5. Generation

Die Mobilfunktechniken werden durch Mobilfunkgenerationen repräsentiert, die mit Ziffern bezeichnet werden. Nach dieser Hierarchiegliederung stand die 4. Generation (4G) im Zeichen von Long Term Evolution (LTE). 5G ist die Bezeichnung der ITU für ein Mobilfunknetz der 5. Generation (5G) mit Datenraten im Gigabit-Bereich. 5G wird vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) mit der Initiative IMT-2020 vorangetrieben und ist als umfassendes Konzept zu verstehen, das verschiedene Netzwerke, Technologien und Anwendungen umfasst.

Ein Beispiel für die 5G-Standardisierung ist die Luftschnittstelle New Radio (NR), die größere Frequenzbereiche abdeckt. Release 15 von Long Term Evolution Advanced (LTE-A) ist ein Standard für New Radio. Daneben geht es auch um das hochflexible Kernnetz. In 5G-Netzen sollen alle 5G-Endgeräte betrieben werden können, unabhängig von ihrer Technologie.

5G mit Datenraten im Gigabit-Bereich

Die von Mobilfunknetzen unterstützten Datenraten hängen ab von der Sendefrequenz und damit von der zur Verfügung stehenden Bandbreite. Die Flächenkapazität liegt bei 10 Mbit/s pro Quadratmeter. Den Endanwendern stehen Datenraten von 100 Mbit/s im Downlink und 50 Mbit/s im Uplink zur Verfügung. Bei Millimeterwellen sind Datenraten von 20 Gbit/s im Downlink und 10 Gbit/s im Uplink realistisch. Diese hohen Datenraten können mit der QAM-Modulation QAM 1024 erreicht mit der die spektrale Effizienz erhöht werden kann.

Bei der 5G-Technik geht es primär um Kapazitätssteigerungen. Diese können durch verbesserte Modulationsverfahren wie dem Generalized Frequency Domain Multiplexing (GFDM), Mehrträgerübertragungen, Quadraturamplitudenmodulation (QAM), Träger-Aggregation, OFDMA, QPSK, 3D-MIMO und Massive MIMO, Adaptive Antenna System (AAS), räumlichem Beamforming, Ultra Low Latency (ULL) mit Latenzzeiten von unter 1 ms, Verkleinerung der Funkzellen hin zu Femtozellen und einigen anderen Techniken erreicht.

Die Frequenzbereiche von 5G

Was die Frequenzbereiche für 5G betrifft, so geht um den 2-GHz-Bereich und den 3,6-GHz-Bereich, deren Reichweite vergleichbar der von UMTS und Long Term Evolution (LTE) ist. Bei den genannten Frequenzbereichen geht es speziell um Frequenzen zwischen 1,920 GHz und 1,980 GHz und um die zwischen 2,110 GHz und 2,170 GHz.

Da für die Hochgeschwindigkeitsübertragung mit 5 Gbit/s breite Frequenzbänder benötigt werden, können in der Europäischen Union die Frequenzbereiche zwischen 24 GHz und 27 GHz zur Verfügung. Der untere Frequenzbereich der Zentimeterwellen bis 30 GHz soll für eine flächenmäßige Abdeckung sorgen, der darüber liegende Frequenzbereich der Millimeterwellen eignet sich für Smart Cells aus Mikrozellen und Picozellen mit geringer Reichweite. In anderen Ländern wird der Einsatz von Millimeterwellen in den Frequenzbereichen von 71 GHz bis 76 GHz und von 81 GHz bis 86 GHz getestet.

Für Hotspots geht es später um Frequenzen zwischen 24,25 GHz und 27,5 GHz. Bei Frequenzbereichen über 20 GHz liegen die Bandbreiten bei 100 MHz, 200 MHz und 400 MHz. Mit Trägerbündelung werden Bandbreiten bis zu 2 GHz erreicht. Die hohen Frequenzen haben eine extrem hohe Freiraumdämpfung und werden für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit Mikrowellen-Richtfunk eingesetzt. Zur Netzabdeckung von 5G sind sie weniger geeignet, weil diese Frequenzen eine extrem hohe Dichte an Basisstationen und vielen Antennen voraussetzen. Neben den genannten Frequenzen soll später das Frequenzband der Digitalen Dividende III zwischen 470 MHz und 694 MHz für Broadband Fixed Wireless Access (BFWA) für 5G genutzt werden.

5G-Smart Cells

Mobilfunknetze der 5. Generation bestehen aus Smart Cells verschiedenster Größe: Aus Mikrozellen, Picozellen und Femtozellen. 5G-Mikrozellen erreichen mit einer Sendeleistung zwischen 2 W und 5 W eine Abdeckung von bis zu 2 km. Eine solche Mikrozelle kann von bis zu 200 Mobilfunkteilnehmern gleichzeitig genutzt werden. Dagegen haben Picozellen, die in Shoppingzentren, Bahnhöfen, Hallen oder Stadien eingesetzt werden, eine Sendeleistung von 100 mW bis 500 mW und decken einen Bereich bis zu 250 m ab. Die im Indoor-Bereich eingesetzten Femtozellen senden mit 10 mW bis 100 mW. Ihr Senderadius liegt bei bis zu 50 m und es können sich bis zu 16 Nuitzer einloggen.

5G-Konzepte und -Anwendungen

Die 5G-Technik unterstützt Mesh-Netze in denen die Mobilfunkgeräte als Relay-Stationen für andere Mobilgeräte mit schlechtem Empfang agieren. Des Weiteren unterstützen sie Software Defined Networking (SDN) für ein flexibleres Backbone-Netz und Device-to-Device Communication (D2D), bei der die Mobilgeräte innerhalb einer Funkzelle direkt miteinander kommunizieren und so die Basisstation entlasten. Außerdem kann die Netzwerkinfrastruktur mittels Network-Slicing partitioniert und mit Network Functions Virtualization (NFV) eine hohe Flexibilität zwischen Kernnetz und mobilen Zugang sichergestellt werden.

Was die Einsatzbereiche betrifft, so geht es bei den Mobilfunknetzen der 5. Generation um mobile Dienste mit höchster Bandbreite, Enhanced Mobile Broadband (eMBB), um Mobile Computing, Social Networking, Video-Sharing, Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M), um die Verkehrssteuerung, Smart Cities, Echtzeitkommunikation im Web und weitere Mobile Services wie e-Health und um Einsatzgebiete im Internet of Things (IoT) bzw. im Industrial Internet of Things (IIoT). Die ITU hat für die Mobilkommunikation der 5. Generation drei Dienstkategorien festgelegt: Enhanced Mobile Broadband (eMBB) konzentriert sich auf Dienste mit hohen Bandbreiten. Bei Ultra Reliable Low Latency Communication (uRLLC) geht es um latenzsensitive Dienste wie autonomes Fahren, und bei Massive Machine-Type Communications (mMTC) geht es um Services mit hoher Anschlussdichte. Des Weiteren werden Hochverfügbarkeit und ein möglichst geringer Energieverbrauch gefordert, der etwa ein Zehntel der heutigen Systeme beträgt.

Datenraten 
   der verschiedenen Mobilfunknetze

Datenraten der verschiedenen Mobilfunknetze

Anhand der Einsatzgebiete erkennt man, dass einerseits Datenverkehr mit hoher Bandbreite, wie er beispielsweise beim Videostreaming auftritt, bewältigt werden muss, andererseits aber auch einzelne kleine Datenpakete über 5G-Netze versand werden, die die Sensordaten im Internet of Things (IoT) oder Daten von Smart Wearables beinhalten. Es geht also auch, oder im Besonderen, um die Kommunikation von preiswerten Endgeräten, den Low End Devices. Darüber hinaus müssen die Dienste unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden. So werden bei der M2M-Kommunikation und der Car-to-Car-Kommunikation geringste Latenzzeiten von wenigen Millisekunden gefordert oder beim BOS-Funk müssen gesetzliche Sicherheitsstandards erfüllt werden. Was die Anschlussdichte betrifft, so soll 5G eine Millionen Endgeräte pro Quadratmeter vernetzen. Insgesamt können mehrere Milliarden Benutzer und Trillionen Dinge über 5G vernetzt werden.

Informationen zum Artikel
Deutsch: 5. Generation
Englisch: fifth generation - 5G
Veröffentlicht: 05.06.2020
Wörter: 960
Tags: 4G, 5G, Long Term Evolution
Links: 3D-MIMO-Technik, 3GPP (third generation partnership project), 4. Generation, AAS (adaptive antenna system), ADS (automated driving system)