Die 5G – Evolution

Kommentieren Drucken

5G ist eine transformative Technologie mit weitreichender Bedeutung für ein großes Spektrum von Anwendungsbereichen. Man kann durchaus sagen, dass nicht nur Menschen, sondern auch alle Geräte, bei denen das sinnvoll ist, eine aufgabenorientierte Mobilfunkanbindung bekommen werden.

Diese Dimension der drahtlosen Kommunikation ist neu und erschließt bislang kaum realisierbare Anwendungsfelder. Die quantitative Leistungssteigerung um den Faktor 1000 und die mögliche Versorgung von Milliarden menschlichen und maschinellen Teilnehmern wird wirkungsvoll durch qualitative Verbesserungen in Reaktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit unterstützt. Marktforschungsunternehmen sagen enorme Wertschöpfungsmöglichkeiten voraus. Die Entwicklung ist schon weiter vorangekommen, als viele denken. In diesem Teil betrachten wir die Entwicklung der Mobilfunktechnologie, den Standardisierungsprozess, Anwendungsbereiche und das 5G Ökosystem.

Die Technik von 5G ist nicht völlig neu, sondern das Ergebnis einer stetigen Weiterentwicklung der Mobilfunktechnologie mit den Generationen LTE, LTE Advanced und LTE Advanced Pro.

Natürlich ist 5G aus der Sicht eines normalen Verbrauchers eine schöne neue Mobilfunkgeneration mit wiederum verbesserter Sprachqualität und noch schnelleren Möglichkeiten zur Datenübertragung, die z.B. zu noch intensiveren Video-Erlebnissen in UHD führen und neue Anwendungen in AR und VR unterstützen. Betrachtet man das allerdings nur aus dieser Perspektive, sieht man lediglich die Spitze des Eisbergs. Wesentlich an 5G sind die völlig neuen Möglichkeiten zur Unterstützung der M2M-Kommunikation und der für kommerzielle Funknetze noch nie da gewesene Grad an Realzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit bei missionskritischen Anwendungen wie z.B. autonomen Fahrzeugen. In einem anderen Teil der Reihe werden wir die Techniken für 5G näher beleuchten. Eigentlich noch spannender sind aber die Möglichkeiten und die aktuelle Entwicklung, auch in der Standardisierung. Ohne diese zusätzlichen Möglichkeiten wäre 5G nicht dazu geeignet den neuen Herausforderungen der IT wirkungsvoll entgegen zu treten. (siehe Bild 1)

Bevor wir uns diesen Themen zuwenden, gehen wir der Frage nach, wie revolutionär 5G tatsächlich sein wird.

1. 5G als transformative General Purpose Technologie

Die Druckerpresse, die Dampfmaschine, die Beherrschung der Elektrizität, Telefon und das Internet sind Entdeckungen oder Erfindungen, die jeweils eine Reihe sozioökonomischer Bewegungen ausgelöst haben. Es sind „General Purpose Technologien“, eben Entwicklungen, die man letztlich für sehr viele sehr unterschiedliche Zwecke nutzen kann. GPTs sind häufig Katalysatoren für transformative Änderungen, die Arbeitsprozesse neu definieren und die Regeln für Wettbewerbsvorteile ändern. Die Effekte, die von solchen Innovationen ausgehen, können einen extremen Bereich abdecken, von positiven Einflüssen auf die Produktivität von Menschen und Maschinen oder zur Förderung besserer Lebensumstände für die gesamte Weltbevölkerung bis hin zu hinlänglich bekannten negativen Einflüssen wie z.B. Arbeitslosigkeit oder Umweltverschmutzung. Gutenberg entwickelte 1440 die Druckerpresse. Zuvor konnten Bücher nur abgeschrieben werden. Erst die Massen-Herstellung von Büchern konnte politische und religiöse Ideen durch Europa verbreiten. Vor der Erfindung der Dampfmaschine mussten Fabriken in die Nähe von Flüssen gebaut werden, um an Energie für die durch Wasserkraft betriebenen Maschinen zu kommen. Mit der Dampfmaschine mussten die Maschinen für die Fabrikation um ein System von Transmissionsgurten angeordnet werden. Erst die Erfindung der Elektrizität erlaubte es, die Maschinen mit eigenen Netzteilen auszustatten und deutlich günstiger anzuordnen. Dadurch wurde die automatisierte Herstellung weltweit revolutioniert. Vor der Erfindung des Telegraphen 1880 konnten Nachrichten nur so schnell befördert werden, wie ein Mensch mit ihnen reisen konnte. Der Telegraph eliminierte praktisch die Zeitbeschränkungen bei der Fernkommunikation und bildete die Basis für die heutigen modernen Kommunikations-Infrastrukturen. Weitere GPTs sind Eisenbahn, Auto und Internet.

Warum kann ausgerechnet 5G zu einer solch bedeutenden transformativen Technologie werden? Die Bild 2 fasst das gut zusammen. In den letzten 30 Jahren hat man eigentlich primär daran gearbeitet, Menschen untereinander zu verbinden. Diese Verbindungen wurden immer komfortabler, besser und letztlich auch billiger. Das Smartphone (genau genommen das iPhone) war dann die bahnbrechende Erfindung, die die Menschen nicht nur untereinander, sondern auf komfortable Weise auch mit digitalen Dienstleistungen verbunden hat. Die Benutzer-zentrierte Kommunikation war geboren. Das kann man jetzt substantiell auch nicht mehr wesentlich verbessern. Mittlerweile hat sich aber das IoT entwickelt. Und das ist nicht nur ein Konzept für die Verbindung hochwertiger und komplexer Maschinen in entfernten Fabriken untereinander, sondern vielmehr auch ein Konzept für Dutzende Helferlein im täglichen Leben, es werden täglich mehr. Dadurch entsteht sozusagen um jeden Menschen herum eine Umgebung von sehr unterschiedlichen Geräten vom Wärmezähler bis zum autonomen Fahrzeug. Die Herausforderung ist es, Menschen systematisch mit ihren Umgebungen zu verbinden. Dabei ist aber eines definitiv notwendig:

  • ein Spektrum unterschiedlicher Verbindungsklassen in Quantität und Qualität

Das wird sofort klar, wenn man z.B. die Anforderungen des Streamens von Musikstücken mit der Kommunikation eines autonomen Fahrzeugs mit seiner Umgebung vergleicht.

Und genau das wird 5G bieten!

Auch viele Analytiker sehen in 5G das Potential, ebenfalls zu einer GPT mit weitreichender Wirkung zu werden. Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsfällen, die die Produktivität betreffen und die wirtschaftliche Aktivität in einem breiten Bereich industrieller Sektoren erhöhen werden. 5G wird die bisherige Mobilfunk-Technologie kontinuierlich deutlich erweitern und stärken. Bestimmte Analysen gehen davon aus, dass dies zu einem substantiellen wirtschaftlichen Wachstum auf der ganzen Welt führen kann. Auch wenn 5G noch einige Jahre benötigen wird, um sich völlig zu entfalten, darf man nicht übersehen, dass es bereits heute kommerzielle Anwendungen im Testbetrieb gibt, die schon vor 2020 zu deutlich positiven Ergebnissen führen werden.

Es gibt eine Reihe von Prognosen führender Marktforschungsinstitute, was die Aussichten von 5G betrifft. Spannend sind eigentlich nicht die Zahlen an sich, sondern die erhebliche Größenordnung und natürlich die Frage, wie diese Prognosen erreicht werden können bzw. mit welchen Anwendungen und Technologien das geschehen soll. Bevor wir uns das genauer ansehen, blicken wir einmal auf einen Satz Prognosen, als Beispiel von IHS:

In 2035 wird 5G 12,3 Mrd US$ globalen wirtschaftlichen Output unterstützen. Das ist in etwa äquivalent zu den Konsumausgaben der US-Amerikaner in 2016 und mehr als die Konsumausgaben von China, Japan, Deutschland, UK und Frankreich in 2016 zusammen.

Die globale 5G Wertschöpfungskette wird 3,5 Trillionen (Billiarden) US$ in 2035 generieren und dabei 22 Millionen Jobs schaffen. Das ist mehr als der Wert der gesamten mobilen Wertschöpfungskette bis heute und ungefähr der kombinierte Umsatz der Top 13 der 2016 Fortune Global 1000, zu denen z.B. Walmart, China National Petroleum, Royal Dutch Shell, Exxon Mobile, VW, Toyota, Apple, Berkshire Hathaway und Samsung gehören.

Die 5G Wertschöpfungskette investiert durchschnittlich jährlich 200 Mrd. US$ um die technologische Basis im Rahmen der Infrastruktur für Netzwerk- und Business- Anwendungen technisch auszuweiten und zu stärken.

Schließlich wird 5G für ein lang anhaltendes Wachstum des globalen Brutto-Sozialprodukts sorgen. Der Gesamt-Betrag zum globalen GDP wird äquivalent zu dem einer Volkswirtschaft z.B. der Größe Indiens sein.

Bei diesen Prognosen fällt natürlich auf, dass der Zeitraum, in dem sich dies alles entwickeln soll, mit fast 20 Jahren sehr lang ist. Natürlich sind durch die Länge viele Aussagen mit erheblichen Unsicherheiten belegt, die sich in sehr unterschiedlicher Weise über die Zeit abhängig von den Randbedingungen manifestieren können. Andererseits gibt es mit derart langlaufenden Prognosen auch ganz positive Erfahrungen. Selbst „wüste“ Prognosen, die etwa 1990 hinsichtlich des Internet-Handels für 2010 gemacht wurden, wurden von der Realität massiv in den Schatten gestellt. Begünstigend war hier u.a. die fulminante Entwicklung der Smartphones, die 1990 beim besten Willen nicht abzusehen war.

Es liegt auch kaum ein Sinn darin, diese Prognosen und ihr Eintreffen wie ein Buchhalter penibel zu verfolgen und in eine Kladde einzutragen.

Vielmehr ist es spannend, sich anzusehen:

  • welche Technologien, Geschäftsideen und Leistungsangebote in naher und fernerer Zukunft tatsächlich zu dem genannten Wachstum beitragen können
  • welche technischen Voraussetzungen dafür erfüllt sein müssen
  • welche besondere Rolle speziell 5G-Technologie hierbei spielt und was vielleicht auch schon mit einer erweiterten LTE-Technologie zu erreichen sein wird
  • welche Phasen der 5G Entwicklung es geben wird und wie sie sich im Einzelnen auswirken

2. Nutzungsarten für 5G, erster Überblick

Man kann drei grundsätzliche Arten der Nutzung von 5G identifizieren, die letztlich dazu beitragen werden, dass 5G zu einer GPT wird:

Enhanced Mobile Broadband EMBB. Zwei wesentliche Eigenschaften von EMBB werden die Akzeptanz von 5G und seine Nutzung erheblich voranbringen. Zum einen wird die zellulare Funkabdeckung in einen breiteren Bereich von Gebäuden ausgedehnt, wie z.B. Bürogebäude, Industrieanlagen, Shopping Malls und größere Tagungsorte. Diese werden heute, wenn überhaupt recht umständlich und teuer mit Staffeln von WLANs oder Repeatern für Mobilfunk erschlossen. Je ausgedehnter ein Gebäude und je rigider seine innere Struktur ist, desto problematischer wird die Mobilversorgung heute. Die andere wesentliche Möglichkeit ist die Versorgung einer signifikant größeren Anzahl von Endgeräten mit hohen Datenvolumen. Diese Verbesserungen im Netzwerk ermöglichen eine deutlich effizientere Datenübertragung mit geringeren Kosten pro übertragenem Bit und sind somit eine deutliche Triebkraft für die Steigerung der Nutzung von Breitbandanwendungen in mobilen Netzen.

Massives Internet of Things (MIoT). 5G setzt auf früheren Investitionen in die Machine-to-Machine-Kommunikation und IoT-Anwendungen auf, um signifikante Fortschritte in der Economy of Scale zu erzielen, die Akzeptanz und Nutzung über alle Sektoren hinweg verbessert. Die wesentlich verbesserte Energie Effizienz (Akku-Laufzeit) von 5G, die Möglichkeit, in lizensierten und lizenzfreien Bereichen arbeiten zu können und die Fähigkeit, dichtere und flexiblere Abdeckungen zu erreichen wird die Kosten für MIoT-Anwendungen deutlich senken. Das wird wiederum den Maßstab, in dem MIoT verwendet werden kann, verändern und die Akzeptanz mobiler Technologien für MIoT deutlich erhöhen. (siehe Bild 3)

Mission Critical Services (MCS). MCS eröffnet neue Märkte für die Mobiltechnologie. Dieser signifikante Wachstumsbereich für 5G wird Anwendungen unterstützen, die hohe Zuverlässigkeit und Konnektivität mit sehr geringer Latenz, starker Sicherheit und Hochverfügbarkeit benötigen. Dies erlaubt es, ultra-zuverlässige drahtlose Verbindungen aufzusetzen, wie man sie für Anwendungen wie autonome Fahrzeuge oder Fernsteuerung komplexer Automations-Geräte benötigt, für die Fehler oder Ausfall keine Option sind. Ein oberflächlicher Blick auf die Bild 4 zeigt sofort, dass die heutige Mobilfunktechnologie auch nicht annähernd in der Lage ist, Anforderungen, wie sie sich z.B. im Zusammenhang mit autonomen Fahrzeugen oder Telemedizin ergeben, zu erfüllen.

5G wird Mobilfunk zu einer GPT machen.

Nach einer Initialphase erreicht eine GPT einen kritischen Adaptionspunkt, der zu transformativen, oftmals disruptiven Änderungen in Industrien und ganzen Volkswirtschaften führt. Es gibt verschiedene Gemeinsamkeiten bei GPTs, primär die Anwendbarkeit auf viele (unterschiedliche) Industrien, die kontinuierliche Verbesserung über die Zeit und die Fähigkeit, neue Innovationen zu ermöglichen. GPTs führen zu vielen und nachhaltigen Einflüssen über einen breiten Bereich von Industrien, die häufig die Wettbewerbsfähigkeit neu definieren und Gesellschaften umformen. Führende Marktforscher nehmen an, dass 5G das Zeug dazu hat, zu einer GTP zu werden, wenn die Mobilkommunikation tief in Geräte, Maschinen und Prozesse eingebettet sein wird.

3. Die Entwicklung der Mobilfunktechnologie

Die digitale Mobiltechnologie hat sich in den letzten Jahrzehnten deutlich verbessert und verbindet heute nicht nur Personen untereinander, sondern auch Menschen sowohl im privaten als auch beruflichen Bereich mit ihrem digitalen Umfeld. Dies ist nicht nur in Industriestaaten zu spüren. In längst nicht allen Ländern der Erde sind so viele Lichtjahre an Kabeln verlegt wie z.B. in Deutschland. Viele Gebiete in Entwicklungsländern oder aufstrebenden Volkswirtschaften können erst mit Mobiltechnologie sinnvoll erschlossen werden und den Menschen grundsätzliche, für uns längst selbstverständliche Dienste wie z.B. Electronic Banking oder schlicht Internet-Zugang bringen. Im Laufe der Entwicklung konnten die Datenraten deutlich gesteigert und damit neue Dienste wie VoD implementiert werden. Dies ist aber längst noch nicht das Ende der Fahnenstange. Heutige M2M und IoT-Technologien sind für spezielle Anwendungen wie z.B. die Steuerung der Beleuchtung in einer Stadt geschrieben. Sie wurden mit bestehenden Technologien in all ihren Grenzen implementiert. Möchte man aber z.B. von einer nett beleuchteten Stadt zu einer Smart City kommen, die z.B. auch autonomen Fahrzeugen hinreichende Daten schnell genug anbietet, reichen heutige Techniken kaum, vor allem weil sie nicht im Hinblick auf unbedingte Zuverlässigkeit und Latenz-Armut gebaut wurden. Wenn es ein paar Sekunden dauert, bis eine Laterne einen Steuerbefehl bekommt, ist das nicht weiter tragisch. Das Auslösen eines Nothaltes eines autonomen Fahrzeugs an einem plötzlich auftretenden Stauende sollte schon deutlich schneller gehen. Statistisch gesehen, werden Mobiltechnologien heute primär für persönliche Anwendungen, vor allem Smartphones, genutzt. Einfach auch, weil sie das ganz gut können. Sollen sie in einem nennenswerten Maß in industrielle und andere wirtschaftlich relevante Anwendungen Einzug halten und dort die mehrfach genannten Effekte auslösen, müssen deutliche Verbesserungen vorgenommen werden. Alle bisherigen Technologien bis einschließlich LTE Advanced haben den Weg vorbereitet. 5G wird die technologische Plattform sein, die Autos und Städte, Krankenhäuser und Wohnungen und natürlich Personen mit allem, was sie informationstechnisch umgibt, in sinnvoller Weise verbindet. Man darf aber auch nie vergessen, dass bei Konzepten wie Smart Cities auch enorme Datenmengen entstehen. (siehe Bild 5)

Man erwartet, dass die geplanten Fortschritte in 5G explizit verschiedene Mengen von Use-Cases des IoT unterstützen. Das erleichtert die Standardisierung nicht grade und wird sie letztlich auch kaum beschleunigen. Es wird Bereiche der Standards geben, die für MIoT-Anwendungen zweckgebunden sind oder missionskritische Anwendungsfälle, die z.B. autonome Fahrzeuge, industrielle Anwendungen oder Telemedizin umfassen. Diese Expansion von Möglichkeiten wird als Bestandteil eines einheitlichen Designs definiert. Dies bedeutet, dass die gleiche 5G Infrastruktur einen weiten Bereich von Anwendungsfällen abdecken kann. Diese erweiterte Diffusion in Industrien und Prozesse, in denen Wireless heute nur eine untergeordnete Bedeutung hat, positioniert die 5G-Mobiltechnologie für einen tiefen und nachhaltigen Einfluss auf einen breiten Bereich von Sektoren.

Allerdings wird die 5G-Technologie einen neuen Grad von Komplexität hinsichtlich Vorschriften und Regulierungen erzeugen, wenn neue Geschäftsmodelle entstehen und die alten Methoden der Auslieferung von Gütern und Dienstleistungen entweder dramatisch geändert oder vollständig abgeschafft werden. Bereiche, wo die Modernisierung von Regeln und Vorschriften die Voraussetzung für 5G-Readyness sind, wären öffentliche Sicherheit, Cyber-Sicherheit, Schutz persönlicher Daten, Zuordnung von Spektralbereichen, öffentliche Infrastruktur, Gesundheitswesen, Erziehung, Training und Entwicklung. Die Herausforderung dabei ist, die Änderungen so zu gestalten, dass sie mit der permanenten technologischen Entwicklung Schritt halten können.

In der Vergangenheit haben wir einen exponentiellen Anstieg der Menge des Verkehrs, der durch Mobilnetze befördert wurde, feststellen können. Nach dem bekannten Visual Networking Index von Cisco hat sich der Verkehr von 2010 auf 2011 verdoppelt. Extrapoliert man das einfach über das gesamte Jahrzehnt, wird sich der globale mobile Verkehr zwischen 2010 und 2020 um den Faktor 1000 erhöhen. Das liegt hauptsächlich an der massiven Verbreitung mobiler Endgeräte und deren wachsendem Datenhunger. Besonders Smartphones tragen zu dieser Entwicklung bei. Ein weiterer wichtiger Faktor für das erschütternde Verkehrswachstum ist der steigende Bedarf nach immer hochwertigeren Multi-Media Anwendungen mit UHD (4K)- Video und 3D. Je nach Land liegt der Anteil des mobilen Videos am mobilen Gesamtverkehr zwischen 50 und 70 %. Da das Social Networking für immer mehr Benutzer eine entscheidende Komponente ihres Lebens ist, führt grade die Integration hochqualitativer Video-Anwendungen zu weiteren Verkehrssteigerungen. Der Sprachverkehr spielt dabei schon längst eine untergeordnete Rolle, bereits 2009 wurde er in den Mobilnetzen vom Datenverkehr überholt und schon 2015 hatte er auf Basis von VoIP einen Anteil von nur noch 0,4%. Schon 2013 gab es 6,8 Mrd. Mobilfunkverträge, was einer globalen Durchdringung von 96% entspricht. Diese Anzahl kann eigentlich nur noch mit der Weltbevölkerung wachsen. Bis 5G im Markt angekommen sein wird, ist mit etwa einer Milliarde neuer Kunden zu rechnen.

Wie schon häufiger berichtet, ist das aber nur eine Dimension des Wachstums. Das IoT trägt die Vision mit sich, dass alles und jedes miteinander vernetzt ist. Sehen wir einmal von der industriellen Umgebung ab, die ihren eigenen Regeln folgt, wird vor allem die Anzahl der kommunizierenden Geräte pro Nutzer steigen. Vielfach denken wir dabei nur an die üblichen Verdächtigen wie Smartphones oder Tablets. Es zeichnet sich aber jetzt schon ab, dass wir in der Zukunft von immer mehr Helferlein umgeben sein werden. Nehmen wir als Beispiel nur einige Produkte des Anbieters Withings, der sich letztlich der Förderung eines gesunden und aktiven Lebens widmet, einer der titanischen Märkte überhaupt. Über die intelligente Haarbürste mag man ja noch schmunzeln. Es gibt aber auch einen intelligenten Wecker, der mit bestimmten Lichtstimmungen für ein schnelleres Einschlafen und ein sanfteres Wachwerden sorgen soll. Natürlich mit passender Musikuntermalung in dem Fall von Spotify. Damit nicht genug gibt es einen Sensor, den man unter die Matratze legt und Vitalfunktionen aufzeichnet. Mit der passenden App analysiert kann man so Schlafstörungen analysieren und den Schlaf optimieren. Noch hat der Wecker eigene Lichtquellen und man kann das Handy mit einem Kabel anschließen. In der Zukunft möchte der Wecker aber mit der intelligenten Licht- und Rolladensteuerung der Home Automation kommunizieren und diese natürlich wieder mit ihren Sensoren und Aktoren. Warum soll sich die Musik aus dem Wecker quälen, wo es doch die futuristische Raumbeschallung gibt, wo natürlich jeder der vielen Lautsprecher eine Funkverbindung zur Zentrale hat? Natürlich kommuniziert der Wecker auch mit der intelligenten Zahnbürste um festzustellen, ob sie auch einsatzbereit ist. Damit das Ganze auch geordnet abläuft, übernimmt z.B. Alexa zur Sicherheit die Kontrolle. Die wesentlichen Ergebnisse werden natürlich unter Berücksichtigung der am Vortag gesammelten Vitaldaten zu einem Bericht zusammengefasst, der dem Nutzer noch vor der Morgenzeitung auf dem mobilen Endgerät angezeigt wird. Dieses winzige Beispiel zeigt, dass wir in Zukunft sozusagen von vielen Helferlein umringt sein werden, die letztlich eines gemeinsam haben: sie benötigen dringend Funkverbindungen, sonst funktioniert rein nichts. Alle diese Geräte und noch viele mehr gibt es bereits heute. Sie werden sich permanent verbessern und ausbreiten. Und das ist nur der vergleichsweise harmlose Bereich des Schlafzimmers. Natürlich steht es uns nach wie vor frei, einfach die Augen zu schließen. Der Autor schläft dann auch gut :-).

Das ist aber hinsichtlich der Anforderungen alles noch gar nichts gegenüber der Unterstützung der autonomen Mobilität. Alle Hersteller haben schon heute Kraftfahrzeuge im Programm, die vielfältige Unterstützungsfunktionen anbieten. Das Ziel ist es aber, in recht kurzer Zeit vollständig autonom fahrende Mobile anbieten zu können. Auch das ist nicht wirklich extrem weit weg. Durch Fortschritte in der Kameratechnik und der künstlichen Intelligenz kommen fast täglich neue Berichte über sensationelle Erfolge. So hat der für seine Kamera-Chips bekannte Hersteller Ambarella Anfang 2017 ein Auto völlig eigenständig problemlos von Rom nach China fahren lassen. Italiens Regierungschef Renzi ist in Rom ein paar Runden mitgefahren.

Durch die Videos bei Mobilnutzern wird sich wie bereits dargestellt der Gesamtverkehr in etwa um den Faktor 1000 steigern. Durch das IoT wird sich die Anzahl der Endgeräte von Milliarden auf Trillionen erhöhen, von denen viele allerdings nur einen geringen und/oder gelegentlichen Bandbreitebedarf haben. Wirklich spannend ist aber, dass die M2M-Kommunikation im Rahmen der autonomen Mobilität die Latenzanforderungen deutlich erhöht, es gibt unterschiedliche Ansätze aber im Großen und Ganzen sollte die Latenz für derartige Anwendungen unter 1 ms liegen. Mit viel gutem Willen hätte man die bisherigen Mobil-Lösungen wie LTE sowohl für mehr Benutzer als auch für eine größere Last ausbauen können. Die Latenzanforderungen führen aber auf die Notwendigkeit, eine in wesentlichen Teilen neuartige Mobiltechnologie auf die Beine zu stellen. (siehe Bild 6)

Die deutlich steigende Dichte von menschlichen und maschinellen Teilnehmern in der Größenordnung von Trillionen und die Steigerung der Leistung um den Faktor 1000 führen zum Anspruch eines allgegenwärtigen mobilen Breitbandnetzes mit extremer Kapazität, hochgradiger Unterstützung von Energie-Effizienz und weitreichendem QoS-Support. Daher wird die nächste „Mobilfunk“-Generation die erste Instanz eines wirklich konvergierten drahtlosen und leitungsgestützten Netzes sein, die dem Benutzer den Eindruck vermittelt, dass er unmittelbar an ein optisches Netz angeschlossen ist.

Jede neue Generation mobiler Netzwerk-Technologie hat die Voice Qualität, den Durchsatz für Daten, Effizienz und Kapazitätsbedarfe entlang eines aktuellen Satzes mobiler Breitbandanwendungen verbessert. Die aktuelle 5G Entwicklung möchte hier einen Schritt weitergehen und nicht nur die Benutzererfahrung hinsichtlich der mobilen Breitband-Dienste verbessern, sondern auch die speziellen Anforderungen von Massive IoT (MIoT) und Mission Critical Services (MCS) erfüllen. Einige der ersten Verbesserungen durch 5G werden sicher dadurch erzielt, dass die Benutzererfahrung für mobile Breitbanddienste verbessert wird. Sie betreffen Anwendungsfälle, bei denen der Mensch im Mittelpunkt steht und auf Multi-Media-Inhalte, -Dienstleistungen und -Daten zugreifen möchte. Hier wird Video sicherlich wie auch schon bei LTE eine sehr wichtige Rolle spielen. Letztlich ist es von entscheidender Bedeutung, dass 5G-Netzwerke deutlich effizienter arbeiten werden und somit die Kosten pro übertragenem Bit senken. Dadurch kann man neue Dienste einführen, wie VR oder AR-Anwendungen, die sehr Bandbreite-intensiv sind. Die neue Generation mobiler Breitbanddienste wird die bisherigen Funktionen um neue Anwendungsbereiche erweitern, für die hohe Leistung, schnelle Reaktionsfähigkeit und hohe Zuverlässigkeit wichtig sind. Natürlich wird es auch wieder Differenzierungen geben, z.B. nach Hot Spot oder Wide Area Anwendungen. Hot Spot Anwendungen erfordern eine hohe Datenrate, geringe Latenz und hohe Zuverlässigkeit, haben aber den Vorzug, dass sich die Nutzer nicht schnell oder gar nicht bewegen. Echte mobile Wide Area Anwendungen müssen hohe Mobilität unterstützen. Die anderen Anforderungen werden auch hier höher sein als bisher, man kann es aber entspannter als bei Hotspots sehen. MIoT und MCS Anwendungen gehen hinsichtlich ihrer Anforderungen teilweise ganz andere Wege als mobile Broadband. MCS benötigt ultra zuverlässige und latenzarme Kommunikation und hat stringente Anforderungen an Durchsatz, Latenz und Verfügbarkeit. Anwendungen wie autonome Fahrzeuge, drahtlose Kontrolle industrieller Fertigungsprozesse, Telemedizin oder Distributionsautomatisierung lassen keinen Spielraum für Ausfälle, Verzögerungen oder gar Fehler. MCS hat also extrem hohe Leistungsanforderungen. Beim MIoT kann es aber eher darum gehen, dass eine sehr große Anzahl vernetzter Geräte geringe Volumina nicht-zeitsensitiver Daten verschicken. Allerdings verlangt man hier eine wirklich lange Akku-Lebensdauer.

4. Kurzer Überblick über den Standardisierungsprozess

Ungefähr alle 10 Jahre gibt es eine neue Mobilfunk-Generation. 4G wurde 2011 eingeführt, also rechnet man mit 5G in 2020. Es zeigt sich aber schon jetzt, dass der Bedarf enorm ist. Gleichzeitig existieren schon sehr erfolgreiche Pilotprojekte. So werden wir eingeschränkte oder spezialisierte 5G-Varianten schon viel früher sehen. Verizon bietet in den USA bereits in diesem Jahr in verschiedenen Städten 5G-Pilot-Lösungen an, generell wird der Schwerpunkt aber zunächst eher auf drahtlosen Festverbindungen in ländlichen Bereichen liegen. De Standardisierung einer neuen 5G Luftschnittstelle hat seit einer Sitzung des Radiocommunication Sectors der International Telecommuniation Union (ITU-R) bei der World Radiocommunication Conference WRC in 2015 Fahrt aufgenommen. Die Ziele orientieren sich daran, dass man den Nutzern eine Nutzer-Erfahrung geben möchte, die sich von der an einem optischen Netz nicht unterscheidet. Das bedeutet 10 Gbps für stationäre Nutzer oder solche, die sich langsam bewegen und 1 Gbps für mobile Benutzer mit Bewegungsgeschwindigkeiten bis zu 300 km/h. Die Round Trip Delay Latenz der aktuellen Mobilfunkgeneration 4G LTE Advanced liegt bei 20 ms. Das muss für 5G unter 1 ms. sinken.

Globale Standards sind eine fundamentale Voraussetzung dafür, dass allgegenwärtige Konnektivität unter der Sicherung weltweiter Interoperabilität, Harmonisierung unterschiedlicher Anbieter und der Erreichung von Economy of Scale erzielt werden kann. ITU-R ist für die Definition von IMT-Spezifikationen (International Mobile Telecommunications) für die nächste Mobilfunkgeneration verantwortlich. Dies hat schon bei zwei früheren Varianten gut funktioniert, nämlich IMT-2000 für 3G und IMT-Advanced für 4G. Die 5G-Spezifikationen gedeihen momentan ganz gut, primäres Thema bei den Welt-Mobilfunk-Konferenzen (WRC) ist aber aktuell die Erschließung neuer Frequenzbereiche für 5G. Hier möchte man z.B. auch in bislang lizenzfreie Bereiche, in denen heute WLANs betrieben werden, eindringen. Noch wichtiger ist aber eine deutliche Anreicherung des Millimeterwellenbereiches. Bei höheren Trägerfrequenzen wie z.B. 38 GHz lassen sich, wie wir schon von entsprechenden WLAN-Varianten (802.11ad) wissen, höhere Nutz-Datenraten mit geringerem Aufwand erzielen. Leider ist die physikalische Wellenausbreitung bei diesen Frequenzen problematisch. Aber auch geringere Trägerfrequenzen sind interessant, weil man mit ihnen z.B. Gebäude deutlich besser versorgen kann. Andererseits muss man auch Trägerfrequenzen nutzen, die nur schmale Bereiche zwischen etablierten Funkdiensten bilden, z.B. für eine M2M-Kommunikation mit geringeren Bandbreite- und QoS-Anforderungen. In der allgemeinen Berichterstattung wird viel zu wenig darauf hingewiesen, dass die Bereitstellung geeigneter Frequenzen absolut entscheidend für einen Funkdienst ist. Mit 5G möchte man sehr viele, sehr unterschiedliche Ziele von der gelegentlichen, z.B. wöchentlichen schmalbandigen kurzen Kommunikation eines Sensors mit seiner Zentrale bis hin zur Anbindung autonomer Fahrzeuge mit einer Geschwindigkeit von bis zu 300 km/h mit dauerhafter Gigabit-Datenrate und strengen Latenzanforderungen abdecken. Also benötigt man auch viele unterschiedliche Frequenzbereiche hinreichender Breite und Kapazität. In 2015 war die letzte wirklich große WRC, aber es gibt immer wieder eine fast unübersichtliche Anzahl von Treffen der Arbeitsgruppen. Neben ITU-R ist auch 3GPP extrem und nachhaltig aktiv. Mit der permanenten Weiterentwicklung von LTE zu LTE Advanced wurden technologisch gesehen sehr viele Grundlagen und hilfreiche Technologien erarbeitet, die in die 5G-Standardisierung einfließen werden. Wir werden das später nochmals aufgreifen. Es zeichnet sich ab, dass wegen des drängenden Bedarfs viele Anwendungs-Entwicklungen, die zu einem späteren Zeitpunkt auf 5G laufen werden, zunächst mit LTE und LTE Advanced starten. In den USA sieht es so aus, dass Verizon für seine Feldversuche und Pilotinstallationen mit einer eigenständigen Spezifikation vorgeprescht ist, die schon recht weit geht. Gleichzeitig hat die Frequenz-Kontrollbehörde FCC eine Reihe passender Frequenzen freigegeben. Mittlerweile haben sich viele interessierte Unternehmen vom Chiphersteller über Infrastruktur-Lieferanten bis hin zu Lösungsanbietern angeschlossen. Die internationale Standardisierung ist nach Ansicht des Autors einfach zu langsam. Für viele Teilbereiche gibt es schon jetzt passende technologische Lösungen von Chips über Transceiver, Antennen, Basisstationen bis hin zu SDN- und NFV-Software. Das hat durchaus das Potential, deutlich vor einer internationalen Standardisierung marktreif zu werden. Damit sind natürlich auch ggf. unangenehme Konsequenzen verbunden. Dieser Bereich ist ja noch halbwegs übersichtlich. Wirklich wirr wird es bei den Industrie-Konglomeraten rund um die autonome Mobilität. Es gibt fast beliebig zusammengestellte Kombinationen aus Kfz-Hersteller, Chip-Anbieter, Funk-Technik-Anbieter, Anbieter für Spezial-SW & Co. Mittlerweile eigentlich fast so viele wie Kfz-Hersteller. Damit entstehen neue Probleme. Bleibt das weiter so, entstehen z.B. Probleme für Smart Cities. Wie kann der Betreiber eines Parkhauses dafür sorgen, dass nicht nur „intelligente“ VWs bei ihm einparken können, sondern auch Mercedes oder ausländische Autos? Er wird keine Freude daran haben, 20 oder mehr unterschiedliche Lösungen mit jeweils eigenen Formaten dauerhaft zu unterstützen. Heute ist dieses Problem noch völlig offen. Es hat schon in den 1980er Jahren Initiativen gegeben, die Kommunikation von elektronischen Komponenten in Kfz zu normen, Stichwort CAN (Car Area Network). 1983 wurde der CAN-Bus von Bosch entwickelt und 1986 zusammen mit Intel vorgestellt. Das CAN ist als ISO 11898 international standardisiert und wurde kontinuierlich auch im Hinblick auf höhere Leistung weiterentwickelt. Es wird spannend zu sehen, ob es vielleicht eine Weiterentwicklung dieses Standards zu einer Art 5G Unterverteilung geben wird. Das ist aber schon fast ein nachgelagertes Problem. In Europa wird die Entwicklung der Kommunikation von Fahrzeugen vom 3GPP vorangetrieben, einfach als systematische Erweiterung von 4G. Entsprechende Dokumente zeigen jedoch aktuell viele Wünsche aber wenig Konkretes. Eine europäische Entwicklung eben. In den USA gibt es eher die Diskussion, ob man die Fahrzeugkommunikation mit 5G machen soll oder mit DSRC, einer Weiterentwicklung von WLANs (Dedicated Short Range Communications), die bereits von der US-Regierung ausgiebig getestet wurde. Das System dient der Kommunikation zwischen Kfz und stationären Baken oder anderen Kfz. Anwendungen sind die Verhütung von Kollisionen, intelligente Navigation und Mauterfassung. Das deutsche Maut-System basiert auf einer DSRC-Implementierung mit Infrarot. Überwiegend ist aber die Kommunikation bei 5,9 GHz definiert. Es gibt aber auch hier mindestens drei sehr unterschiedliche Varianten (EU, US, Japan, standardisiert von ETSI, IEEE und ISO TC204). Insgesamt sprechen Industrie-Analysten schon von einem „Format-Krieg“, wobei die asiatischen Fronten noch etwas im Nebel liegen.

Die aktuelle Situation in der Standardisierung kann man wie folgt charakterisieren. LTE hat die ersten acht Jahre seiner Marktexistenz hinter sich. Es ist also sozusagen grade voll erblüht. Es gibt eine Reihe interessanter Weiterentwicklungen, nämlich LTE Advanced (LTE A) und LTE Advanced Pro (LTE A Pro). Viele Erweiterungen von LTE A Pro sind faktisch wichtige Bausteine für 5G und enthalten verschiedene kritische Eigenschaften von 5G und können demgemäß auch schon für verschiedene Vorläufer-5G-Anwendungen genutzt werden.

Es gibt verschiedene wichtige Standardisierungsaktivitäten für 5G. Das 3rd Generation Partnership Project 3GPP arbeitet aktuell an Rel. 15, das in 2018 fertig werden sollte. Man erwartet, dass Rel. 15 die erste Spezifikation für eine neue 5G Luftschnittstelle (5G New Radio oder 5G NR) sowie die Netzwerk-Architektur der nächsten Generation (5G NextGen) enthält. Die Entwicklung von 5G wird dann mit Rel.16 und weiteren fortgeführt, aber Release 15 wird 2018/19 die ersten kommerziellen Lösungen basierend auf einem globalen Standard ermöglichen. Parallel dazu hat die ITU die Mobilfunk-Konferenz IMT 2020 als offizielle Stelle für das, was als 5G spezifiziert wird, festgelegt. Die Spezifikationen, die zwischenzeitlich von 3GPP erarbeitet wurden, werden vor dem offiziellen Release der formalen IMT-2020 Spezifikationen, die in 2020 beendet werden sollen, in die Arbeiten der ITU einfließen. Es ist aber jetzt schon abzusehen, dass es lange bevor diese Spezifikationen abgeschlossen sein werden, kommerzielle Pre-Standard 5G Installationen und Lösungen geben wird. Dafür ist die Technologie heute schon viel zu weit. Es gibt bereits heute eine signifikante Menge vor-kommerzieller (experimenteller) Arbeiten im gesamten Mobilfunk-Ökosystem von Chip- und Geräte-Herstellern bis hin zu Netzwerk Infrastruktur Providern. Verschiedene Carrier haben längst mit Feldversuchen begonnen, vor allem Verizon hat gleich einen ganzen Satz von Spezifikationen herausgebracht, die es auch interessierten Dritten erlauben, an den Versuchen teilzunehmen. SK Telekom (Südkorea) und Korea Telekom starten 2018. Verschiedene Prognosen gingen bislang davon aus, das erste 5G Radio Access Network Angebote in 2019 beginnen und in 2022 eine weit reichende Verfügbarkeit gewährleistet sein wird. Verizon hat aber schon in 2017 in einigen US-Städten mit dem Probebetrieb bei ausgewählten Kunden begonnen. Es zeichnet sich schon jetzt ab, dass die Preise für 5G Radios in den Endgeräten nicht höher sein werden als die für LTE-Lösungen, einfach weil die Chiphersteller ohnehin Multiband-Transceiver für LTE, LTE-Advanced, WiFi und 5G herstellen werden. Blickt man genauer auf die Technik, lassen sich viele Baugruppen wie Filter, Antennen, Verstärker oder Antennenswitches mehrfach verwenden, was natürlich für einen Chip hoch interessant ist. (siehe Bild 7)

Allerdings gibt es durchaus Initiativen, die dem allgemeinen Lauf der Standardisierung vorgreifen. In den USA hat das schon Tradition. Bei LTE hatte AT&T frühzeitig Technologien, Übertragungsverfahren und Wünsche an Frequenzbereiche in Richtung der US-Kontrollbehörde FCC definiert. Das waren Hunderte Seiten, die letztlich dazu geführt haben, dass AT&T sozusagen seinen Willen bekommen hat. Auch jetzt ist AT&T wieder auf die gleiche Weise an die FCC herangetreten. Das hat aber den Hauptkonkurrenten Verizon nicht ruhen lassen. Es wurden nicht nur eine Reihe sehr interessanter Entwicklungspartner wie Cisco, Intel, LG, Ericsson, Nokia, Qualcomm und Samsung mit ins Boot genommen, sondern auch viele Quadratmeter Spezifikationen erstellt. Sie hatten vor allem das Ziel, Herstellern von Chips und weiterem Equipment zu ermöglichen, gemeinsam in eine Richtung zu arbeiten. Das „Verizon 5G Technical Forum“, kurz V5GTF stellt sich neben den allgemeinen Standardisierungsprozess des 3GPP, um schneller am Markt sein zu können. AT&T hat aber auch schon angekündigt, dass auch sie in 2017 aggressiver Richtung Markt gehen.

Eine andere Gruppierung ist die Next Generation Mobile Networks Alliance NGMN, auf die wir gleich noch kommen. Hier haben sich Hersteller und Provider vereinigt, u.a.: AT&T, Bell, BT, China Mobile, Chungwa Telecom (Taiwan), Deutsche Telekom, Hongkong Telekom, KPN, KT (Korea), Liberty Global, Ligado Networks, NTT docomo, Orange, SingTel, SK Telekom, Sprint, T-Mobile US (Nasdaq:TMUS), TELE2 (Schweden), TIM (Telecom Italia), Telefonica, Telekom Austria, Telia (Schweden), TELUS (Canada) Turkcell, US Cellular, Verizon, VimpelCom und Vodafone.

5. Anwendungsbereiche für 5G

Wie schon eingangs bemerkt, fallen die Anwendungsbereiche von 5G in drei Segmente, nämlich EMBB, MIoT und MCS. Wir werden jetzt Anwendungen kurz zusammenfassend auflisten. Die Liste ist allerdings nicht vollständig, sondern eher eine Menge von Stichproben, die aufgrund der heutigen Technologie-Entwicklung abgeschätzt werden können. Es ist aber ganz klar, dass sich hier im Laufe der Zeit noch viel Neues ergeben wird, wenn sich die Technologien und Anwendungen gegenseitig befruchten, so wie wir das in der Vergangenheit schon sehr häufig gesehen haben.

5.1 Enhanced Mobile Broadband EMBB
Zwei wesentliche Facetten von EMBB werden die Annahme der Technologie und die Wertschöpfung in der 5G Ökonomie wesentlich beeinflussen. Zum einen ist da die Ausweitung der zellularen Abdeckung auf einen wesentlich weiteren Bereich von Strukturen wie Bürogebäude, Industrieparks, Shopping Malls und ausgedehnte Tagungsorte. Der andere wichtige Punkt ist die deutlich erweiterte Kapazität für die Handhabung wesentlich größerer Menge von Endgeräten, die jedes für sich gesehen hohe Leistungsanforderungen haben, auf einem relativ begrenzten Raum. Das Resultat dieser zwei Verbesserungen ist es, dass Nutzer eine verbesserte und konsistentere Benutzererfahrung haben werden und ihre bevorzugten mobilen Breitband-Dienste unabhängig vom Ort nutzen können. Anwendungsbereiche / Formen:

  • Verbesserte drahtlose Breitband Abdeckung in Innenräumen
  • Verbesserte drahtlose Breitband Abdeckung im Freien
  • Feste drahtlose Breitband Versorgungen (z.B. DSL-Ersatz)
  • Teamwork / Kollaboration in Unternehmen
  • Training / Ausbildung
  • Angereicherte und Virtuelle Realität (AR/VR)
  • Erweiterung des Mobile Computing
  • Verbesserte Systeme für digitale Unterschriften

Die EMBB Anwendungen werden höchst wahrscheinlich als erste einen Einfluss im Markt haben. Sie sind größtenteils eine Erweiterung existierender 4G Wertschöpfungselemente und sollten den Markt schnell erreichen, sobald 5G verfügbar wird. Sie haben allerdings als Erweiterungen prinzipiell bestehender Dienste nicht das Potential, in großem Rahmen völlig neuartige Wertschöpfung zu erzeugen.

5.2 Massive Internet of Things MIoT
5G baut auf früheren Investitionen in M2M-Kommunikation und traditionelle IoT-Anwendungen auf, um signifikante Gewinne entlang der Economy of Scale zu erzeugen, die die Adaption und Nutzung über alle Sektoren hinweg vorantreiben. Verbesserte Low-Power Anforderungen, die Möglichkeit, in lizensierten und lizenzfreien Bereichen zu arbeiten und eine deutlich verbesserte Abdeckung führen alle zusammen zu deutlich geringeren Kosten im MIoT. Das wiederum wird die Skalierung des MIoT-Konzeptes erweitern und dadurch zu einer wesentlich verbesserten Annahme mobiler Technologien für MIoT-Anwendungen führen. Einige Anwendungsbereiche:

  • Verfolgung von Vermögenswerten
  • Intelligente Landwirtschaft
  • Intelligente Städte
  • Überwachung von Energie- und Versorgungseinrichtungen
  • Physikalische Infrastruktur
  • Intelligentes Zuhause
  • Fernüberwachung
  • Beacons

Viele dieser Anwendungen existieren schon heute als eine Mischung älterer Generationen von Zellulartechnologie und drahtlosen Low-Power Technologien in lizenzfreien Bereichen. Die aktuelle Roadmap für LTE enthält speziell für derartige Zwecke gebaute zellulare Technologie wie Cat-M1 (eMTC) und Cat NB1 (NB-IoT), die damit beginnen, systematische Erweiterungen mit Low-Power-Übertragungstechnologie in den stetig wachsenden IoT-Markt einzubringen. Diese Technologien bilden die Grundlage für 5G MIoT und werden weiter für die Low Power Übertragung optimiert. Außerdem werden sie lizensierte und lizenzfreie Spektralbereiche nutzen können. Im Gegensatz zu EMBB wird sich durch diese Möglichkeiten ein erhebliches neues Marktpotential mit deutlichen Wertschöpfungsmöglichkeiten ergeben, sobald die 5G-Module verfügbar sind.

5.3 Mission Critical Services MCS
Hochverfügbarkeit und Verbindungen mit sehr geringer Latenz bei gleichzeitig sehr hohen Anforderungen an Sicherheit und Verfügbarkeit gab es bisher in der drahtlosen Übertragungstechnologie für kommerzielle Anwendungen überhaupt nicht. Hier finden sich:

  • Autonome Fahrzeuge
  • Drohnen
  • Industrie-Automatisierung
  • Überwachung entfernter Patienten / Telemedizin
  • Intelligente Versorgungsnetze

Die Realisierung der genannten Anwendungsfälle mit Mobiltechnologie oder die Anwendungen selbst sind überwiegend völlig neu. Das Potential, Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit und geringer Latenz mit auf weitem Bereich verfügbaren Netzen mit strenger Sicherheit unterstützen zu können, erzeugt signifikante Wachstumsmöglichkeiten. Viele der Anwendungsfälle befinden sich noch in den Kinderschuhen und/oder in Entwicklung. Das Wachstum ist daher letztlich auch vom Innovationswillen und der Definition geeigneter Regulierungen abhängig. Im Ergebnis könnte die Entwicklung daher etwas länger dauern, aber das hängt auch sehr stark vom Einzelfall und auch der Interessenlage ab. Angesichts der massiven Implikationen mancher dieser Anwendungsfälle kann der gesamte Einfluss auf die Gesellschaft bedeutend sein.

Die bis hier dargestellte Sichtweise ist relativ grob. Es existieren durchaus weitere und auch detailliertere Ideen. Eine sehr ausgeprägte Vorstellung hat die MGNM. Wir sehen sie auf der Bild 8 die selbst erklärend ist und an dieser Stelle nicht mehr weiter erläutert werden soll.

6. Zwischenfazit: Entwicklung des 5G Ökosystems

Es gibt verschiedene Einflussfaktoren, die zum Erfolg und relativen Wachstum des 5G Ökosystems beitragen. Das umfasst neben technischen und regulatorischen Entwicklungen auch Fragen zur Nutzung, anwendungsspezifischen Treibern und Hinderungsgründen.

Es gibt durchaus verschiedene, fast schon philosophisch unterschiedliche, Visionen für 5G:

  • Super-effizientes Mobilnetz mit besserer Leistung bei geringeren Investitionskosten
  • Super-schnelles Mobilnetz für die Clusterung der nächsten Generation von „Small Cells“ wenigstens im Stadtbereich
  • Konvergiertes Fiber-Wireless Netz unter heftiger Nutzung des Millimeterwellen-Bereichs
  • Latenz < 5ms EtE, mehr als 100 Geräte/qm möglich

Wie auch 4G/LTE wird sich 5G nach seiner Einführung sofort weiterentwickeln. Für den Start können wir Folgendes erwarten:

  • Minimale Datenraten von mehreren 10 Mbps für mehrere 10.000 Nutzer parallel
  • Minimal 1 Gbps simultan für alle Nutzer auf dem gleichen Flur, Ziel 10 Gbps
  • Mehrere 100.000 simultane Verbindungen für Sensoren
  • Spektrale Effizienz erheblich besser als bei 4G
  • Generell verbesserte Abdeckung
  • Verbesserte Signalisierungs-Effizienz
  • Latenz deutlich geringer als bei LTE
  • Deutlich verbesserte Energie-Effizienz, min. Faktor 10 gegenüber LTE

Im nächsten Abschnitt werden wir die tragenden technologischen Säulen von 5G systematisch betrachten. Ohne weitere Erläuterung stellen wir jetzt noch kurz die wichtigsten Techniken zusammen, mit denen 5G diese ambitionierten Ziele erreichen wird:

  • Umfangreiche Nutzung von Millimeterwellen sowohl indoor als auch outdoor, 28,38,60 und 72,73 GHz-Bänder, zusätzlich 90 GHz Bänder und mehr für Backhaul
  • Simultane Nutzung lizensierter und lizenzfreier Frequenzbereiche
  • Massives MIMO
  • Mehrstufige Kombinationen von Hauptversorgern und dichten Small Cells
  • Proaktives Content Caching an den Netzkanten (wie z.B. Cisco Fog Computing)
  • Fortschrittliches Interferenz- und Mobility-Management
  • Effiziente Unterstützung von „IoT-Teilnehmern“
  • Wireless Multiple-Hop Networks
  • Network Virtualization
  • Kognitive Radio Technologie (Smart Radio) erlaubt verschiedenen Radio-Technolgien die effiziente gleichzeitige Nutzung des gleichen Spektrums durch adaptives Suchen nach unbenutzten Teilen des Spektrums und deren Nutzung.
  • Dynamische Ad Hoc Wireless Networks (DAWN)
  • Vandermode-Subspace Frequency Division Multiplexing für Smart Radio
  • IPv6

LTE Netze sind jetzt seit acht Jahren in Betrieb. Die Global Mobile Suppliers Association (GSA) hat im Oktober 2016 bekannt gegeben, dass insgesamt 537 kommerzielle LTE-Netze aktiv sind. Das repräsentiert eine erhebliche Menge von Investitionen für Betreiber von Mobilnetzen über den größten Teil der letzten Dekade und sie alle möchten natürlich einen Return of Investment erzielen. Es gibt ein sehr starkes Interesse an 5G und seinen erheblich erweiterten Möglichkeiten und die Tatsache, dass viele der Erweiterungen von LTE Advanced und LTE Advanced Pro als Grundlage für zukünftige 5G Netzwerk Upgrades genutzt werden können ist ein signifikanter Vorteil. Während Marktforschungsunternehmen davon ausgehen, dass einige Betreiber einen eher konservativen Ansatz hinsichtlich der Netzwerk Upgrades verfolgen, gibt es dennoch eine wachsende Anerkennung der Tatsache, dass der wirkliche Unterschied zwischen 5G und den vorhergehenden Generationen von Mobiltechnologien vor allem darin liegt, dass die neueste Evolutionsstufe eine signifikant größere Anzahl von Anwendungsfällen unterstützt. Während bisherige Mobilfunkgenerationen die Benutzererfahrung für Verbraucher und in gewissem Maße Nutzern in Unternehmen erhöhen wollten, zielt 5G auf die gesamte Industrie. Wenn Mobilnetzbetreiber und andere Player im 5G Ökosystem es schaffen, Unternehmen in industriellen Sektoren wie Herstellung, Energieversorgung, Gesundheitswesen, Transportwesen und weiteren auszubilden und zu motivieren, haben sie das Potential, hinreichendes Interesse an 5G und seinen Möglichkeiten zu erzeugen und damit einen etwas aggressiveren Netzausbauzyklus anzustoßen.

7. Konsequenzen für Unternehmen und Organisationen

Was Provider und assoziierte Leistungsanbieter machen müssen, ist klar: investieren, was das Zeug hält und gleichzeitig Interessenten für die neuen Anwendungsbereiche mobilisieren. Chipentwickler und Infrastrukturanbieter sind schon seit Jahren in diesem Bereich extrem aktiv.

Für („normale“) Unternehmen und Organisationen ergibt sich die Notwendigkeit, frühzeitig zu prüfen, welchen Nutzen sie speziell für ihre Anwendungen aus 5G ziehen können und welche Variante da am praktischsten sein könnte. Automobilhersteller haben es schon vorgemacht, sie sehen in der Digitalisierung fast aller Funktionen um das Auto herum ihre Zukunft. Aber in verschiedenen anderen Bereichen hat sich noch nicht viel bewegt.

Der Autor ist der festen Überzeugung, dass 5G wirklich eine GPT wird, wie die Dampfmaschine, die Beherrschung der Elektrizität usw. Nach einer Inkubationsperiode erreicht eine GPT eine kritische Masse, die zu transformativen, manchmal sogar disruptiven Änderungen in ganzen Industrien oder sogar Volkswirtschaften führen können. Die Aufgabe ist schlicht:

Jeder sollte sich eine für ihn und seine möglichen Leistungen passende Stelle in der Wertschöpfungskette des 5G-Ökosystems suchen!

Und dafür ist es notwendig, nicht darauf zu warten, bis die letzten Feinheiten der 5G-Standardisierung in trockenen Tüchern sind und uns die Provider mit Leistungsangeboten überschütten, sondern bereits jetzt Projekte zu durchdenken und unter Nutzung bestehender Techniken wie LTE Advanced mit ihrer Pre-Implementierung zu beginnen.

Beim Übergang von einer Mobilfunkgeneration zur nächsten kann man eine relativ übersichtliche Menge von Technologien identifizieren, die sozusagen den Unterschied ausmachen. LTE hat sich durch Carrier Aggregation, hochdichte HetNets und die zusätzliche Nutzung lizenzfreier Bereiche zu LTE Advanced weiterentwickelt. Diese Technologien stecken in weiterentwickelter Form auch in 5G. Allerdings kommt man damit längst nicht aus. In diesem Teil der Reihe wird der Versuch unternommen, die zehn tragenden technologischen Säulen von 5G übersichtlich darzustellen. Auf Details werden wir dabei verzichten müssen, das ist aber unproblematisch, weil viele noch gar nicht feststehen. Stattdessen kommen wir am Ende des Artikels zu bereits heute verfügbaren technischen Komponenten, die ganz klar belegen, dass die angestrebten Ziele auch erreichbar sind.

Man kann 10 fundamentale technologische Bereiche für den Aufbau von 5G identifizieren. In dieser Folge werden wir jeden dieser Bereiche herausarbeiten und ihre Rolle und Bedeutung für 5G beleuchten.

8. Die Evolution bestehender RATs (Radio Access Techniques)

Die Architektur einer globalen Mobilfunktechnologie ist komplex und besteht aus vielen Elementen, die sich auch dadurch ergeben, dass in der Realität mehrere Mobilfunkgenerationen nebeneinander existieren und miteinander kommunizieren können sollten. Bild 9 stellt dar, welche Elemente LTE der Gesamtarchitektur hinzugefügt hat, nämlich einfach die roten. Wir sehen aber auch Elemente für GPRS, IP-Anbindungen, WLAN-Anbindungen usf. Ein wesentliches zentrales Element ist das Radio Access Network RAN. Das ist eigentlich die Komponente mit der meisten Außenwirkung. Das RAN besteht aus Base Stations und User Equipment, also meist Endgeräten oder nachgeordneten Routern wie bei einem drahtlosen DSL-Verbindungs-Ersatz oder einer anderen Art der Unterverteilung. Das LTE RAN ist links zu sehen und hat die Bezeichnung „Evolved RAN“.

Eine Radio Access Technique RAT ist eine Kommunikationsmethode zwischen den Komponenten eines RAN.

Wie man sich aufgrund des extremen Anwendungsspektrums und der verschiedenartigen Anforderungen leicht vorstellen kann, wird 5G nicht auf einer speziellen RAT basieren, sondern auf einer Sammlung von RATs, einschließlich Weiterentwicklungen von bereits vorhandenen Techniken ergänzt durch neue revolutionäre Designs.

In diesem Zusammenhang ist die naheliegende und wirtschaftlichste Lösung um den gewünschten Kapazitätsschub, um bis zu einen Faktor 1000 zu erzielen die Verbesserung existierender RATs in bestimmten Parametern wie spektraler Effizient, Energie Effizienz und Latenz. Außerdem sollte es möglich werden, dass flexibles RAN-Sharing über unterschiedliche Anbieter hinweg möglich wird. Ganz speziell muss LTE um die Unterstützung massiver 3D / MIMO-Technologien erweitert werden, um den „spatial degree of freedom“ (DOF) durch deutlich verbessertes Multi-User Beamforming, verbesserte Interferenzunterdrückung und erweiterte Möglichkeiten zur Interferenz-Koordination in hyperdichten Small Cell Szenarios zu vergrößern. Auf die Small Cells kommen wir gleich. In diesem Zuge muss auch WiFi verbessert werden, um das unlizensierte Spektrum deutlich besser auszunutzen. Die letzte marktdurchdringende WiFi-Technik IEEE 802.11ac sollte ja an und für sich schon drahtlose Breitband-Pipes mit Multi-Gigabit-Geschwindigkeit realisieren können. Dabei benutzt es bis zu 160 MHz breite Kanäle mit 256 QAM (Quadratur Amplituden Modulation) im weniger verseuchten 5 GHz ISM-Band. Mit MU-MIMO können theoretisch ebenfalls simultane Übertragungen mit bis zu vier Streams mit Multi-User MIMO aufgesetzt werden. Die mögliche Beamforming-Leistung des Vorgängers 802.11n wird direkt um mehrere Größenordnungen verbessert. Es ist zwar abzusehen, dass in der Realität 5G und 802.11ac koexistieren werden, ob es aber wirklich viel Zusammenarbeit gibt, bleibt abzuwarten, weil die nächste WiFi Evolutionsstufe 11ax ja ebenfalls schon in den Startlöchern steht. Chiphersteller wie Qualcomm oder Broadcom arbeiten schon seit längerem in zwei Richtungen: der Nutzung von LTE auch in unlizensierten Bereichen und der Integration von 3G/4G/WiFi-Transceivern in einheitliche Designs für Basis-Stationen. Nicht vergessen darf man in diesem Zusammenhang die Erschließung neuer Übertragungsmöglichkeiten mit Millimeterwellen-Funktechnologien in Bereichen zwischen 25 und 60 GHz. Hier kennen die meisten vielleicht den WLAN-Standard IEEE 802.11ad und seinen Nachfolger 802.11ay mit Zellenleistungen von bis zu 100 Gbps. Das ist aber sozusagen nur eine Fraktion. Die ab Ende 2016 gestarteten Tests mit Equipment für 5G umfassen auch eigenständige Techniken z.B. bei 28 oder 35 GHz. Diese waren sehr erfolgreich und auch die Auktionen von Frequenzen zu mindestens in den USA haben deutlich gezeigt, dass Provider wie AT&T oder Verizon erhebliches Interesse an diesen bisher weitest gehend unbenutzten Bereichen haben. Darauf kommen wir gleich nochmal zurück. Generell kann man davon ausgehen, dass Endgeräte oder sonstige Benutzereinrichtungen vielfach intelligent genug sein werden, sich die für die anstehende Kommunikation günstigste RAN-Variante selbständig auszusuchen. Das kennen wir ja schon seit vielen Jahren von Handys, die sich, wenn man es nicht abschaltet, gerne mit WLANs in der Umgebung verbinden. Genau das in einem breiteren Rahmen.

Die internationale Standardisierung ist an dieser Stelle noch nicht fertig. Es gibt aber schon einige Spezifikationen der in der letzten Folge vorgestellten V5GTF, die beispielsweise für die Kommunikation zwischen einer Base Station und Endgeräten folgende Randbedingungen definieren:

  • Grundsätzlich Multiple Access auf Basis OFDM mit zyklischem Präfix für Up- und Downlink, dazu TDD HD bei Bedarf
  • Carrier Bandbreite 100 MHz, Ressource Block über 12 Sub-Carrier, Radio Frame besteht aus 50 Sub-Frames und ist insgesamt 10 ms lang, die Übertragungsrichtung kann auf Subframe-Basis dynamisch umgeschaltet werden (UL, DL).
  • MIMO mit bis zu 8 Streams, maximal aber nur 2 pro User Equipment, Aggregation multipler Service, Zellen mit bis zu 8
  • Physical Channels im DL: Shared, Control, Broadcast, Extended
  • Physical Channels im UL: Random Access, UL Shared, UL Control

Diese Spezifikation gibt schon einige wichtige Hinweise. Die zentrale Übertragungstechnik wird, wie kaum anders zu erwarten war, OFDM sein, und zwar in der Variante, mit der man gleichzeitig den Mehrfachzugriff steuern kann, also OFDMA. Die Träger-Bandbreite ist mit 100 MHz recht fett und man wird wahrscheinlich auf dynamische Carrier Aggregation zugreifen müssen, die ja schon bei LTE Advanced definiert wurde. Man geht davon aus, dass Endgeräte nicht so viele Antennen haben, Base Stations maximal 8. Das ist eigentlich eine sehr zurückhaltende Annahme. Die flexible Anordnung von Kanälen in Up- und Downlink ermöglicht intelligente Verfahren zur dichten Kanalnutzung ohne Leerlauf. Die Spezifikation ist für „normale“ Frequenzbereiche, am Ende des Artikels werden wir sehen, wie eine Implementierung im Millimeterwellenbereich aussehen kann.

9. Entwicklung hyperdichter Small Cell Umgebungen

Die Entwicklung hyperdichter Small Cell Umgebungen ist ein weiterer vielversprechender Weg um das Ziel der 1000-fachen Leistungssteigerung zu erreichen. Zusammenfassend gesagt wird bei diesem Ansatz sozusagen das Beste aus zwei Welten vereinigt. Eine klassische Mobilfunkzelle zeichnet sich dadurch aus, dass die Kommunikation in höchstem Maße kontrolliert und zuverlässig ist. Die Mobilfunkzelle kann viele Teilnehmer präzise im Rahmen vorher getroffener Vereinbarungen bedienen. Dafür ist die Übertragungsleistung pro Kanal begrenzt und die Kosten pro übertragenem Bit sind vergleichsweise hoch. Die einer Mobilfunkzelle zugrundeliegende Logik entstammt immer noch dem geordneten Telefonnetz für die Sprachkommunikation. Small Cells werden z.B. durch WLANs gebildet, haben eine hohe Leistung auf einem begrenzten Raum und benutzen ein nicht immer zuverlässiges Verfahren für den Zugriff. Die Anzahl der Teilnehmer ist durch die geringe räumliche Ausdehnung der Small Cell übersichtlich. Man kann kaum Qualitätsmerkmale vereinbaren, eine hinreichende Bandbreite ist ausschlaggebend. Dafür sind die Kosten gering. Die zugrundeliegende Logik ist die eines digitalen Datenbusses.

Die Idee ist jetzt einfach, diese beiden sehr unterschiedlichen Systemarten zusammen zu schalten. Den Nutzen kann man am schnellsten an einem Beispiel verdeutlichen, der Übertragung von Video auf ein mobiles Endgerät. Man könnte das rein mit Mobilfunk machen, dafür bräuchte der Endteilnehmer aber einen Vertrag, der ihm dauerhaft den Bezug einer hohen Bandbreite aus dem Mobilfunknetz erlaubt. Das wird er meist nicht bezahlen wollen. Außerdem wäre die Qualität des Mobilfunk-Kanals hinsichtlich Latenz und Zuverlässigkeit für Video-Streaming viel zu hoch. Also macht man Folgendes: der Aufbau einer Verbindung zu einem Video-Server und die vertragliche Abwicklung wie z.B. die Abrechnung läuft über das höchst zuverlässige Mobilfunksystem. Dafür benötigt man auch keinen besonders breiten Kanal. Das Video selbst wird aber durch die Technik der Small Cell auf das Endgerät des Nutzers übertragen, ohne das Mobilfunknetz damit zu belasten.

Das erste Ergebnis ist, dass die Leistung einer Mobilfunkzelle linear mit der Anzahl der zusätzlich benutzten Small Cells steigt, siehe Bild 10. Voraussetzung ist, dass sich die Small Cells nicht gegenseitig stören, aber dafür gibt es erfolgreiche Techniken.

Man hat diesen Weg auch schon für die LTE-Varianten untersucht und ab LTE Advanced systematischer durchgesetzt. Gleichzeitig ist dadurch eine zusätzliche Verbesserung der Energie-Effizienz zu erwarten.

Diese innovative Lösung, die auch als HetNet (Heterogenous Network) bekannt ist, kann dabei helfen, die spektrale Effizienz in einem (abgegrenzten) Bereich deutlich zu erhöhen. Das Maß für die spektrale Effizienz ist b/s/hz/qm. Generell gibt es zwei unterschiedliche Ansätze zur Realisierung eines HetNets. Der erste Ansatz ist, ein zellulares System aus Mikro-, Pico- oder Femto-Zellen mit Small Cells in der gleichen Technologie zu überlagern. Der zweite Ansatz ist es, für die Überlagerung eine andere Technologie als in den Small Cells zu benutzen, also z.B. High Speed Packet Access (HSPA), LTE, WiFi usw. Die erste Alternative nennt man auch Multi-Tier HetNet, während die zweite als Multi-RAT HetNet bezeichnet wird. Im Zuge der Arbeiten an einer Leistungssteigerung um den Faktor 1000 durch hyperdichte Small Cell Umgebungen hat Qualcomm gezeigt, dass das Hinzufügen von Small Cells die Kapazität eines Netzes in praktisch linearer Weise steigern kann. Einfach gesagt verdoppelt sich die Kapazität (ausgedrückt durch die spektrale Effizienz), wenn man die Anzahl der Small Cells verdoppelt. Das ist ja zunächst einmal nicht weiter verwunderlich. Leider steigert die Reduktion der Zellengröße leider auch die Zellen-Interferenz und die Komplexität der Zellen-Kontroll-Signalisierung. Um diesen Nachteil zu umgehen, benötigt man auf dem System-Level verbesserte Techniken für das Interferenz-Management zwischen den Small Cells in Zusammenarbeit mit verbesserten Interferenz-Unterdrückungstechniken in den Endgeräten der Benutzer. Die Verbesserung der Small Cells war ein ganz wichtiger Punkt bei LTE R-12 während ein neuer Trägertyp (New Carrier Type NCT, auch bekannt als Lean Carrier) eingeführt wurde, um den Small Cells aus den Host Makro-Zellen heraus zu helfen. Das erlaubt eine effizientere Gestaltung der Control Plane-Funktionen z.B. für Mobility Management, Synchronisation, Zuordnung von Ressourcen usw. durch die Makro-Layer. Gleichzeitig schafft man eine spektral effiziente Data Plane mit hoher Kapazität durch die Small Cells. Schließlich kann die Reduktion der Zellengröße die Energie-Effizienz des Netzwerks einfach dadurch verbessern, dass das Netz näher an den Endgeräten ist und sich daher das Power Budget der drahtlosen Verbindungen deutlich verbessert.

Durch die HetNets ergeben sich auch weitere Alternativen für die Carrier Aggregation. Ein reines LTE-Netz kann nur über die Typen von Carriern aggregieren, die es selbst benutzt, also FDD/TDD. Ab LTE Rel. 12 gibt es die Möglichkeit der Aggregierung von Bandbreite auch über benachbarte Zellen hinweg (Multiflow). Die nächste Stufe ist schlicht die, dass man sich hinsichtlich der Kapazitäten auch bei den Small Cells bedient. (siehe Bild 11)

Die Kopplung von zwei unterschiedlichen mobilen Netzwerksystemen wie grade beschrieben ist aber nur eine Alternative. Man könnte auch auf die Idee kommen, eine weitere Untergliederung unter Nutzung der spezifischen Eigenschaften der Millimeterwellentechnologie einzuführen. Wir werden das noch weiter besprechen, aber kurz gesagt sind Zellen mit Millimeterwellentechnik auf einige Dutzend Quadratmeter beschränkt, haben dafür aber eine titanische Leistung. Klassische Mobilfunksysteme haben eine große Ausdehnung, aber eine begrenzte Leistung pro Kanal. WLANs liegen sozusagen in der Mitte. Bei der in der letzten Folge kurz vorgestellten Next Generation Mobile Networks Alliance gibt es bereits ein dreistufiges Modell für die Implementierung dieser Grundgedanken. (siehe Bild 12)

Voraussetzung dafür ist natürlich, wie man schon sieht, dass die Endgeräte simultan in den unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeiten können, aber das kann durch die aktuelle Chip-Entwicklung als sicher angenommen werden.

10. Selbst organisierendes Netz

Die Fähigkeit, ein selbst organisierendes Netz (SON) zu bilden, ist eine weitere Kerneigenschaft von 5G. Die Bedeutung der SON-Fähigkeit nimmt erheblich zu, wenn sich die Population in den Small Cells erhöht. Ungefähr 80% des drahtlosen Verkehrs wird indoor erzeugt. Um dieses gewaltige Datenaufkommen bewältigen zu können, benötigt man Small Cell Installationen in Wohnhäusern, die primär von den Nutzern eingerichtet und verwaltet werden, ohne dass Operator der Betreiber der Leistungsanbieter (Provider) hierüber Kontrolle hätten. Diese Indoor Small Cells müssen selbst-konfigurierbar sein und „plug´n´play“ installiert werden können. Sie brauchen ihre Fähigkeiten aber auch dazu, sich intelligent an die benachbarten Small Cells anzupassen, um die Inter-Zellen-Interferenz zu minimieren. Eine Small Cell kann das beispielsweise dadurch machen, dass sie sich autonom mit dem Netz synchronisiert und ihre Funkabdeckung geschickt nachstellt. Hinsichtlich weiter voranschreitender Technik muss man natürlich sagen, dass die Anforderungen hier sehr unterschiedlich sein können. In einem einzelnen Mehrfamilienhaus kann es z.B. in der Umgebung einer einzigen Wohnung Dutzende prinzipiell erreichbarer WLANs geben. Das kann heute zu schwerwiegenden Leistungseinbußen führen, wenn alle diese Netze prinzipiell auf den gleichen Kanälen arbeiten wollen. Das kann jeder selbst einfach nachmessen. Man setzt sich auf die Couch und öffnet das Menü „Netzwerkeinstellungen“. Dann werden die erreichbaren Netze sofort angezeigt. Rein theoretisch sollten natürlich alle diese Netze durch Verschlüsselung so abgesichert sein, dass man sich letztlich nur mit dem eigenen verbinden kann. Auch wenn man die Netze in der Umgebung nicht nutzen kann, können sie die zur Verfügung stehende „eigene“ Bandbreite erheblich beschneiden. Heute ist es noch so, dass große TV-Systemanbieter (z.B. Telekom mit Entertain oder Unity Media mit Horizon) das Bandbreite-intensive TV-Signal durchgängig noch über Kabel zum Endgerät bringen. Mit der Zeit ist aber damit zu rechnen, dass das immer weiter abnimmt und auch große Fernseher mit 4K UHD wireless versorgt werden. Spätestens dann müssen die Netze in einem deutlich höheren Grade als heute dafür sorgen, dass sich die einzelnen Small Cells in Wohnungen unterschiedlicher Besitzer/Mieter viel besser abstimmen als jetzt. Ein Fortschritt ist auch mit der Einführung der Millimeterwellen-Technologe zu erwarten, einfach weil diese Wellen einen Raum praktisch kaum verlassen können.

11. M2M-Kommunikation

Neben der Verbindung von Menschen ist die Verbindung mobiler „Maschinen“ ein weiterer fundamentaler Aspekt von 5G. Machine Type Communication MTC ist ein wachsender Anwendungsbereich, bei dem einer oder beide Endnutzer der Kommunikation eine Maschine (oder ein Gerät) sind. Der Begriff „Maschine“ wird in der allgemeinen Literatur einfach zur Abgrenzung vom Begriff „Mensch“ genutzt und umfasst ein extremes Spektrum vom einfachen Sensor bis hin zum HPC-Rechnerverbund. MTC erzeugt zwei verschiedene Herausforderungen an ein Netz. Zum Ersten kann die Anzahl von Geräten, die auf diese Weise vernetzt werden sollen, erschreckend groß sein. Ericsson und Cisco haben als führende Hersteller bei der „Erkundung“ der 5G-Welt die Vorhersage gemacht, dass in der zukünftigen vernetzten Gesellschaft bis zu 50 Milliarden Geräte verbunden werden müssen. Man sagt auch „alles, was davon profitieren kann, vernetzt zu werden, wird auch vernetzt“. Die andere Herausforderung im Rahmen von MTC ist der steigende Bedarf an Realzeit-Fähigkeiten z.B. bei der Steuerung mobiler Einrichtungen wie z.B. Fahrzeugen.

Wir haben in der letzten Folge schon sehr viel über diesen Sektor gesagt. Da sich technisch hier abgesehen von der Definition schmalbandiger Nutzungsklassen in LTE Advanced noch nicht so viel getan hat, verlassen wir das Thema jetzt wieder.

12. Entwicklung von Millimeterwellen-RATs

Das traditionelle Mobilfunkspektrum unterhalb von 3 GHz wird zunehmend voller und hat schon vielfach das Kapazitäts-Limit nach den fundamentalen Grundsätzen von Shannon erreicht. Deshalb erkundet man schon länger die Nutzung von anderen Wellenlängen im cm und mm-Bereich für die mobile Kommunikation. Dieses Teilgebiet ist zwar verglichen mit dem, was man über die anderen Frequenzbereiche weiß, noch in den Kinderschuhen, aber die Ergebnisse sind schon jetzt sehr vielversprechend. Es gibt drei deutliche Hindernisse für die mobile Kommunikation in Millimeterwellenbereichen. Verglichen mit den konventionellen Sub-3 GHz Bändern (und auch mit den lizenzfreien 5 GHz-Bändern für WLANs) sind die Verluste auf dem Weg zwischen Sender und Empfänger deutlich höher. Mit abnehmender Wellenlänge tendieren die Funkwellen immer mehr dazu, sich entlang der Sichtlinie auszubreiten. Das macht die Radio Links verletzlich dagegen, durch bewegliche Objekte oder Personen blockiert zu werden. Schließlich ist der Ausbreitungsverlust innerhalb von Gebäuden in diesen Bändern erheblich größer. Dadurch werden Indoor-Benutzer von außenliegenden RATs isoliert. Das letzte Problem ist allerdings nicht wirklich neu. Schon bei 3 GHz reichen Mobilfunksignale nicht beliebig tief in Gebäude hinein. Sucht man ein Funkloch, findet man es mit ziemlicher Sicherheit wenigstens im Keller, wenn nicht schon früher. Der Autor findet es immer lustig, wenn in einem Aufzug die Notrufnummer für den Fall hängt, dass der Aufzug stecken bleibt. Das ist ohne Providersignal extrem nützlich.

Trotz dieser Nachteile gibt es auch fast schon Myriaden von Vorteilen der Kommunikation im Millimeterwellen-Bereich. In den Bändern der mm-Wellen ist ein enorm breites Spektrum für die Übertragung verfügbar. Bei 60 GHz gibt es z.B. 9 GHz verfügbares Spektrum, welches man unlizensiert nutzen kann. Die Bild 13 zeigt die Situation im 28 GHz-Band, wo einfach acht jeweils 100 MHz breite Kanäle zur Verfügung stehen. Diese Menge von Spektrum ist wirklich riesig, vor allem, wenn man sich vor Augen hält, dass das heute global für alle zellularen Technologien zugeordnete Spektrum etwa 800 MHz kaum übersteigt. Diese Menge von Spektrum hat das Zeug dazu, die mobile Kommunikation komplett zu revolutionieren, weil damit drahtlose Ultra-Breitband Pipes aufgesetzt werden können, die leitungsgebundene und drahtlose Netze nahtlos miteinander verbinden können. Die Modulationstechnik ist hier nicht so anspruchsvoll. Das ist allerdings aktuell auch nötig, um die Kosten für Sende- und Empfangsmodule in den Transceivern nicht ausufern zu lassen. Ein anderer Vorteil der mm-Wellen-Technik sind die kleinen Antennengrößen (halbe Wellenlänge) und ihre kleinen ganzzahligen Bruchteile. So kann man Dutzende von Antennen-Elementen auf nur einem Quadratzentimeter unterbringen. Das erlaubt uns im Gegenzug sehr hohe Gewinne durch Beamforming in relativ kleinen Bereichen, die sowohl in Endgeräten als auch in Basis-Stationen leicht implementiert werden können. Durch die Nutzung intelligenter Phased Array Antennen kann man die Freiheitsgrade hinsichtlich des Anstandes zwischen den drahtlosen Kanälen z.B. durch die Nutzung von Space-Division Multiple Access SDMA maximal ausnutzen, was die System-Kapazität weiter erhöht. Wenn sich eine mobile Station herumbewegt, können die Gewichte beim Beamforming nachgestellt werden, so dass der Antennenstrahl immer auf die Station zeigt. Schon vor einiger Zeit hat Samsung eine Technologie getestet, die es in städtischen Umgebungen erlaubt, mm-Wellen-Technologie für eine Übertragungsrate von 2 Gbps auf einer Distanz von bis zu 1 km einzusetzen. Am Polytechnischen Institut der Universität von New York wurde demonstriert, dass mobile Kommunikation von 28 GHz in einer dichten Besiedlung wie sie z.B. in Manhattan NY vorliegt, mit einer Zellengröße von 200m unter Nutzung von zwei 25 dBi Antennen (je eine im Endgerät und in der Basis-Station) aufgebaut werden kann. Der Antennengewinn kann durch eine Kombination von Beamforming und Array Antennen erzielt werden. Allerdings: Laub kann die Ausbreitung der Millimeterwellen erheblich behindern. In bestimmten Frequenzbereichen sind auch hohe Luftfeuchtigkeit, Nebel oder schlicht Regen wirkliche Hindernisse, da die Regentropfen ungefähr die Größe der Radio-Wellenlängen haben und somit zu einer Streuung der Radiowellen führen können. Der aktuelle Stand der Technik ist einfach der, dass es zu jeder mm-Wellen-Lösung eine Rückfallmöglichkeit in den Sub 3 GHz-Bereich geben sollte.

13. Neuauslegung von Backhaul Links

Das Redesign von Backhaul Links ist der nächste kritische Punkt bei 5G. Parallel zur Verbesserung der Radio Access Networks müssen die Backhaul Links neu entworfen werden, um die enorme Verkehrslast zu tragen, der in den Zellen generiert wird. Sonst werden die Backhauls schnell zu Engpässen, die den Betrieb des gesamten Netzes gefährden. Das Problem gewinnt mit Verdichtung der Population in den Zellen an Dramatik. Man kann hier verschiedene Kommunikationssysteme wie optische Übertragung aber auch Mikrowellen- und mm-Wellen-Verbindungen betrachten. Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit mm-Wellen können unter Nutzung entsprechender Antennen Arrays sehr scharfe Funkstrahlen für zuverlässiges Backhauling ohne Interferenzen mit anderen Zellen oder den Access Links der übergreifenden Systemschicht erzeugen. Das alle ist aber Kleinkram gegenüber den neuen Möglichkeiten der optischen Übertragung. Alle wesentlichen Provider haben in den letzten Jahren dreistellige Milliardenbeträge für den Ausbau ihrer Glasfasernetze aufgewendet. Das noch nicht einmal im strengen Hinblick auf 5G sondern zur allgemeinen Förderung der Leistung ihrer Netze im Angesicht der aktuellen Anforderungen durch LTE und LTE Advanced in Verbindung mit zunehmender Video-Sucht der mobilen Teilnehmer. Ohne dies hier weit auszuführen, das wären eigentlich mehrere weitere Artikel, kann man die Entwicklung der optischen Netze seit ca. 2000 folgendermaßen zusammenfassen. Kern bestehender Systeme war überwiegend eine DWDM-Struktur mit einigen Dutzend optischen Kanälen in unterschiedlichen „Farben“ der Trägerfrequenz. Jeder optische Kanal kann einzeln moduliert werden. In 2000 waren die durchschnittlich möglichen Übertragungsgeschwindigkeiten auf einem solchen System 4 Gbps oder weniger pro optischem Kanal. In den darauffolgenden Jahren hat man daran gearbeitet, die Leistung pro Kanal durch weiterentwickelte optischen Komponenten bei Sendern, Modulatoren, Empfängern und Verstärkern zu verbessern. Jede Verbesserung an diesen Komponenten führte zu einer Erhöhung der möglichen Übertragungsrate pro Kanal. Da die Kosten für die Glasfaser an sich samt Verlegung gegenüber den Kosten für die elektronischen Komponenten titanisch sind, lohnt sich diese Vorgehensweise in jedem Fall.

Wesentliche Durchbrüche wurden vor allem bei den Modulatoren erzielt, zu einem späteren Zeitpunkt vor allem durch die Möglichkeit der Integration optischer Komponenten wie Verstärker. Vor 15 bis 20 Jahren konnte man die Modulationsverfahren schlicht als Lichtmorsen bezeichnen, mit dem dadurch entstehenden geringen Wirkungsgrad. Wir kennen das von den WLANs. Der alte Standard IEEE 802.11b war eigentlich auch nur digitales Morsen mit 11 Mbps Leistung. Bessere Verfahren sind Phasenmodulation, Quadratur-Amplituden-Modulation und Mischverfahren und vor allem OFDM. Die optischen Netze haben sich genau entlang dieses Weges weiterentwickelt, OFDM ist noch nicht so richtig fertig. Auf diese Weise konnte die Leistung pro DWDM-Kanal über 10 auf 40 und schließlich 100 Gbps gesteigert werden. In City-Netzen ist man sogar schon bei 200 Gbps pro Kanal angekommen, wie es z.B. von Ciena angeboten wird. Also konnte man in der Spitze bis zu 50-fach mehr Leistung aus einem Kanal und somit auch aus der Gesamtlösung herausholen. Es gibt aber noch einen weiteren, etwas komplexeren wesentlichen Entwicklungsschritt.

Auf die Bilder 15 und 16 ist zu sehen, wie man durch die Anwendung Integrierter Optischer Technologie einfache Mach-Zehnder-Interferometer-Modulatoren für komplexeren Leistungen kombinieren kann.

Mindestens zwei Jahrzehnte war die ITU-Einteilung für die DWDM-Kanäle fast schon ein Heiligtum. Vor rund fünf Jahren zeichnete sich aber ab, dass Modulationstechniken im Leistungsgrad von OFDM möglich wären, dann aber das Kanalkorsett zu eng würde. Durch die besseren Techniken wurden auch die bisher notwendigen vergleichsweise großen Kanalabstände immer mehr zur reinen Verschwendung. Der neueste Entwicklungsstand sind optische Netze mit kontinuierlichen Übertragungsbereichen, also Kanälen, deren Breite letztlich davon abhängt, wie viel Übertragungskapazität man momentan benötigt und aufmodulieren kann. Es gibt hier eine Reihe sehr unterschiedlicher Ansätze zur Erzeugung. Verwaltung und Nutzung der so entstehenden Ressourcen, aber die Ergebnisse sind sehr überzeugend. Sowohl Spezialhersteller als auch Generalisten wie Cisco haben hier sehr eindrucksvolle Systeme geschaffen. Man kann daher sagen, dass gute Fasern in optischen Netzen durchaus im zweistelligen Terabit/s.-Bereich betrieben werden. Das gilt nicht nur für die aktuell fast hektisch verlegten neuen Seekabel, sondern auch für Zubringer- und City-Netze. Zudem hat sich ein spannender Bereich von Betreibern Carrier-unabhängiger optischer Netze entwickelt, die sowohl auf großen Distanzen als auch in speziellen Ballungsräumen aktiv werden können. Ganz pfiffig sind Betreiber, die neben den optischen Netzen direkt auch genügend Montagepunkte für Base Stations besitzen, wie z.B. Crown Castle International (Nasdaq: CCI). Zusammenfassend kann man sagen, dass die 5G-Entwicklung sicher nicht an mangelnder Kapazität aus den Backbones scheitern wird.

14. Energie-Effizienz

Energie-Effizienz ist ein sehr zentraler Punkt bei Design und Entwicklung von 5G. Heute verbrauchen Informations- und Kommunikations-Technologien (ICT) 2015 ungefähr 5% des weltweit erzeugten Stroms und sind für ca. 2% der weltweit erzeugten Treibhausgas-Emissionen verantwortlich. Das ist in etwa vergleichbar mit den Emissionen durch den Luftverkehr. Noch beunruhigender ist die Tatsache, dass sich das bis 2020 verdoppeln wird, wenn keine Maßnahmen zur Reduktion der Kohlenstoffemissionen ergriffen werden. Daher ist es nötig, Energie-Effizienz bei allen Komponenten vom Endgerät über das RAN bis hin zu den Backhauls zu berücksichtigen. Neben der Schonung der Umwelt gibt es aber noch weitere klare Vorzüge eines energiesparenden Designs. Natürlich ist es wichtig, den energetischen Fußabdruck der ICT dauerhaft zu verringern. Große Betreiber wie Amazon, Google oder Apple gehen ja schon mit ihren neuerdings weitest gehend emissions-neutralen Mega-RZs in die richtige Richtung. ICT ist aber auch eine grundsätzliche Technologie für die Zukunft von Smart Cities und kann ihrerseits natürlich auch durch Optimierungen z.B. von Verkehrsflüssen oder intelligente Beleuchtungssysteme zu einer Verbesserung der Energie-Bilanzen führen. Dass Provider und andere Betreiber dann auch noch an der Stromrechnung sparen können, ist eher zweitrangig. Die Reduktion der Energie-Kosten (Joule pro übertragenem Bit) sollte aber auch dazu führen, dass die mobilen 5G-Dienste für die Nutzer trotz erheblich gesteigerter Leistung nicht teurer werden, sondern die Preise mittelfristig sogar sinken. Am Ende des Tages spielt aber ein anderer Wert die Hauptrolle: nicht nur bei mobilen Nutzern ist die Laufzeit des Handy Akkus das Kaufargument Nr. 1, und auch eine Smartwatch, die den Tag nicht durchhält ohne auf der Ladestation auszuruhen, ist Kokolores. Noch wesentlicher ist aber, dass wir im IoT Milliarden von kleinen Endgeräten wie Sensoren oder Aktoren haben werden, deren Anwendung eigentlich nur dann nützlich wird, wenn die Batterielaufzeit ungefähr 10 Jahre beträgt. Diese Geräte wird man nämlich schlicht und ergreifend montieren und vergessen wollen.

15. Zuordnung neuer Spektralbereiche für 5G

Um die Kommunikationsanforderungen der nächsten Dekade überstehen zu können, benötigt 5G unbedingt neue Spektralbereiche. Die Anforderung „1000 Mal mehr Verkehr“ wird man sicher nicht alleine dadurch bedienen können, dass man die spektrale Effizienz erhöht oder eine Hyper-Verdichtung mit Small Cells durchführt. Führende Telekommunikationsunternehmen sind der Ansicht, dass sie zusätzlich zu den gesamten genannten technischen Innovationen auch noch zehn Mal mehr Spektrum benötigen werden als heute zur Verfügung steht. In einem ersten Schritt hat die ITU bei der Mobilfunk-Konferenz 2015 zum 700 MHz-Band nochmals 100 MHz dazu gepackt und im Bereich 3,6 MHz zusätzliche 400 MHz. Weil das ein schlechter Witz ist, diskutiert und erprobt man Erweiterungen in verschiedenen Bereichen wie z.B. 5 GHz oder bei Millimeterwellen. Das sind ärgerliche politische Diskussionen, zu denen hier nicht weiter Stellung genommen wird, vielleicht abgesehen von der Tatsache, dass unter diesen Randbedingungen die bislang lizenzfreien Bereiche für WLANs mit auf der Schlachtbank liegen, was direkt zum nächsten Punkt führt.

16. Gemeinsame Benutzung von Spektrum (Spectrum Sharing)

Der regulatorische Prozess für Spektralzuordnungen ist häufig sehr langsam, so dass die möglichst effiziente Nutzung verfügbaren Spektrums immer von großer Bedeutung ist. Innovative Modelle für die Zuordnung von Spektrum abseits von der traditionellen Unterscheidung in „lizensiert“ und „lizenzfrei“ können dazu benutzt werden, die bestehenden regulatorischen Beschränkungen zu umschiffen. Große Spektralbereiche sind traditionell dem militärischen Radar zugeordnet. Sie werden aber häufig nicht rund um die Uhr und nicht bezogen auf eine vollständige geographische Region genutzt. Erfahrungsgemäß ist das Bereinigen von Spektralzuordnungen eine langwierige Angelegenheit. Es gibt durchaus Bereiche, die nie bereinigt werden können oder nur über einen sehr langen Zeitraum. Schließlich ist es möglich, dass das Spektrum nur in einigen Gebieten, aber nicht für ein ganzes Land geklärt werden kann.

Der Hersteller Qualcomm hat das sog. Authorized / Licensed Shared Access (ASA / LSA) vorgestellt, welches ein Spektrum für Small Cells mit begrenzter Ausdehnung nutzbar macht, ohne den eigentlichen Besitzer, z.B. das Militär, zu stören. Mit einem solchen Konzept kann man den länglichen Prozess der Spektralreinigung beschleunigen. Wächst der mobile Verkehr, wird man „Spectrum Refarming“ benutzen, also Spektrum, welches vorher für (langsamere) Dienste gedacht war, für die Nutzung mit 5G umwidmen. Aktuell geschieht das mit der Brechstange, so hat z.B. AT&T vor einigen Monaten das Spektrum für 2G Kommunikation eingezogen. Sehr zum Ärger verschiedener Anwender wie Kommunen, die einfachere IoT-Anwendungen wie Licht- und Ampelsteuerungen mit 2G vorgenommen hatten. Sie müssen jetzt umrüsten oder abschalten. Hier wird man in Zukunft eher sog. Kognitive Radio-Systeme einsetzen, die dynamisch je nach Gelegenheit und Notwendigkeit lizensierte und lizenzfreie Bereiche ausloten und nutzen.

17. RAN Virtualisierung

Da wir permanent über Virtualisierung, SDN und NFV berichten und diskutieren, sollte es nicht überraschen, dass alle Radio Access Networks ebenfalls zur virtualisierten Ressource werden. Letztlich möchte ja ein Provider jedem seiner Nutzer dynamisch das zuweisen, was dieser grade benötigt. Auch bei noch so starker technischer Aufrüstung wird man bei 5G nicht mehr dazu kommen, Benutzern in irgendeiner Weise feste Datenraten zuzuordnen. Fundamental ist das genau so ein Quatsch wie feste oder abgestufte Volumina. Glücklicherweise hat ja T-Mobile US (Nasdaq: TMUS) dafür gesorgt, dass auch die großen Provider wie AT&T und Verizon ihre Begrenzungspläne wieder zurücknehmen mussten. Die Dynamik von 5G muss alleine wegen der hohen Spannbreite von Nutzern und Diensten viel höher sein als die heutiger Benutzer. Außerdem muss das gesamte Netz praktisch voll automatisch laufen, auch die Provisionierung und Verwaltung von Diensten muss absolut ohne menschliche Intervention funktionieren. Oder soll jeder Wärmezähler, der eine Verbindung benötigt, bei der Hotline anrufen :-)? Ein Provider-Netz wird Millionen von Small Cells und Hundert-Tausende von RANs umfassen. Hier gibt es keine Handsteuerung mehr. Schon in meinem Artikel im Februar Insider habe ich ein eigentlich noch vor 5G liegendes Projekt vorgestellt, welches letztlich der Automatisierung dient. Nicht nur die RANs, sondern auch alle nachgelagerten Zubringerkomponenten, alle Verbindungen, alle Dienste und alle Benutzer werden virtualisiert und mit entsprechender Software gesteuert.

18. Erste Funktionsmuster

Sozusagen als Vorgeschmack auf die ausführlichere zusammenhängende Darstellung der Technologien beleuchten wir noch einige „Einzelteile“, die uns deutlich zeigen, wo die Entwicklung bereits heute steht.

Überall auf der Welt gibt es schon mehr oder minder ausgeprägte Versuche und Testinstallationen zu 5G, die mittlerweile auch von der FCC und der EU unterstützt werden. Verizon hat konstatiert, dass sie 5G „irgendwann in 2017“ als Service anbieten werden. Hierzu gab es schon viele Einwände, hauptsächlich den, dass sich Verizon so mit einer Pre-Standard-Lösung auf ein gefährliches Terrain begeben könnte. Nun, im Mobilfunkmarkt herrscht ein fürchterlicher Wettbewerb und es ist durchaus legitim, riskantere Wege einzuschreiten.

Der Chipgigant Qualcomm definiert schon einen erheblich deutlicheren Zeitrahmen.
Auf dem 4G/5G Summit Mitte Oktober 2016 in Hongkong hat Qualcomm drei wesentliche Ankündigungen gemacht:

  • Die Partnerschaft zwischen Qualcomm, Netgear, Telstra und Ericsson
  • Einen noch namenlosen Snapdragon SoC mit dem Snapdragon X16 Gigabit LTE-Modem
  • Das erste 5G-Modem von Qualcomm: Snapdragon X50

Das Snapdragon X50 Modem unterstützt Download-Geschwindigkeiten bis zu 5 Gbps, eine höchst eindrucksvolle Zahl, wenn man bedenkt, dass wir uns mit LTE und den aktuellen WLANs grade einmal Richtung Gigabit vortasten. 4G LTE schafft in der Spitze heute 300 oder 450 Mbps, üblich sind aber eher 100 bis 150.

Qualcomm gibt die kommerzielle Verfügbarkeit (in Stückzahl) für die erste Hälfte von 2018 an. Da könnten aber auch schon die ersten internationalen Standards fertig oder zu mindestens in stabilem Draft-Stadium sein. Das Modem arbeitet im Millimeterwellen-Bereich und ist auch eher für Testumgebungen gedacht, für die Muster schon deutlich früher verfügbar sein werden. Man sollte aber jetzt noch keine Smartphone Ankündigungen mit diesem Modem erwarten.

Um den Übergang zwischen heutigen 4G LTE-Netzen und den zukünftigen 5G-Netzen zu vereinfachen, wurde eine Partnerschaft mit Netgear, Telstra und Ericsson angekündigt, deren Ziel die Entwicklung und Auslieferung erster kommerzieller Gigabit-fähiger Geräte und passender Netze ist.

Qualcomm betrachtet Gigabit LTE als notwendigen Baustein und die Grundlage für 5G um mehr Bandbreite auf einem größeren Bereich verfügbar zu machen bis 5G-Systeme auf den Markt kommen, die noch mehr Bandbreite auf einem noch weiteren Bereich bereitstellen können. Telstra ist ein australischer Telekommunikations-Provider, der aktuell das erste Gigabit LTE Netz aufbaut und testet. Equipment und Software kommen dabei von Ericsson. Ziel ist in diesem Falle die Versorgung von Haushalten mit mehr Internet-Bandbreite, ohne dafür neue, teure Kabel verlegen zu müssen. Diese ist international offensichtlich das erste Ziel von 5G-Entwicklungen, denn auch Verizon und AT&T arbeiten in den USA an ähnlichen Systemen. Telstra möchte einen kommerziellen Launch schon in den nächsten Monaten vornehmen.

Die Kunden von Telstra werden mit dem mobilen Router MR-100 von Netgear versorgt. Das ist ein Gigabit LTE Endpunkt und WiFi Router, der Download-Geschwindigkeiten von bis zu 1 Gbps ermöglichen soll. Dabei wird eine Kombination von Carrier-Aggregation mit bis zu drei Carriern, MIMO-Technologie mit 4X4-MIMO für zwei aggregierte Carrier und 2X2-MIMO für den dritten zusammen mit 256-QAM-Modulation benutzt. Es sei an dieser Stelle zum Verständnis bemerkt, dass die Verwendung von 256-QAM bei LTE im Gegensatz zur Nutzung in WLANs erheblich stabiler ist. Im Router sind eine WiFi-Lösung, ein Snapdragon X16 LTE-Modem zusammen mit einem WTR5975-Transceiver verbaut, alle Komponenten von Qualcomm.

Das ist der erste Einsatz eines Snapdragon X16, das im Februar 2016 vorgestellt wurde. X16 ist die sechste Generation eines diskreten LTE Modems hergestellt mit einem 14nm FinFET-Prozess. Er ist in der Lage, 1 Gbps im Downlink (LTE Advanced Kategorie 16) und 150 Mbps im Uplink (Kategorie 13) zu verarbeiten.

Das Snapdragon X16 LTE Modem wurde entworfen, um LTE Geschwindigkeiten im Gigabit-Bereich mit dem gleichen spektralen Aufwand wie ein LTE Kategorie 9 Modem zu erreichen. Durch die Nutzung von Carrier Aggregation und 4X4-MIMO kann das Modem unter Nutzung von lediglich drei 20 MHz-Kanälen 10 individuelle Datenströme empfangen. Die Unterstützung von 256 QAM bringt jeden dieser Datenströme auf eine Geschwindigkeit von 75 … 100 Mbps, wobei durchaus noch weitere Gewinne möglich sind, wenn man die Modem-Kompression aktiviert.

Das Modem unterstützt die – heute noch durchaus umstrittenen – Verfahren zur Auslagerung von LTE Datenströmen auf lizenzfreie Bereiche, die sonst den WLANs vorbehalten sind. Diese Verfahren sind LTE-U (LTE Unlicensed) und LAA (Licensed Assisted Access) und der Unterschied ist, dass LAA mehr Funktionen zum Schutz evtl. in den Bereichen ebenfalls arbeitender WLANs enthält, wie LBT, DFS oder TPC. Dies wurde in einem früheren Artikel ausführlich beleuchtet. Die Kombination von Sendungen im lizensierten und unlizensierten Bereich reduziert (aus der Perspektive von LTE-Betreibern) die notwendige Anzahl der (wertvollen und knappen) LTE-Kanäle bzw. des benötigten Spektrums. So könnte man durchaus für die Übertragung von 1 Gbps mit 40 MHz oder weniger auskommen, der Rest geht dann über Bänder im unlizensierten Bereich.

Das aktuell noch diskrete X16 LTE-Modem wird in naher Zukunft auch in einem noch nicht mit einem Namen versehenen SoC integriert. Dieses SoC der nächsten Generation wird schon 2017 in führenden „Flagship“ Smartphones verbaut werden, damit diese bereits innerhalb der nächsten 12 Monate die neuen, hohen Ladegeschwindigkeiten nutzen können, die in den weltweit entstehenden Gigabit LTE-Netzen führender Provider nutzen zu können.

Das Snapdragon X50 5G-Modem arbeitet zunächst nur im 28 GHZ-Millimeterwellenbereich und unterstützt dabei die Verizon 5GTF und KT 5G-SIG-Spezifikationen. In diesem Bereich stehen deutlich breitere Frequenzbänder zur Verfügung. Daher verkraftet dieses neue Modem die Aggregation von acht 100 MHz breiten Kanälen und damit den Zugang zu einem 800 MHz breiten Spektrum im Vergleich zum maximal 80 MHz breiten Spektrum beim X16 (4X20 MHz). Aktuell erreicht dieses Modem somit Download-Geschwindigkeiten von bis zu 5 Gbps. Die Bild 18 zeigt den Unterschied zwischen üblichen LTE-Bandbreiten und den für 5G angestrebten im Millimeterwellen-Bereich sehr anschaulich.

Die geringe Reichweite ist aber ein schon sehr lange bekanntes Problem. Qualcomm möchte das mit Feldern vieler kleiner Antennen und adaptivem Beamforming und Beam-Tracking lösen um auch einen Betrieb ohne direkte Sichtlinie zu ermöglichen und dabei auch Oberflächen-Reflexionen zu nutzen, um Objekte zu umgehen und „um die Ecke“ sehen zu können.

Das Snapdragon X50 Modem kommt mit zwei ebenfalls neuen Millimeterwellen-Transceivern SDR051 und dem PMX50 Power Management IC, um zukünftige Fixed Wireless Anwendungen unterstützen zu können. Da es nur Millimeterwellen-Übertragung unterstützt, wird noch ein zusätzliches 4G-Modem für Daten-Uplink, Voice-Kommunikation und 4G/5G Handover (abhängig von der Verfügbarkeit) benötigt.

Qualcomm erwartet wie gesagt, Muster des Snapdragon X50 Modems ab Mitte 2017 liefern zu können, so dass in der ersten Hälfte 2018 kommerzielle Produkte mit diesem Modem möglich sind.

19. Konsequenzen

Wir haben gesehen, dass 5G nicht auf einer singulären Verbesserung basiert, sondern mit einem in der Zukunft noch fein abzustimmenden Spektrum von technologischen Weiterentwicklungen einhergeht. Aktuell gibt es für alle Bereiche unterschiedliche Ansätze und auch der Einfluss von Hersteller- und Interessen-Organisationen sollte nicht unterschätzt werden, weil hier vielfach auch Pionier-Arbeit geleistet wird, die von definierenden Gremien nicht zu erwarten ist. Wie aus den Darstellungen auch klar geworden sein sollte, wird es kaum jemals einen Zeitpunkt geben, an dem alles „fertig“ ist, sondern spätestens die ersten kommerziellen Installationen werden neue Anforderungen, Probleme und Lösungen hervorbringen, ob nun mit oder ohne den Segen der internationalen Standardisierung. Natürlich benötigt man auch diese für ein funktionierendes globales Kommunikationssystem, aber die Ansicht des Autors ist es, dass sich im Rahmen nachgeordneter Technologien, wie Small Cells, durchaus Freiheiten ergeben könnten. Die MIoT-Entwicklung ist schon jetzt völlig unübersichtlich und wird letztlich zu einem großen faszinierenden Schmelztiegel neuer Ideen. Wie auch zum Ende des letzten Artikels kann ich jedem nur raten, seinen persönlichen Platz in der 5G -Ökonomie und -Wertschöpfungskette zu finden.

zugeordnete Kategorien: Archiv, Klassiker
zugeordnete Tags:

Sie fanden diesen Beitrag interessant? Sie können



Anmerkungen, Fragen, Kommentare, Lob und Kritik:

Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

*

.