Mobilfunkspezifikationen nutzen. Das sind Multiträgerbündelungen (Carrier Aggregation), höherwertige Modulationen (256-QAM sogar in Uplink-Richtung, während anfangs 64-QAM sogar in Downlink-Richtung vorherrschte) und noch mehr parallele Datenströme mit 4x4- oder sogar 8x8-MIMO (Multiple Input Multiple Output).

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.

In der Produktion und im Straßenverkehr wird 5G allerdings länger benötigen, um einen sichtbaren Effekt zu haben. Die bisher per Kabel angebundenen Ampeln werden Strom auch weiterhin per Kabel beziehen und sicherlich zumindest anfangs das Kabel als Backup brauchen. Auf die erste Ampel, die Grünphasen selbstständig bedarfsgerecht und energieschonend schaltet, wird man wohl noch Jahre warten – auch weil das noch keine KI perfekt beherrscht. Ähnlich weit entfernt sind noch Alarmierung zwischen den Fahrzeugen auf der Strecke (Glatteis- oder Unfallwarnung), Verkehrsflusssteuerung und autonome Autos. Ein ganz neues Geschäftsfeld peilen die Mobilfunker allerdings im Bereich der Fabrikautomation an: 5G will eine Alternative zu Industrial Ethernet sein.

Das Tamtam der Netzbetreiber richtet sich daher nur vermeintlich an die heutigen LTE-Smartphone-Surfer. Eigentlich meinen die Mobilfunker Analysten und Bänker, um Gelder für den Netzausbau zu bekommen, damit sie Firmenkunden neue Dienste verkaufen können. Denn dafür müssen die Netzbetreiber viel investieren in Glasfasernetze, Frequenzen und Infrastrukturen wie Small Cells, die mit 5G Mini-Clouds erhalten sollen -- direkt beim Kunden auf dem Firmengelände. Das ist jedenfalls der feuchte Traum der Netzbetreiber.

5G-Mobilfunkbasisstationen brauchen aber weit mehr Rechenleistung als die LTE-Stationen, um die Datenströme zu steuern. ASICs kommen da an ihre Grenze, weshalb beispielsweise Intel ein riesiges Geschäftsfeld auf sich zukommen sieht: Bis 2022 will Intel aus dem Stand heraus in mehr als 40 Prozent der Basisstationen vertreten sein. Das müssen natürlich Netzbetreiber bezahlen, bevor sie es nutzen können.

Das gilt auch für Glasfasern und die Cloud-Infrastruktur, die aus den Kernnetzen hinauswandern soll in die Hotspots und auf die Firmengelände, um dort etwa Industrieroboter zu steuern. Denn das ist neben vielen nachrichtentechnischen Verfeinerungen der eigentliche Trick, der die kurzen Latenzen ermöglicht: Die Daten wandern gar nicht erst vom Endgerät über die Basisstation und Glasfasern in die Cloud im Internet, sondern nur bis zur Basisstation, in die die Verarbeitungsintelligenz einziehen soll.

Das wird dann die Edge-Cloud (distributed virtualized core). Mit Entfernungen von oft nur wenigen Dutzend Metern können etwa für zeitkritische Steuerungen die Befehle so schnell wie erforderlich eingehen. Und die Robustheit der Datenübertragung, die im industriellen Umfeld essenziell ist, gewährleisten mehrere Basisstationen, die das gleiche Signal koordiniert mehrfach an den Empfänger senden. Zu den Vorteilen zählt, dass die Inhalte lokal und umgehend verarbeitet werden und dort auch verbleiben.

Mobilfunker rücken mit Small Cells in die Nähe von Maschinen, die bisher per Industrial Ethernet verkabelt sind, um sie zu entkabeln. Um das nutzen zu können, werden Firmen in 5G-Ethernet-Adapter investieren müssen. Und vielleicht in Mobilfunkverträge.

Neben industriellen Fertigungen sind Windparks, der Containertransport mittels autonomer Fahrzeuge auf Hafengeländen (Automated Guided Vehicle, AGV) und bewegliche Industrieroboter die Lieblingsbeispiele der 5G-Entwickler. In näherer Zukunft sehen sie schon rekonfigurierbare Fabriken, mobile Roboter und vernetzte bewegliche Teile in der Fertigung.

In der Landwirtschaft, die eigentlich auch einen Industriezweig darstellt, warten vor allem Landmaschinenhersteller, aber auch Landwirte auf die 5G-Vernetzung. Teilautonome Mähdrescher mit Internet-Anschluss sind schon seit mehr als 10 Jahren üblich.

Für die datengetriebene Steuerung und Vernetzung von Landmaschinen braucht es aber schnelleren Mobilfunk und durchgängige Flächendeckung. Beispielsweise kann ein Mähdrescher auf dem Feld für jeden Quadratmeter erfassen, wie viel Getreide er erntet und in welcher Qualität. Mähdrescher, Traktor, LKW und Mühle sind miteinander vernetzt, sodass jedes Glied der Transportkette über Menge und Qualität der Ernte im Bilde ist und Entscheidungen treffen kann – genügt die Qualität für die Brotverarbeitung oder handelt es sich um Futterweizen? Am Ende der Ernte verfügt der Landwirt zudem über eine lückenlose Dokumentation, was für die Nachweisführung wichtig ist – manche Bio-Landwirte sagen, dass ohne solche Digitalisierung der Nahrungsmittelproduktion eine ausgedehnte Versorgung der Bevölkerung mit Bio-Lebensmitteln gar nicht möglich ist.

Die ersten 5G-Protagonisten haben ihre Feldversuche und Pilotprojekte inzwischen beendet und peilen den kommerziellen Betrieb an. In den meisten Fällen dient LTE als Plattform, die mit 5G-Funktionen ergänzt wird (Non-standalone 5G systems). Erst in der zweiten Phase, die weltweit frühestens ab 2020 beginnt, sollen dann Standalone-5G-Systeme von Grund auf neu aufgebaut werden. Und erst in dieser Phase dürfte 5G den enormen Geschwindigkeitssprung – bis zu 100-mal höhere Datenraten – gegenüber LTE schaffen. In Deutschland sammelt beispielsweise die Hamburger Port Authority erste Erfahrungen mit dem industriellen Einsatz von 5G.

Ende 2018 haben 182 Betreiber in 78 Ländern in 5G-Netze investiert. Am Anfang nutzt man 5G allerdings nicht mobil, sondern als Festnetzersatz (Fixed Wireless Access, FWA). Beispielsweise bietet Verizon mit "5G Home" mit 300 MBit/s schnellem Downlink in den USA an.

Weltweit investieren aktuell 123 Betreiber in die mobilfunkspezifischen IoT-Techniken "NarrowBand IoT" und "Cat-M1". Die Anwendungen liegen im Bereich Smart City (Laternensteuerung, Parkleitsysteme, Wasserzähler, Signalisierung bei vollem Mülleimer etc.). In 65 Netzen läuft NB-IoT bereits im kommerziellen Betrieb. 50 Betreiber nutzen Cat-M1, 22 davon kommerziell. Vodafone und Telekom setzen Cat-M1 bereits in den Niederlanden ein. Das bedeutet, dass der Einsatz in Deutschland nicht mehr fern ist – zusätzlich zum bereits eingesetzten NB-IoT.

NB-IoT ist für viele Anwendungen nützlich [11], weil es im optimalen Fall die veralteten GPRS-Module nahtlos ersetzen kann, aber weit höhere Reichweite und Zuverlässigkeit bietet. Allerdings fehlt NB-IoT das nahtlose Handover, sodass es für mobile Anwendungen wie GPS-Tracker nicht in Frage kommt. Cat-M1 bringt diese Funktion mit und eignet sich auch für die Sprachübertragung, sodass man Cat-M1-basierte Geräte auch für die Sprachkommunikation nutzen kann. Fachleute glauben, dass es nicht nur im Smart-Home-Bereich und der Industrie Chancen hat, sondern auch im medizinischen Bereich, etwa zur Alarmierung auf Krankenstationen.

Deterministische Paketzustellung, reservierte Zeitschlitze: Der 5G-Mobilfunk lernt für das industrielle Umfeld "Time Sensitive Networking" gemäß IEEE 802.1Q, um maschinelle Abläufe zu synchronisieren.

Die zunehmende NB-IoT- und M1-Verbreitung in Mobilfunknetzen bedeutet, dass die Massenproduktion von Chipsätzen inzwischen angelaufen ist. Aktuell sind laut der GSA 26 Chipsätze (Modems und integrierte Prozessoren) am Markt.

AT&T hat als einer der ersten Netzbetreiber 5G im Angebot. Die Firma rüstet seit Ende Dezember Teile ihrer Netze in zwölf US-Städten mit 5G-Komponenten aus. In der ersten Hälfte 2019 sollen weitere sieben Städte hinzukommen. Kunden, die im Bereich der 5G-Abdeckung leben, können das bereits mit dem Hotspot-Router "Nighthawk 5G Mobile Hotspot" von Netgear ausprobieren, den AT&T anbietet.

Unter den ersten 5G-Diensten überwiegen überraschenderweise Festnetzangebote (Fixed Wireless Access, FWA) mitsamt dazu passenden 5G-Routern (Huawei 5G CPE mmWave und 5G CPE sub-6 GHz, Samsung SFG-D0100, Netgear Nighthawk 5G Mobile Hotspot). Bei Motorolas 5G Moto Mod handelt es sich um einen Smartphone-Adapter. Keines dieser Geräte ist bisher in Deutschland erhältlich. Später dieses Jahr sollen weitere 5G-Router erscheinen. HTC will für den US-Betreiber Sprint den Smart-Hub-Router auf Basis des Snapdragon X50 bauen, Verizon einen "5G NR Hotspot" liefern (womöglich von Inseego, ehemals Novatel Wireless).

Die weitere Entwicklung und Einführung von 5G könnte in vielen Bereichen aus heutiger Sicht recht schnell erfolgen -- überraschend möglicherweise, wenn man sich die aktuellen Auseinandersetzungen um Auflagen bei der 5G-Frequenzauktion in Deutschland anschaut. Wie weit wir aber das smarte Leben wirklich treiben wollen, welche Techniken wo eingesetzt werden, das wird sich zeigen – und das werden wir diskutieren müssen. Die technischen Voraussetzungen vor allem auf der Ebene der Kommunikations- und Netzwerktechnik werden in wenigen Monaten und den kommenden Jahren jedenfalls vorhanden sein. Auch die Entwicklungen in der Bedien- und Gerätetechnik werden so weit sein, dass intelligente Umgebungen möglich sind und uns das Leben erleichtern – und, in welchem Umfang auch immer, Science-Fiction zu unserer alltäglichen Realität machen.

(jk [12])


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