Mobilfunkstandardisierung beginnt 2016

5G als Teil einer umfassenden Netztransformation

| Autor / Redakteur: Hans-Peter Mayer / Rainer Graefen

Ab 2018 soll es erste Feldversuche mit 5G-Technik geben.
Ab 2018 soll es erste Feldversuche mit 5G-Technik geben. (Bild: Natalia Merzlyakova_Fotolia.com)

Weltweit forschen Unternehmen und Institutionen an 5G, dem nächsten Mobilfunkstandard. Die EU-Kommission hat ein Investitionsprogramm von 700 Millionen Euro aufgelegt, das in den nächsten sieben Jahren die 5G-Forschung beschleunigen soll. Schneller und breitbandiger war bisher die Maxime. Gilt das auch für den neuen Standard?

Das Internet der Zukunft muss verstehen, was ein Nutzer genau benötigt – ob er eine Kurznachricht schreibt, surft oder eine neue Anwendung nutzt – und seine Ressourcen daran anpassen. Und das Internet der Zukunft wird noch viel mehr als heute von neuen Arten von Endgeräten und einer riesigen Zahl vernetzter Sensoren geprägt sein.

Letztere spielen im Internet der Dinge eine wichtige Rolle. Über Sensoren werden oft kleine Datenmengen übertragen, die dafür sehr kostengünstig und batterieeffizient sein müssen. Die Anforderungen an das Mobilfunknetz der Zukunft werden also heterogener.

Einsatzzweck

Das ist ein wesentlicher Treiber für die Entwicklung der nächsten Mobilfunkgeneration 5G. Denn die heutige vierte Generation wurde nicht für die Anforderung konzipiert, breitbandigen Datenverkehr und einzelne kleine Datenpakete gleichermaßen gut zu verarbeiten.

Bisher wurde jede Mobilfunkgeneration für einen bestimmten Einsatzzweck entwickelt. Beim 2G/GSM-Netz war es die mobile Sprachkommunikation. Bei 3G (UMTS) waren es Datendienste, die anfangs noch recht schmalbandig waren. Erst HSPA machte UMTS für viele Nutzer wirklich datentauglich. Die 4G/LTE-Entwickler schließlich dachten an mobile Breitbandanwendungen, als sie an dem Standard feilten. Internet, Video, Social Media und auch Online-Gaming sollten auf mobilen Endgeräten ohne Probleme funktionieren.

Internet der Dinge

Solche Breitbandanwendungen werden auch in einer 5G-Zukunft eine große Rolle spielen. Aber der Verkehr durch viele vernetzte „Dinge“ wird hinzukommen. Viele vernetzte Gegenstände mit batteriebetriebenen Sensoren sollen dabei nur in langen Zeitintervallen oder gar nicht gewartet werden. Das verlangt langlebige Batterien.

Ergänzendes zum Thema
 
Zusammenfassung

Benötigt wird also eine Funktechnologie, die es erlaubt, vergleichsweise günstige mobile Mini-Sender und -Empfänger mit Batterien mit mehrjähriger Laufzeit zu bauen. Sie können auch in „Wearables“ eingesetzt werden, beispielsweise in vernetzten Uhren oder Bekleidung. 5G wird deshalb mehr Geräteklassen, besonders sogenannte „Low End Devices“, unterstützen als 4G.

Wichtig sind auch geringere Reaktionszeiten der Technik (Latenz) als bei LTE. In der Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) müsste die Latenz deutlich unter 10 Millisekunden sinken, damit Automobilhersteller Fahrzeugassistenzsysteme besser realisieren können, die helfen, Kollisionen zu vermeiden oder ihre Folgen zu mildern. Sie müssen in Sekundenbruchteilen das Kollisionsszenario und den Aufprallwinkel berechnen, um daraus die Reaktion der Fahrzeugsysteme zu berechnen und so die Unfallfolgen abzumildern.

Ein fiktives anderes Beispiel wäre ein virtuelles Orchester, bestehend aus verteilten Musikern, die gemeinsam musizieren. In der mobilen Bild- und Tonübertragung eines solchen Konzerts muss die Latenz minimal sein.

Diversifizierter und priorisierter Mobilfunk

Eine weitere Anforderung an das 5G-Netz ist, Dienste beziehungsweise Anwendungen in genau der Qualität abzuliefern, die eine bestimmte Kommunikationssituation erfordert. Benötigt ein Nutzer in einer schlechten Empfangssituation mehr Ressourcen, um einen Datei-Download ohne Fehler abzuschließen, bekommt er sie. Das Netz soll kontextsensitiv werden, sich an den Bedürfnissen des Benutzers orientieren.

5G wird es erlauben, verschiedene Dienste mit sehr unterschiedlichen Netzanforderungen auf derselben Mobilfunkinfrastruktur ablaufen zu lassen. So könnte es einen Dienst mit besonders niedriger Latenz für vernetzte Autos geben, einen Dienst mit hoher Bandbreite für Streaming TV, einen Dienst mit den besonderen Anforderungen der Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS).

Sie alle laufen auf den gleichen Systemen. Das spart Ressourcen, also Energie, Spektrum und auch Kosten.

5G-Forschung

An 5G arbeiten derzeit Forscher weltweit, mit einem gewissen Schwerpunkt in Europa und in Asien. Nicht zuletzt durch das Public-Private-Partnership-Programm (5GPPP im Rahmen von Horizon 2020) ist die Europäische Union bestrebt, der 5G-Forschung in Europa eine führende Position weltweit zu sichern. Die EU verfolgt dabei zwei Ziele.

Erstens soll die europäische TK-Industrie gestärkt werden, die mit der GSM-Entwicklung einst den Siegeszug heutiger Mobilfunknetze begründete. Zweitens sollen Wachstumsfelder wie Smart Cities, eHealth, intelligente Transport- und Logistiksysteme sowie Erziehung, Unterhaltung und Medien gefördert werden.

Die EU-Kommission benennt die gewünschten Fortschritte: Die Kapazität drahtloser Verbindungen soll 1.000-mal größer sein als mit 4G, sieben Milliarden Menschen und sieben Billionen „Dinge“ weltweit vernetzen und 90 Prozent des Stromverbrauchs einsparen.

Optimale Schnittstelle

Ein Forschungsschwerpunkt der 5G-Entwicklergemeinde zielt natürlich auf geringere Latenzzeiten ab. Die Reaktionsgeschwindigkeit eines Mobilfunksystems lässt sich verringern, indem man mehr Funkressourcen – Funkspektrum oder Zeit – zur Verfügung stellt. Will man Daten per Funk mit kleiner Latenzzeit übertragen, muss man dafür sorgen, dass bereits die erste Übertragung erfolgreich ist. Dafür können die Bits zum Beispiel so kodiert werden, dass sie mehr Spektrum benötigen. Oder man benutzt eine zusätzliche parallele Funkverbindung.

Fließender Übergang

An beiden Aspekten wird derzeit geforscht. Alcatel-Lucents Bell Labs arbeiten an einer verbesserten Funkschnittstelle für 5G. Die Forscher entwickelten eine neue Wellenform mit dem Buchstabenkürzel UF-OFDM (Universal Filter Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Dabei handelt es sich um eine Weiterentwicklung der aktuell in LTE-Netzen verwendeten Wellenform OFDM. Über UF-OFDM lässt sich breitbandiger Multimediaverkehr genauso gut übertragen wie schmalbandiger Sensorenverkehr. Das verbessert die Kapazität eines 5G-Mobilfunknetzes.

Alcatel-Lucent erwartet einen fließenden Übergang von LTE zu 5G. Beide Technologien werden wohl einige Jahre nebeneinander existieren. In dieser Zeit des Übergangs wird sich das Funknetz wie auch das dahinter liegende Kernnetz radikal verändern. Stichworte sind Virtualisierung (Network Function Virtualization) und Software Defined Networking.

So wird die Steuerungslogik von Basisstationen (eNode B) zukünftig komplett softwarebasiert sein, während die Antennentechnik und Signalverarbeitung hardwarebasiert bleiben werden. Dabei wandert die Softwareintelligenz des Netzes zunehmend in die „Cloud“.

Mehr Antennen nah beim Anwender

Und auch diese verändert sich: Sie wird dezentral, rückt geografisch näher an den Endanwender heran („Edge Cloud“). Das verkürzt die Laufzeit von Funksignalen – wichtig in Hinblick auf die benötigten kurzen Latenzzeiten für das Internet der Dinge.

Zudem werden Mobilfunknetz und Festnetz auf Basis von All-IP weiter zusammenwachsen. 5G wird dabei als Bindeglied zwischen vollständig mobilen Nutzern und einem Festnetz, das Gigabit-Geschwindigkeiten bietet, seinen Platz haben. Gleichzeitig werden die heute noch vorherrschenden Makrozellen im Mobilfunknetz abgelöst durch eine Mischung aus Makrozellen und Small Cells.

Ein heterogenes Netz („HetNet“) entsteht, das sehr viel enger als heute geknüpft ist und dadurch mehr Datenkapazität bietet. Ohne diese Verdichtung des Netzes geht es nicht, wenn die durch das Internet der Dinge weiter steigenden Datenmengen transportiert werden sollen.

Ausblick

Der Autor: Dr. Hans-Peter Mayer, Head of Next-Generation Wireless, Bell Labs, Alcatel-Lucent
Der Autor: Dr. Hans-Peter Mayer, Head of Next-Generation Wireless, Bell Labs, Alcatel-Lucent (Bild: Alcatel-Lucent)

Es wird nicht mehr lange dauern, bis die hier skizzierten Forschungsansätze reif für eine Standardisierung sind. Sie soll bereits 2016 beginnen. Ab 2018 werden dann erste Feldversuche mit 5G-Technik erwartet. In der Breite werden 5G-Netze ab 2020 ausgerollt werden. Bis dahin wird sich nicht nur die Mobilfunkwelt, sondern das gesamte weltweite Kommunikationsnetz radikal verändert haben. Eine umfassende Vernetzung aller Lebensbereiche wird dann Realität sein.

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