5G: So funktioniert der neue Mobilfunk-Standard

Es gab auf den letzten Mobile-World-Congress-Terminen in Barce­lona keinen Ausrüster und kaum einen Netz­be­treiber, der nicht seine Produkte und Ideen für das "Mobil­funk­netz der Zukunft" präsen­tierte. Die Deut­sche Telekom hatte schon 2015 im Rahmen der von ihr stark unter­stützten NGMN-Initia­tive ("next genera­tion mobile network") sogar extra zur Pres­se­kon­fe­renz gerufen. "2020 muss das neue Ding da sein", forderte der Telekom-CTO Bruno Jacob­feu­er­born damals schon klar und unmiss­ver­ständ­lich. Und der Termin wird wohl hinhauen. Zunächst war noch über­haupt nicht klar, wie das "neue Ding" aussehen könnte. Mitt­ler­weile hat sich der Schleier längst gelüftet. Wir geben Ihnen einen Einblick in das, was 5G bringen könnte.

5G soll die Grenzen dessen, was über­haupt mit Mobil­netzen möglich ist, ganz erheb­lich erwei­tern. Und zwar in mehrere Rich­tungen gleich­zeitig: Von ultra-schnell (mehrere Gigabit pro Sekunde in einer Zelle; mindes­tens 50 bis 100 MBit/s beim indi­vi­du­ellen Nutzer) über ultra-reaktiv (bis hinunter zu 1 ms Antwort­zeit vom Netz­werk, statt derzeit typisch 50 ms) hin zu ultra-sparsam (Dauer­be­trieb eines per Mobil­funk ange­bun­denen Sensors mit einer handels­üb­li­chen Batterie für zehn Jahre) reicht das Spek­trum. Endge­räte sollen auch direkt mit anderen Endge­räten Daten austau­schen können, zwar auto­ri­siert über die Basis­sta­tion, aber ohne Umweg über diese. Nicht zuletzt: Die von den Netzen trans­por­tierte Gesamt­da­ten­menge soll sich vertau­send­fa­chen, während der Gesamt­strom­ver­brauch halbiert wird.

Heraus­for­de­rung ange­nommen

Gleich mehrere Anbieter erreichen inzwischen über 20 GBit/s mit ihren 5G-Testsystemen Es ist verständ­lich, dass sich die TK-Indus­trie ob solcher Heraus­for­de­rungen in Aufbruchs­stim­mung befindet. Die ersten tech­no­lo­gi­schen Entwick­lungen, die darauf basie­renden Stan­dar­di­sie­rungen, die konkreten Produkt­ent­wick­lungen und die nötigen Inter­ope­ra­bi­li­täts­tests sind bereits abge­schlossen. In Süd-Korea (seit 2018) und in der Schweiz (seit 2019) sind die ersten 5G-Netze im öffent­li­chen Wirk­be­trieb, in den USA ebenso.

Test-Instal­la­tionen mit nicht ganz durch­stan­dar­di­sierten, aber grund­sätz­lich bereits 5G-kompa­ti­blen Netzen, gibt es noch einige mehr.

Entwick­lung mit Riesen­schritten

Auf dem Mobile World Congress 2015 zeigte Ericsson ein "mobiles" Endgerät ("mobil" im Sinne von: "kann geschoben werden") mit 5 GBit/s, SK Telecom gab gar an, 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. Aber nicht überall, wo 5G drauf­steht, ist wirk­lich 5G drin. In den USA beispiels­weise zeigen bestimmte Handys auch in 4G-Netzen schon 5G an.

Dutzende oder gar hunderte Antennen auf einmal

Die eingangs genannte dras­ti­sche Stei­ge­rung der Gesamt­ka­pa­zität kann durch verschie­dene Maßnahmen erreicht werden: Bessere Modu­la­tion, ange­passte Duplex-Verfahren bis hin zu full duplex, Verdich­tung der Zellen, Nutzung brei­terer Frequenz­bänder und/oder 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 Auf dem Mobile World Congress zeigte ZTE eine ange­sichts der 256 einzelnen enthal­tenen Antennen, Endver­stärker, Empfänger und zuge­hö­rigen Base­band-Einheiten erstaun­lich 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 2 im Endgerät) und TDD wäre hingegen nur ein Viertel dieser Gesamt­band­breite erreicht worden!

Möglich­keiten und Limi­tie­rungen von MIMO und Beam­for­ming

ZTE zeigte zugleich die Möglich­keiten - deut­liche Band­brei­ten­stei­ge­rung - als auch die Limi­tie­rungen von MIMO und Beam­for­ming: Die Ver-64-fachung der Zahl der Anten­nen­ele­mente auf der Seite der Basis­sta­tion bringt in diesem Test­bei­spiel nur eine Vervier­fa­chung des Gesamt­durch­satzes. Auch andere Redner erwähnten beispiels­weise beim MWC, dass MIMO ständig "over promised" und "under deli­vered" habe.

MIMO allein wird die nötige Kapa­zi­täts-Erwei­te­rung somit nicht leisten können. Deswegen wird auch laut über zusätz­liche Frequenz­bänder nach­ge­dacht. Welche Probleme diese jedoch mit sich bringen, lesen Sie auf Seite 2 unseres 5G-Arti­kels.

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