5G: So funktioniert der aktuelle Mobilfunk-Standard
Schon bei den Mobile-World-Congress-Terminen in Barcelona vor der Corona-Pause keinen Ausrüster oder Netzbetreiber, der nicht 5G zum "Standard" erklärt hätte.
Die Deutsche Telekom hatte schon 2015 im Rahmen der von ihr stark unterstützten NGMN-Initiative ("Next Generation Mobile Network") zur Pressekonferenz gerufen. "2020 muss das neue Ding da sein", forderte der damalige Telekom-CTO Bruno Jacobfeuerborn klar und unmissverständlich. Und der Termin hat hingehauen.
Lange war nicht so ganz klar, wie das "neue 5G-Ding" aussehen könnte. Längst sind 5G-Netze in den meisten Ländern "Standard". Wir geben einen Einblick in das, was 5G/NR ("New Radio") möglich machen kann.
5G hat die Grenzen dessen, was überhaupt mit Mobilnetzen möglich ist, erheblich erweitert. Die Entwicklung läuft in mehrere Richtungen gleichzeitig: Von "ultra-schnell" (ein bis mehrere Gigabit pro Sekunde in einer Zelle; mindestens 50 bis 100 MBit/s beim individuellen Nutzer) über "ultra-schnelle Antworten" (Ping-Zeiten) bis hinunter zu 1 ms Antwortzeit vom Netzwerk, statt derzeit typisch 30-50 ms) hin zu "ultra-sparsam" (Dauerbetrieb eines per Mobilfunk angebundenen Sensors mit einer handelsüblichen Batterie für zehn Jahre) reicht das Spektrum.
Endgeräte können auch direkt mit anderen Endgeräten Daten austauschen, zwar autorisiert über die Basisstation, aber ohne Umweg über die Basisstation. Nicht zuletzt: Die von den Netzen transportierte Gesamtdatenmenge hat sich vervielfacht und kann sich bald vertausendfachen, während der Gesamtenergieverbrauch sinken soll, das Ziel wäre eine Halbierung.
Herausforderung angenommen
5G kann eigentlich zweistellig, wenn auch nicht überall.
Bild: teltarif.de
Es gehört zu den Gesetzen der Branche, dass solche Herausforderungen in der TK-Industrie regelmäßig eine gewisse Aufbruchsstimmung auslösen. Die technologischen Entwicklungen, die darauf basierenden Standardisierungen, die konkreten Produktentwicklungen und die nötigen Interoperabilitätstests sind ein permanent sich weiter entwickelnder Prozess.
Zwei Jahre vor dem eigentlichen Wunschtermin startete 5G in Südkorea (zur Winter-Olympiade 2018). Fix war die Schweiz (5G seit 2019), und auch in Deutschland gingen bereits 2019 die ersten 5G-Netze bei der Telekom und Vodafone in den öffentlichen Wirkbetrieb, wobei Vodafone für sich reklamiert, "erster" gewesen zu sein.
In den USA ist "5G-America" sehr weit vorangeschritten. T-Mobile USA nimmt für sich in Anspruch, das größte 5G-Netz "nationwide" zu betreiben, was nach allem, was bekannt ist, wohl stimmt.
Entwicklung beschleunigt sich
2015 zeigte Ericsson auf dem Mobile World Congress ein "mobiles" Endgerät ("mobil" im Sinne von: "kann geschoben werden") mit 5 GBit/s. Der südkoreanische Netzbetreiber SK Telecom gab damals an, darüber schon 7,5 GBit/s erreicht zu haben. 2016 hatten Ericsson, ZTE und viele andere bereits die 20 GBit/s überschritten. Und das ist noch lange nicht das Ende der Fahnenstange.
Doch bei aller Begeisterung heißt es aufpassen: Nicht überall, wo 5G draufsteht, ist wirklich 5G drin. Oft zeigen die Handys auch in den 4G-LTE-Netzen mitunter bereits "5G" an. Das bedeutet dann, es wäre 5G möglich, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt wären, aer es fehlt beispielsweise ein ausreichend stabiles "5G-Signal" auf 700, 1800, 2100 oder 3600 MHz je nach Netz und Anbieter. 5G dienst hier als "ULI" (Upper Layer Indikator), das heißt, da wäre 5G möglich.
Dutzende oder gar hunderte Antennen auf einmal
Die Steigerung der Gesamtkapazität eines Netzes kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden:
- Bessere Modulation
- angepasste Duplex-Verfahren
- bis hin zu full duplex
- Verdichtung der Zellen
- Nutzung breiterer Frequenzbänder
- mehr Antennen pro Zelle
Eine Maßnahme alleine reicht dabei nicht. Man kommt nicht umhin, mehrere Maßnahmen zu kombinieren, um die Ziele zu erreichen.
Massive-MIMO-Antenne von ZTE
Bild: teltarif.de
Als einer der ersten zeigte ZTE in Barcelona eine angesichts der 256 einzelnen enthaltenen Antennen, Endverstärker, Empfänger und
zugehörigen Baseband-Einheiten sehr kompakte Massive-MIMO-Antenne. Diese versorgte mit einem lediglich
20 MHz breiten LTE-Frequenzband im sogenannten
TDD-Modus (in diesem senden Basisstation und Endgeräte abwechselnd
auf derselben Frequenz) insgesamt ein Dutzend normale
LTE-Endgeräte mit jeweils
um die 35 MBit/s. In Summe wurden somit gut 400 MBit/s
in einer Zelle übertragen. Mit
herkömmlichen 4x2-MIMO (4 Antennen auf Seiten der Basisstation,
je zwei im Endgerät) und TDD wäre hingegen nur ein Viertel dieser
Gesamtbandbreite erreicht worden.
Möglichkeiten und Limitierungen von MIMO und Beamforming
ZTE (und inzwischen auch alle anderen großen Hersteller wie Huawei, Ericsson, Nokia, etc.) stell(t)en Möglichkeiten und Grenzen vor: Deutliche Bandbreitensteigerung als auch die Limitierungen von MIMO und Beamforming: Die Ver-64-fachung der Zahl der Antennenelemente auf der Seite der Basisstation bringt nur eine Vervierfachung des Gesamtdurchsatzes. Kritiker geben immer wieder zu bedenken, dass MIMO ständig "over promised" und "under delivered" gewesen sei.
MIMO allein kann die nötige Kapazitäts-Erweiterung nicht leisten. Deswegen wird fortlaufend über weitere, zusätzliche Frequenzbänder nachgedacht und diskutiert. In den USA sind bereits 26 GHz und 60 GHz (sogenannte Millimeterwellen) in Benutzung, in Europa sind diese Frequenzen noch nicht vergeben. Strahlengegner bekommen schon "Kopfschmerzen", wenn sie über diese Frequenzen nur nachdenken.
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Kleinere Zellen und höhere Frequenzen
Derzeit stehen in den typischen Mobilfunk-Frequenzbändern um 700, 800, 900, 1500 (nur Download), 1800, 2100, 2600 oder 3600 MHz jeweils 60 bis knapp über 100 MHz an Bandbreite zur Verfügung, die sich auch noch alle Anbieter in einem Land teilen müssen. Daher standen für einzelne Dienste oft kaum mehr als 20 MHz gepaart zur Verfügung. Zwar wurden immer wieder Frequenzbänder von den bisherigen Nutzern geräumt und dem Mobilfunk übereignet, beispielsweise im Rahmen der Digitalen Dividende II, doch reichte das kaum, um das erwartete Kapazitätswachstum zu ermöglichen.
Der Trick ist das "Zusammenkleben" von Frequenzbändern, als Fachbegriff "Carrier Aggregation" (CA) genannt.
Die 2019 für 5G versteigerten Frequenzbänder im Bereich 3,4 bis 3,8 GHz (ehemalige WLL-Frequenzen) bieten mehr Bandbreite und werden überwiegend in Ballungsräumen, teilweise auch "in der Botanik" genutzt. Als nächsten Schritt soll es in einigen Jahren über 6 GHz bis hinauf zu etwa 60 GHz gehen. Dort können dann pro Band nicht jeweils einige Dutzend, sondern gleich einige hundert Megahertz an Bandbreite bereitgestellt werden können.
Telefónica Deutschland hatte einen Fixed-Wireless-Access-Versuch auf 26 GHz erfolgreich abgeschlossen, die Telekom testet(e) in Berlin sogar auf 60 GHz.
Beamforming in Aktion: Der grüne und der blaue Fleck zeigen, wohin die Energie der Test-Basisstation gerichtet wird.
Bild: teltarif.de
Das Problem: Die genannten hohen Frequenzen verhalten sich in vieler
Hinsicht schon wie Lichtstrahlen. Sie dringen beispielsweise kaum durch
Wände, sondern werden von diesen in der Regel reflektiert. Auch an Luft
ist die Dämpfung dieser hohen Frequenzbereiche vielfach höher als
die Dämpfung der gewohnten Frequenzen. Herkömmliche Zellen mit Radien
von hunderten oder gar tausenden von Metern lassen sich mit diesen
hohen Frequenzen nicht aufspannen.
Die Chance: Die genannten hohen Frequenzen verhalten sich in vieler Hinsicht schon wie Lichtstrahlen. Sie können stark gebündelt dorthin abgestrahlt werden, wo sich das Endgerät befindet. Anders als beim herkömmlichen Mobilfunk wird also nicht mehr die ganze Zelle ausgeleuchtet - sondern gezielt der Ort angestrahlt, an dem sich auch das Endgerät befindet. Diese Strahlformung (englisch: "beamforming") kann grundsätzlich in beide Richtungen verwendet werden: Von der Basisstation zum Endgerät und umgekehrt.
Wird neben Beamforming auch noch MIMO zur Kapazitätssteigerung verwendet, müssen entsprechend selbst im Endgerät ca. ein Dutzend Antennenelemente untergebracht werden. Bei den genannten hohen Frequenzen sind die Antennenelemente aber so klein, dass Platz genug dafür vorhanden ist.
5G-Basisstationen werden deutlich dichter stehen müssen
Die hohen Verluste bei der Übertragung auf hohen Frequenzen werden durch die Fähigkeit zum Beamforming teilweise wieder kompensiert.
Dennoch: 5G-Basisstationen müssen dort, wo hohe Kapazitäten benötigt werden, deutlich dichter stehen, als seinerzeit 3G- als bislang die 4G-Basisstationen. Zugleich müssen diese 5G-Basisstationen mit Downlink-Bitraten von etlichen Gigabit pro Sekunde angebunden werden, wenn man die Fähigkeiten von 5G ausnutzen will. Dazu ist eine Glasfaser-Anbindung ("Backbone") zwingend erforderlich.
5G verwendet also Massive MIMO bei den "tiefen" Frequenzen bis ca. 3,6 GHz, zudem Beamforming und hohe Bandbreiten bei den "hohen" Frequenzen ab ca. 6 GHz, die hierzulande (auf Antrag) nutzbar wären, aber wegen der geringen Reichweiten bis auf einige Pilotprojekte noch nicht eingesetzt werden.
Ping-Zeit: 0,001 Sekunden
Es gibt noch weitere Anforderungen an 5G-Netze neben der massiven Steigerung der Zellkapazität: Eine ist die Kommunikation mit geringer Latenz. Die Rede ist von Ping-Zeiten von gerade mal 0,001 Sekunden, also 1 Milli-Sekunde. Das ist 20 bis 40 mal schneller als die in 4G-Netzen üblichen 20 bis 40 ms.
In vielen Fällen sollen Anwendungen mit dieser ultrakurzen Latenz direkt von Endgerät zu Endgerät kommunizieren. Das Netz vermittelt dann nur noch den Funkkanal, verarbeitet aber die Daten nicht mehr selbst. In anderen Fällen werden die Daten weiterhin von und zum Netz übertragen werden.
Der Server, der diese verarbeitet, muss dann aber direkt in der Basisstation stehen, da andernfalls schon die Signallaufzeiten im Backbone zu lange wären. "Edge Computing" nennen die Ausrüster die Fähigkeit, Rechenkapazitäten direkt an die Netzknoten zu verlagern.
Zwei funktionsfähige 5G-Antennen am Messestand
Bild: teltarif.de
Ein oft genannter Kandidat für direkte Gerät-zu-Gerät-Kommunikation und das Edge Computing sind selbstfahrende Autos. Seit einiger Zeit wird immer mehr an diesen geforscht. Prototypen verwenden Kameras, Laser-Entfernungsmesser, akustische Abstandssensoren und dergleichen mehr, um den Verkehr zu überwachen und darauf zu reagieren.
Die 5G-Protagonisten gehen davon aus, dass selbstfahrende Autos zur weiteren Erhöhung der Sicherheit auch direkt untereinander Daten austauschen werden. Denn wenn das vorausfahrende Fahrzeug direkt an das hinterherfahrende Fahrzeug funkt, dass es bremst, dann kann letzteres viel schneller reagieren, als wenn es dazu erst die Bremslichter oder die tatsächliche Verzögerung des vorausfahrenden Autos auswerten muss.
Ist die Datenübertragung zwischen den Fahrzeugen ausreichend schnell und der Kanal zwischen den Fahrzeugen ausreichend zuverlässig, dann können autonome Autos direkt hintereinander im Windschatten fahren. Das spart beim hinterher fahrenden Fahrzeug nicht unerheblich Sprit und verbessert die Auslastung der Straßen. Aber es benötigt einen sicheren Funkkanal direkt zwischen den Autos, der Latenzzeiten deutlich unterhalb der üblichen menschlichen Reaktionszeit von 100 bis 200 ms aufweist.
Die kurze Latenz geht dabei Hand in Hand mit den hohen Bitraten, die 5G ermöglicht: Je höher die Bitrate, desto schneller erfolgt natürlich die Übermittlung eines einzelnen Datenpakets vorgegebener Länge.
5G speziell für industrielle Steueraufgaben
Dank der Flexibilität der 5G-Netze wird nicht nur die Kommunikation zwischen autonomen Autos, sondern auch diverse weitere industrielle Steueraufgaben attraktiv. Bisher konnte die Industrie nur mit proprietären Kommunikationssystemen arbeiten. Die Nutzung einheitlicher Standards soll die Stückzahlen nach oben und damit die Kosten pro Gerät nach unten treiben.
10 Jahre Standby
Eine weitere Anforderung an 5G-Netze ist, dass Sensoren mit einer handelsüblichen AA-Batterie 10 Jahre lang betrieben werden können. Bei 5G soll im "Internet der Dinge" (kurz IoT) künftig alles mit allem vernetzt sein.
Als Beispiel sei ein Feuchtemesser genannt, den ein Landwirt in den Boden steckt, und der ihn warnt, wenn es zu trocken wird, sodass er dann gezielt künstlich bewässern kann. Nicht nur will der Bauer bei solchen Sensoren nicht regelmäßig die Batterie wechseln müssen. Sie werden oft auch an Stellen weitab von Siedlungen, mit folglich schlechter Netzversorgung aufgestellt werden. Dieselben Probleme haben aber zum Beispiel auch Feuermelder oder elektronische Wasseruhren.
Selbst erste 5G-Prototypen erreichten schon einstellige GBit/s
Bild: teltarif.de
Vorteil ist: Solche Sensoren benötigen nicht die eingangs genannten hohen Bitraten. Ob das Absetzen einer Dürremeldung fünf Millisekunden oder fünf Sekunden dauert, ist egal. Wichtig ist, dass
die Meldung überhaupt ankommt.
Hierfür werden in 5G-Netzen zwei Tricks angewendet, die sich übrigens im Rahmen des Standards "Narrowband Internet of Things" (kurz: NB-IoT) auch in aktuelle 4G-Netze implementieren lassen. Der erste ist, nur einen der OFDM-Subträger zu verwenden und auch auf MIMO und all die anderen Maßnahmen zur Geschwindigkeitssteigerung zu verzichten. Das limitiert die Bitrate auf einige hundert Kilobit pro Sekunde. Aber es reduziert den Energieverbrauch und vereinfacht den Aufbau der Sender.
Trick: Signalwiederholung
Der andere Trick ist, dass die IoT-Sender ihr Sendesignal bei Bedarf beharrlich wiederholen, bis zu 100- oder gar 1000-mal. Selbst wenn das einzelne Signal im Rauschen untergeht: Durch die Wiederholung verbessert sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis entsprechend der Zahl der Wiederholungen. Die Filter in den Basisstationen müssen nur gezielt nach diesen sich wiederholenden Signalen suchen, dann können sie diese aus dem Hintergrundrauschen herausfiltern.
Natürlich eignet sich diese Methode nicht, um ein 20-Megapixel-Foto in die Cloud hochzuladen. Hier würde die tausendfache Wiederholung die Netze überlasten. Die Meldung: "Dichter Rauch und leicht erhöhte Temperaturen bei Feuermelder 349348" belegt aber auch in tausendfacher Wiederholung weniger als 0,1 MB. Hauptsache, sie kommt an.
Bei jedem Update der Mobilfunk-Technologie wurde auch die Modulation verbessert.
Modulation: Schon am Ende angekommen?
Alle modernen Funkverfahren übertragen mehrere Bits mit einem Signal. Die derzeit bei LTE eingesetzte 64-QAM-Modulation verwendet beispielsweise 64 verschiedene Symbole. Mit jedem Symbol wird dadurch ein Zahlenwert zwischen 0 und 63 übermittelt - das entspricht genau 6 Bit.
Im Idealfall werden daher mit 64-QAM-Modulation auf einem 20 MHz breiten Kanal somit 6 Bit/Hz * 200 MHz = 1200 MBit/s übertragen. Nach Abzug von Framing und Korrekturbits bleibt eine Nutzdatenrate von bis zu 1000 MBit/s. Die eingangs bereits erwähnte MIMO-Technologie erlaubt dann durch Nutzung von mehreren Antennen im Sender und im Empfänger parallel die Kapazität noch weiter zu steigern - mit 4x4-MIMO bei der genannten Kanalbreite beispielsweise auf bis zu 4000 MBit/s.
Ein "mobiles" 5G-Endgerät, Stand Anfang 2015
Bild: teltarif.de
Eine weitere Erhöhung der Nutzdatenrate durch eine Modulation
mit noch mehr Symbolen, etwa mit 256 QAM mit 256 verschiedenen
Wellenformen, bringt nur einen geringen Gewinn. Denn sie erfordert
einwandfreien Empfang mit nur sehr geringen Störungen. Andernfalls
lassen sich die 256 Symbole nicht mehr eindeutig voneinander
unterscheiden. Im Vergleich zu 64 QAM kann 256 QAM zudem
nur 33 Prozent zusätzlich übertragen - nämlich 8 statt 6 Bit pro Symbol.
Am Zellenrand, wo die Nachbarzellen meist stark stören, ist man in der Praxis schon froh, wenn 16 QAM (4 Bit/Hz) eingesetzt werden kann, und nicht gar auf 4 QAM (auch als QPSK oder 4-PSK bezeichnet) zurückgeschaltet werden muss. Letztere überträgt lediglich 2 Bit/Hz.
Das mit n-QAM kodierte Rohsignal muss aber noch auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert werden. Letzteres ist die bekannte Sendefrequenz von z. B. 700/800/900/1800/2100/2600/3600 MHz. Hierbei gibt es das Problem, dass die Folge der QAM-Symbole aufgrund der harten Übergänge zwischen den Symbolen auch Frequenzanteile enthält, die höher sind als die Symbolrate. Diese stören, auf den Träger aufmoduliert, jeweils die Nachbarbänder.
Wenn Gauß das wüsste
Bei GSM hatte man noch ein Verfahren - Gaussian Minimum Shift Keying, kurz GMSK - eingesetzt, das diese Störungen jenseits des Kanals minimiert. Bei 3G/UMTS wurde auf die Gauß-Filter zugunsten eines einfacheren Aufbaus des Funksystems verzichtet. Die Folge sind stärkere Störungen in den Seitenbändern.
Bei UMTS wurden dabei die Störungen in benachbarte Bänder zumindest dadurch etwas reduziert, dass die Chip-Rate mit 3,84 MHz deutlich unter der Kanalbandbreite von 5 MHz liegt. So wurde zwar der Aufbau der Sender einfacher, aber auch signifikant Bandbreite verschwendet.
LTE/4G/5G: Signal wird mit zahlreichen Subcarriern übertragen
LTE/4G und NR/5G verwenden den Trick, das Sendeband in viele schmalere Unterbänder zu zerlegen und die Aufmodulation des Nutzsignals auf das Trägersignal in allen Unterbändern so abzustimmen, dass die Störungen des einen Bandes nicht die Dekodierung des Nachbarbandes beeinflussen.
Dieser Orthogonal Frequency Division Multiplex (kurz OFDM) funktioniert jedoch nur, wenn alle Subträger perfekt aufeinander abgestimmt sind und auch mit der gleichen Charakteristik vom Sender zum Empfänger übertragen werden.
Ist das Reflexionsverhalten von Bauteilen zum Beispiel (leicht) frequenzabhängig, oder sendet eine benachbarte Basisstation auf benachbarten Kanälen, dann kommt es doch zu Störungen.
Schon wegen der oben genannten Narrowband-Anforderung wird beim 5G-Standard das Signal wie LTE/4G mit zahlreichen Subcarriern übertragen werden.
Ein Handy im Standby oder ein Low-Power-Endgerät wird dann nur einen dieser Subcarrier empfangen, während ein Smartphone für einen dicken Download natürlich zahlreiche Subcarrier aktivieren wird. Um aber die gegenseitigen Störungen zu reduzieren und so die Kanalqualität und damit die mögliche Zahl an übertragenen Bits zu verbessern, sehen mehrere der für 5G vorgeschlagenen Modulationsverfahren wieder Filter vor, ähnlich dem GMSK-Filter von GSM.
Der meiste zusätzliche Aufwand für die Filter entsteht übrigens auf Empfängerseite: Je genauer das Signal im Sender auf die vorgegebene Bandbreite limitiert wird, desto stärker verschmieren die Bits auf der Zeitachse. Damit steigt der Aufwand, diese sauber voneinander zu trennen. Dennoch überwiegen die Vorteile der Filterung. Weniger Störung von Nachbarbändern bedeutet nun mal, dass in allen Bändern das Signal sauberer wird.
Nur: Große Sprünge bei der übertragenen Bandbreite werden auch mit den wiedereingeführten Filtern nicht möglich sein. Der positiven Wirkung der geringeren Störungen in die Nachbarbänder stehen die schnell weiter steigende Zahl an Endgeräten und die immer dichter stehenden Basisstationen gegenüber, sodass die Zahl der Störungen innerhalb eines Bandes zunimmt.
Senden und Empfangen gleichzeitig!?
Eine andere Möglichkeit zur Steigerung der effektiven Bandbreite zeigte Kumu Networks schon 2015 auf dem Mobile World Congress am Stand der spanischen Telefónica:
Full Duplex, also das gleichzeitige Senden und Empfangen auf ein- und derselben Frequenz. In kabelgebundenen Medien, allen voran dem bekannten Ethernet, ist die Full-Duplex-Übertragung bereits Standard. Für Funkmedien ist sie aber noch neu und technisch eine enorme Herausforderung.
So ist bei kabelgebundener Übertragung über kurze Entfernungen das Sendesignal 1 bis 3 Größenordnungen (entsprechend einem Faktor 10 bis 1000) stärker als das Empfangssignal. Bei Funkübertragung mit typischen Abständen zwischen Handy und Basisstation beträgt die Stärke des von der Gegenstelle empfangenen Signals hingegen oft nur ein Milliardstel des ausgesendeten Signals! Entsprechend schwieriger ist die Trennung der beiden Kanäle.
Zwar arbeiten in 4G-Netzen beim hierzulande üblichen FDD (frequency division duplex) schon derzeit Sender und Empfänger gleichzeitig, aber auf unterschiedlichen Frequenzen.
Durch die Differenz von beispielsweise 190 MHz (bei UMTS 2100) oder 59 MHz (bei LTE 800) zwischen Uplink- und Downlink-Frequenz können Basisstation und Smartphone jeweils das eigene Signal sicher vom Signal der Gegenstelle trennen. Aber genau dieses Verfahren ist bei einer Full-Duplex-Übertragung nicht mehr anwendbar.
Probleme und Lösungen der Full-Duplex-Übertragung
Um bei einer Full-Duplex-Übertragung das eigene und das fremde Signal sauber zu trennen, ist es nötig, alle Rückkopplungen des eigenen Signals zu ermitteln und vom empfangenen Signal abzuziehen. Das betrifft nicht nur die Rückkopplung direkt an der Antenne, auch, wenn diese energetisch mit Abstand am höchsten ist.
Denn genauso, wie wir an geeigneten Orten ein Echo unserer eigenen Sprache hören können, empfängt das Smartphone auch zahlreiche Echos seiner eigenen Aussendungen. Dabei sind Echos von planen Objekten, die sich näher befinden, als etwa der halbe Abstand zwischen Basisstation und Smartphone, stärker als das erwünschte Signal des Gegenübers, denn der Gesamtweg Smartphone -> Echoobjekt -> Smartphone ist dann kürzer als der Weg Basisstation -> Smartphone.
Sind die reflektierenden Objekte geeignet gewölbt, in der Form eines Hohlspiegels, und passend ausgerichtet, können die von diesen zurückgeworfenen Echos des eigenen Signals im Einzelfall selbst dann das direkte Signal der Gegenstelle übertönen, wenn sie deutlich weiter entfernt sind als diese.
Da sich die Echolandschaft laufend und schnell ändert, beispielsweise durch Körperbewegungen des Smartphone-Nutzers, durch die Veränderung der Smartphone-Ausrichtung oder durch die Bewegung von Fahrzeugen (entweder mit dem Smartphone oder auf einer in der Nähe laufenden Straße), muss die Echo-Signatur laufend neu ermittelt werden. Allein die dafür nötigen Berechnungen hätten vor einem Jahrzehnt noch die Leistung eines Supercomputers benötigt.
Hinzu kommt, dass die Voll-Duplex-Übertragung nur dann eine deutliche Steigerung der Kanalkapazität bewirkt, wenn Up- und Downstream ähnlich hohe Bitraten haben. Wenn die Bitraten hingegen deutlich unterschiedlich sind, reicht bereits der Wechsel von FDD (wo für Up- und Downlink getrennte Frequenzbänder reserviert werden) zu TDD (wo ein Frequenzband im zeitlichen Wechsel gleichermaßen für Up- und Downlink verwendet wird), um den Uplink-Kanal und die dafür benötigte Bandbreite einzusparen.
In einem Szenario mit vielen, nah zueinander befindlichen Endgeräten dürfte das Full-Duplex-Verfahren zudem komplett scheitern. Es ist daher eine spannende Technologie-Option für Punkt-zu-Punkt-Funkstrecken mit symmetrischem Datenverkehr, aber wahrscheinlich nichts für den allgemeinen Mobilfunk.
Ok, Full Duplex bringts nicht.
Polarisierung: Links- und Rechtsdrehend
Einen weiteren Trick zur Steigerung der Kanalkapazität kennt man aus dem 3D-Kino oder vom heimischen 3D-Fernseher: die Polarisation. Die beiden Gläser einer 3D-Brille lassen jeweils nur rechtsdrehendes bzw. linksdrehendes Licht durch. Der Projektor kann so zwei Filmsequenzen gleichzeitig via Leinwand zum Benutzer übertragen - einmal den Film aus der Perspektive des rechten Auges und einmal aus der Perspektive des linken.
Dieselbe Kanalsteigerung um den Faktor 2 ist auch bei Funksystemen verwendbar. Beim Satelliten-TV ist sie bereits Standard, die Kanäle sind entweder horizontal oder vertikal polarisiert. Zwar haben H- und V-Kanäle unterschiedliche Mittenfrequenzen, die Kanäle sind jedoch so breit, dass sich benachbarte H- und V-Kanäle überlappen. Die zur Verfügung stehende Gesamtbandbreite wird dadurch bei Satellitensystemen (in etwa) verdoppelt.
Ein "mobiles" 5G-Endgerät, Stand Anfang 2016
Bild: teltarif.de
Im Mobilfunk ist die Nutzung der Polarisation aber ungleich
schwieriger. Anders als Satellitenantennen sind Smartphones nicht
ortsfest. Ein Schwenk um 90 Grad, und die Bedeutung von
"horizontal" und "vertikal" vertauscht sich genau.
Schlimmer noch, ein Schwenk um 45 Grad bewirkt, dass die Horizontal- und die Vertikal-Antenne jeweils das horizontal und das vertikal ausgesendete Signal genau gleich stark empfangen - das lässt sich dann, anders als beim 90-Grad-Schwenk, auch mit der Auswerteelektronik nicht mehr auseinander sortieren.
Das Problem mit dem Handy-Schwenk
Verwendet man nicht ein horizontal und ein vertikal polarisiertes Signal, sondern wie im Kino zwei zirkular polarisierte Signale, nämlich linksdrehend und rechtsdrehend, umgeht man das Problem mit dem Handy-Schwenk: Egal, wie stark man das Handy dreht, linkszirkular bleibt linkszirkular und rechtszirkular bleibt rechtszirkular.
Nur: Bei Reflexionen an Wänden oder beliebigen anderen Oberflächen wird aus links- dann rechtsdrehend und umgekehrt. Und viele Smartphones im "Funkschatten" einer Basisstation sind überhaupt nur über Ausbreitungswege erreichbar, die eine oder mehrere Reflexionen enthalten.
Im Worst Case kommen zwei Signale mit reflexionsbedingt unterschiedlicher Drehrichtung gleich stark beim Empfänger an. Ein doppelt reflektiertes linksdrehendes Signal und ein dreifach reflektiertes rechtsdrehendes Signal ergeben beim Empfänger dann zusammen ein linear polarisiertes Signal.
Dessen Schwingungsrichtung kann horizontal, vertikal oder ein beliebiger Winkel dazwischen sein. Wenn sich durch Bewegung des Smartphones das Verhältnis der Weglängen des doppelt und dreifach polarisierten Signals ändert, dann rotiert die Polarisationsebene.
Lange Rede, kurzer Sinn: Auch, wenn einige wenige Aussteller auf dem Mobile World Congress die Nutzung der Polarisation als mögliche weitere Maßnahme zur Kapazitätssteigerung nannten, ging das 5G White Paper der NGMN mit keiner Silbe darauf ein. Wahrscheinlich zu Recht!
Gerade dort, wo die Empfangssituation derzeit schon schwierig ist, dürften auch mit Nutzung der Polarisation keine zusätzlichen Bits ankommen.
Fazit: Die umfassende Mobilisierung und Flexibilisierung
Einige Aussteller des Mobile World Congress waren sich schon 2016 sicher: Die 5G-Technologie wird so flexibel, dass sie 4G/LTE und 2G/GSM (nicht jedoch 3G) mit enthält, die Zauberformel lautet "Single RAN". Man kann eine 5G-Basisstation so konfigurieren, dass sie 5G-kompatibel mit LTE- oder GSM-Handys kommuniziert. 5G wird Anwendungen abdecken, die von unter dem, was derzeit mit GSM möglich ist, bis weit über das reichen, was 4G/LTE entspricht. "Unter GSM" bedeutet insbesondere niedrige Bitraten und einen niedrigen Energieverbrauch, aber auch nur niedrige nötige Feldstärken am Ort des Modems, und "über LTE" bedeutet besonders hohe Bitraten und kurze Ping-Zeiten.
5G NB-IoT, Massive MIMO
Einige der neuen Funktionen von 5G, vorwiegend Massive MIMO und NB-IoT, sind bereits in 4G implementiert. Insbesondere auf den derzeit mit 4G benutzten Frequenzen bei 700, 800, 1800 und 2600 MHz ist ein Mischbetrieb von 4G und 5G möglich (5G DSS), indem Parametersätze (etwa Kanalbandbreite und Frame-Länge) verwendet werden, die mit einem 4G-Betrieb kompatibel sind. Auf den neuen "reinen" 5G-Frequenzen zunächst bei 3,6 GHz werden hingegen auf 5G optimierte Parameter verwendet werden, vornehmlich kürzere Frame-Längen für kürzere Ping-Zeiten und höhere Bandbreiten für höhere Maximalbitraten.
Übergang von 4G auf 5G ohne harten Schnitt
Das Reno 5G von Oppo, eines der ersten 5G-fähigen Handys.
Foto: Swisscom
Anders als beim Wechsel von 3G zu 4G gibt es beim Übergang von 4G zu 5G keinen harten Schnitt, wenn man von der offiziell verkündeten kompletten Abschaltung der 3G-Technologie (UMTS) im Jahr 2021 absieht.
NSA - ihr seid nicht alleine
5G verwendet ein neues Modulationsverfahren, um die Signale (Sprache, Daten) über den Funkkanal zu transportieren. Es wird "NR" (= New Radio) genannt. Dabei werden neue noch effizientere Modulationsverfahren verwendet. Im Hintergrund ist aber noch ein 4G-Kern-Netzwerk (Core) notwendig und deshalb wird das auch als "Non-Stand-Alone" (NSA) bezeichnet. Das erleichtert den Übergang. Der künftige Netz-Grundausbau wird weiter aus 4G (LTE) bestehen, was dann in "Hotspots" (wo viel Kapazität oder Bandbreite oder kurze Latenzen gebraucht werden) um 5G erweitert wird.
Zunächst wird 5G-NR nur im Downstream eingesetzt. Zur Steuerung und zum Upload der Daten oder zum Abtransport dahinter ins Netz bleibt vorerst noch 4G (LTE) im Spiel. Nach NSA folgt als nächste Stufe "Stand Alone" oder kurz SA. Bei 5G-SA braucht die Anlage keine 4G-Unterstützung mehr. 5G-SA gibt es schon, im Augenblick aber überwiegend in sogenannten Campus-Netzen, das sind abgeschlossene "private" Netze für Firmen, Forschungsunternehmen oder die Landwirtschaft. Es ist aber jetzt schon absehbar, dass 5G-SA auch in öffentlich nutzbaren Netzen zum Einsatz kommen wird. Erst mit 5G-SA können alle Vorteile von 5G richtig ausgenutzt werden.
5G flächendeckend?
In der politischen Diskussion wird 5G gerne mit flächendeckender Netzversorgung (bis zu letzten "Milchkanne") verwechselt. Auf den dafür anfangs gedachten Frequenzen bei 3,6 GHz wäre das logistisch und wirtschaftlich kaum möglich. Diese Frequenzen, und künftige noch weiter oberhalb, haben eine viel zu geringe Signal-Reichweite. Es müssten - grob geschätzt - rund 800.000 Basisstationen aufgebaut werden, aktuell sind es so um die 40 000 (alle Netzanbieter in Deutschland zusammen).
Der Trick mit 5G DSS
Ein aktuelles 5G-Flaggschiff: das Samsung Galaxy S20 Ultra
TechInsights
Also sagten sich die Techniker, man müsste doch 5G auch auf niedrigeren Frequenzen machen können. Es wurde eine Bestandsaufnahme gemacht und festgestellt, dass man auf ältere Technologien verzichten könnte.
In einigen Ländern hat man die 2G-Technologie abgestellt, in Deutschland hat man sich für die Abschaltung von 3G entschieden, als Termin wurde Mitte/Ende 2021 bekannt gegeben.
3G fand hierzulande ausschließlich auf 2,1 GHz statt. Diese Frequenz wird seit einiger Zeit auch für LTE/4G und jetzt auch für 5G genutzt. Das Geheimnis lautet Dynamic Spectrum Sharing (DSS). Man verwendet die Frequenzen scheinbar gleichzeitig (eher abwechselnd) für 4G und 5G.
5G-NSA oder 5G-SA?
Solange 5G noch auf 4G aufsetzt (NSA) nimmt man eine "Ankerzelle" im 4G-Band und verknüpft sie mit einem 5G-Sender in einem anderen Band, z. B. bei 2,1 GHz. Aber auch 2,1 GHz hat nicht die ideale Reichweite. Je tiefer die Frequenz, desto besser die Reichweite. In Deutschland wurde 700 MHz den Fernsehmachern abgeknöpft und als "Digitale Dividende II" dem Mobilfunk zugeschlagen. Also wird 700 MHz jetzt teilweise für 5G verwendet. In den USA funkt man sogar schon auf 600 MHz.
5G-SA
Wo 5G schon "alleine" arbeiten kann, spricht man von "Standalone" abgekürzt "SA" oder 5G-SA oder aus Marketing-Gründen auch "5G+" oder "5G-Plus" genannt. Da der 5G-Teilen "alleine" funken kann, sind theoretisch kürzere Ping zeigen möglich. Die Datenraten sind im Augenblick eher geringer, da bei 5G-NSA verschiedene Träger ("Carrier") "zusammengeleimt" werden und so hohe Bandbreiten erlauben. In einem weiteren Schritt können 5G-Carrier aggregiert (zusammengefügt) werden und dann werden auch hier die Geschwindigkeiten steigen. Das setzt aber voraus, dass am Standort des Kunden alle Frequenzbänder zur Verfügung stehen, insbesondere die Frequenz 3600 MHz (Band "n78") hat eine sehr geringe Reichweite. Weitere Frequenzen könnten um 2030 bei 6 GHz dazu kommen, dazu müssen noch die regionalen, nationalen Genehmigungen erteilt werden und die Gerätehersteller müssen passende Endgeräte bauen.
Aktuell bieten noch nicht alle Netzbetreiber 5G-SA. Angefangen hatte Vodafone unter dem Begriff "5G+", allerdings sind nicht alle Stationen umgerüstet. Der Kunde muss die Option in seinem Kundentool (z.B. Mein Vodafone App) buchen. Auch o2-Kunden können diese Funktion derzeit ohne Mehrkosten buchen. Wer sich für 5G-SA interessiert, braucht möglicherweise eine neue SIM-Karte (SUCI-SIM). Außerdem unterstützen nicht alle 5G-fähigen Endgeräte auch 5G-SA oder nur auf bestimmten Frequenzen (z.B. Apple im Netz von Vodafone, bei o2 derzeit noch gar nicht.)
Die Telekom plant 5G-SA in der zweiten Jahreshälfte 2024 freizugeben.
5G-Netzausbau schneller als gedacht
Durch diese Tricks konnten bereits weite Flächen von Deutschland mit 5G ausgeleuchtet werden. Allen voran die Deutsche Telekom, gefolgt von Vodafone und o2, die erst ein Jahr nach den Mitbewerbern mit 5G angefangen haben.
Der vierte Netzbetreiber 1&1-Mobilfunk (vormals 1&1-Drillisch) pokerte lange, ob er außerhalb von Ballungsgebieten viel günstiger als "Untermieter" bei Telekom, Vodafone oder o2 mitfunken darf. Kosten soll es aber möglichst wenig. Aufgrund der EU-Auflagen hatte 1&1 ein "günstiges" Roaming-Abkommen mit o2-Telefónica, das aber zunächst nur die Nutzung von 2G und 4G beinhaltete. Nachdem 1&1 relativ überraschend ein neues Roaming-Abkommen mit Vodafone (inklusive der Nutzung von 5G) abgeschlossen hatte, zog o2-Telefónica mit der Freigabe von 5G nach. Das o2-Roaming wird allerdings Ende 2025 auslaufen.
1&1 setzt im eigenen Netz von vorneherein auf die Open-RAN-Technologie, die viel Software aus den proprietären Baugruppen eines Herstellers in Form von frei zugänglicher Software auf Standardprozessoren (z.B. X86) umsetzt und somit einen einfacheren Wechsel von Herstellern bzw. Lieferanten erlaubt. Gleich wohl stößt 1&1 auf wenig Gegenliebe.
Die bereits etablierten Netzbetreiber sehen nicht ein, dass ihre hohen Netzinvestitionen "entwertet" werden, weil ein preisaggressiver Anbieter, der dann auch noch mit nationalem Roaming bundesweit nutzbar wäre, für viele Kunden wesentlich attraktiver sein könnte. Die Folge: Noch mehr preissensible Kunden würden den teureren Anbieter verlassen, dem dann das Geld zum Netzausbau fehlen könnte. Die weitere Folge: Insgesamt schlechteres oder an vielen Stellen weiter kein Netz. Unbeschadet davon hat 1&1 im Dezember 2023 (nach einem Vorstart im Dezember 2022) sein eigenes Mobilfunknetz gestartet.
Das Problem mit den "5G-fähigen" Handys
Das iPhone 12 ist das erste 5G-fähige Modell von Apple, das auf einen Qualcomm-Chip setzt. Mit 5G-DSS fremdelt das iPhone noch ein wenig.
Foto: Apple Inc.
Zu Anfang konnten 5G-fähige Handys nur den Frequenzbereich zwischen 3,4 bis 3,8 GHz, der Fachmann spricht vom Band n77/n78. Doch diese Stationen stehen überwiegend nur in Großstädten. Neuere Handy-Modelle kommen auch mit niedrigeren Frequenzen klar. Doch dabei gibt es wieder Tücken: Liegen Ankerzellenfrequenz und 5G-Frequenz zu "nahe" beieinander, kommen verschiedene Handys damit nicht so richtig klar.
Auch die iPhone-Modelle von Apple wie iPhone 12 bis 15 oder die Oberklasse von Samsung Galaxy (aktuell Galaxy S24) haben oder hatten Probleme. Die Kombination von Band "B20" (800 MHz) mit Band "n28" (700 MHz) funktioniert bei Apple nach wie vor nicht (bei Samsung inzwischen schon). Eine Lösung kann sein, dass die Netzbetreiber an jeder Station möglichst viele verschiedene Frequenzkombinationen anbieten, damit für möglichst jedes Handy eine übrig bleibt.
5G auf niedrigen Frequenzen ist langsam
Wer sich stolz ein 5G-fähiges Handy kauft und dann den ersten Speedtest startet, wird zunächst enttäuscht sein. Statt Höchstgeschwindigkeiten im Gigabit-Bereich ist 5G hier nur unwesentlich schneller als 4G (LTE) oder in Einzelfällen sogar langsamer. Man kann die Physik kaum austricksen: Wenn es schneller werden soll, braucht man mehr Bandbreite, und die gibt es nur auf höheren Frequenzen oder durch Frequenzkombinationen, sprich Carrier Aggregation. Und mit viel, viel mehr Sendestationen als heute.
5G wird sich durchsetzen, 6G vor der Tür
Gleichwohl geht die 5G-Entwicklung mit Riesenschritten weiter. Fast täglich kommen neue Geräte in den Handel und stellen Chip-Hersteller ihre neuen Baugruppen und Chipsätze vor. Und in den Forschungslaboren und Normierungsgremien wird längst über Details des kommenden Standards 6G nachgedacht und geforscht.
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