Auf dem Weg zu 5G: Evolution statt Revolution

Die rasante Entwicklung der Mikroelektronik macht auch vor dem Mobilfunk nicht Halt. Besonders die kompakten Masse und die Leistungsfähigkeit der Endgeräte bei geringem Gewicht zeigen deutlich, wie gross der Fortschritt bei diesen kleinen intelligenten Minicomputern mit dem schönen Namen Smartphone ist. Während deren Innovationszyklus unterdessen nur noch wenige Monate beträgt, verläuft die Entwicklung der Mobilfunknetze ungleich gemächlicher.

Denn hier werden jährlich Milliarden Euro in den Netzausbau investiert, die nicht einfach innerhalb von Monaten abgeschrieben werden können. Dazu sieht es auf der Ertragsseite wegen der rückläufigen Preisentwicklung düster aus, während in den Frühzeiten des Mobilfunks viel weniger Nutzer bedeutend mehr für die Nutzung des Services zahlten. Dies erklärt im Rückblick auch die Goldgräberstimmung bei den Lizenzversteigerungen um die Jahrtausendwende (wie etwa bei UMTS in Deutschland). Heute sichert die grössere Masse an Kunden die Umsätze.

Erste Generation entstand in den 1980er-Jahren

Der Standard für die erste digitale Mobilfunkgeneration "A Global System For Mobile Communications" (GSM) wurde bereits Ende der 1980er-Jahre entwickelt. In der Schweiz wurde GSM am 06.03.1993 zum Autosalon von der damaligen Telecom PTT als "Natel-D GSM" lanciert. Man spricht hier von 2G als erste digitale Mobilfunkgeneration und fasste alle vorherigen Generationen (NATEL-A bis C) unter 1G zusammen, da sie analog funktionierten.

Das leitungsvermittelte GSM existiert noch heute und gilt auch unter schwierigen Empfangsbedingungen als vergleichsweise übertragungssicher, was besonders für die Telefonie in Gebäuden oder für die zunehmend wichtige Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) von grosser Bedeutung ist. Bei M2M werden in der Regel nur kurze Abfragen übertragen, weshalb die beschränkte Kapazität zur Datenübertragung von GSM weniger ins Gewicht fällt.

Ende von GSM naht

Die erst zirka 10 Jahre nach dem GSM-Launch eingeführten paketvermittelten Dienste GPRS und EDGE reichen zum Transport kurzer Datenpakete völlig aus. GPRS ist in allen GSM-Netzen vorhanden, während EDGE zwar zum Beispiel bei Swisscom und Vodafone, aber längst nicht in allen GSM-Netzen implementiert wurde. GSM soll etwa 2020 bis 2022 abgeschaltet werden, was insbesondere den Bereich M2M vor grosse Herausforderungen stellt.

Entfernt aufgestellte Automaten, Messeinrichtungen oder Lifttelefone nutzen neben analogen Festnetzverbindungen oft auch robuste, auf GSM basierende Übertragungen. Diese werden voraussichtlich durch neue Low Power Networks (LPN) ersetzt, die für M2M bestens geeignet sind und zudem mit extrem tiefen Sendeleistungen in lizenzfreien Bändern funken.

Entwicklung über 3G und 4G

Während auch bei Universal Mobile Telecommunications System (UMTS/3G) der Schwerpunkt auf stabiler Sprach- und (aus heutiger Sicht eher schmalbandiger) Datenübertragung lag, zwangen die schnelle Verbreitung des Internets und der damit einhergehende rasante Anstieg des Bandbreitenbedarfs die Mobilfunkbetreiber zum Handeln. UMTS startete 2004 in der Schweiz und wurde im Laufe der Jahre mit High Speed Packet Access (HSPA und HSPA+) für Bandbreiten im Bereich einiger Dutzend Mbit/s ausgestattet.

Damit wurden mobile Endgeräte erstmals internettauglich. Bei Long Term Evolution (LTE/4G) als erstes vollständig auf dem IP-Protokoll basiertes Mobilfunknetz stehen von Beginn an schnellere Datenverbindungen im Fokus, da seit der Einführung von LTE bereits rund 75 Prozent aller Nutzer ein Smartphone nutzen.

Trend setzt Netzbetreiber unter Druck

Voice over LTE (VoLTE) wurde erst später eingeführt, sodass alle LTE-fähigen Smartphones zum simplen Telefonieren meist UMTS oder GSM nutzen. Ist ein WLAN mit genügender Bandbreite und Stabilität in der Nähe, gelingt das Telefonieren alternativ auch mit Anwendungen wie Skype oder Whatsapp. Hier wird zwar keine Quality of Service (QoS) garantiert, aber für eine Gratis-App funktioniert das stationäre Telefonieren gar nicht schlecht – abgesehen von teils unschönen Echos, Verzögerungen oder Verzerrungen.

Dieser Trend zur mobilen Gratistelefonie setzt wiederum die Netzbetreiber unter Druck, qualitativ hochstehende Sprachverbindungen zu möglichst günstigen Konditionen bereitzustellen. Bei VoLTE fallen etwa der schnelle Verbindungsaufbau und die gute Qualität positiv auf. Viele Smartphones implementieren hochqualitative Sprachcodecs (HQ Voice) und bieten in Zusammenarbeit mit dem Mobilfunknetz eine verblüffend gute Sprachverständigung.

Kanalbündelung auch bei 5G

Weil der Bandbreitenhunger dank häufiger Nutzung mobiler Videodienste wie Youtube oder der Austausch hoch aufgelöster Fotos oder Filme über soziale Medien wie Facebook, Twitter, Flickr etc. weiter zunimmt, werden bei der aktuellen Ausbaustufe LTE-Advanced(LTE-A)-Kanäle auf verschiedenen Frequenzbändern aufgebaut und gebündelt.

Je breiter das Frequenzband, desto höhere Geschwindigkeiten kann der jeweilige Netzbetreiber anbieten. Dieses Konzept der Kanalbündelung wird auch bei 5G weiterverfolgt. Da 5G vermutlich im 6- oder vermutlich im 11-GHz-Band angesiedelt ist, wird 5G ohne Repeater in Gebäuden (stationär) oder in Fahrzeugen (beweglich) kaum funktionieren beziehungsweise kaum stabile breitbandige Verbindungen aufbauen können.

Denn hohe Frequenzen reagieren empfindlich auf Hindernisse und dringen nur schlecht in Gebäude ein, was durch gute isolierte Gebäudehüllen (Stichwort Minergie) noch verstärkt wird. Fahrzeuge als rollende Faraday’sche Käfige werden bei hohen Frequenzen im GHz-Bereich Empfangsprobleme haben. Zudem ist die Reichweite bei solchen Frequenzen kaum grösser als wenige Dutzend bis einige 100 Meter, was zur flächendeckenden Versorgung eine Vielzahl von Zellen bedingt.

Zum Vergleich: Bei GSM (900 MHz) betrug der Radius einer ländlichen Funkzelle anfangs noch bis zu 10 Kilometer. Die Entscheidung der Netzbetreiber, LTE/4G im ländlichen Bereich auf 800 MHz oder später gar auf 700 MHz aufzusetzen, ist darum goldrichtig. Sie können auch nach der Abschaltung von GSM und nach dem Launch von 5G weiterhin eine vernünftige Reichweite und Mobilfunkversorgung anbieten, sei es mit UMTS/3G oder LTE/4G.

Problematische Inhouse-Versorgung

Für die stationäre Versorgung von Gebäuden existieren bereits technische Lösungen, etwa Inhouse-Repeater. Auch die Nutzung des Endgeräts einer anderen Funktechnologie innerhalb von Gebäuden wie WLANs oder Femtozellen (= 3G- oder 4G-Kleinstzellen mit Sendern geringer Leistung) bringt eine deutliche Besserung des Inhouse-Empfangs. Seit 4G sind die Endgeräte zudem in der Lage, mit mehreren Basisstationen innerhalb eines Netzes gleichzeitig zu kommunizieren. Bei 5G wird dieses Konzept wie bereits bei LTE-A Pro weiterverfolgt, die für die jeweilige Anwendung notwendige Bandbreite auch technologieübergreifend bereitzustellen.

5G-Endgeräte werden daher mehrere Netztypen und verschiedene Netzgenerationen gleichzeitig unterstützen, selbst wenn es deren Akkulaufzeit einschränkt. Dies stellt hohe Anforderungen nicht nur an das Endgerät, sondern auch an die Netzintelligenz. Auch hier spielt LTE den Vorreiter, wo mehrere Übertragungs- (Frequenz- und Zeitmultiplex, FDD/TDD) und Modulationsverfahren parallel verwendet werden.

WLAN-Technik auch für 5G

Im Downlink wird die Modulationsart OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) und das Kanalzugriffsverfahrens OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) verwendet, im Uplink SC-FDMA (Single Carrier FDMA), auch wenn beide technologisch verwandt sind. Die Signalübertragung über Multiantennen (Multiple Input, Multiple Output, kurz MIMO) ist von den WLANs bekannt und wurde bereits in 3GPP Rel. 10 in zellularen Netzen eingeführt. Sie wird aber weiter verfeinert und spielt auch bei LTE-A Pro und 5G eine zentrale Rolle.

MIMO mit mehreren Antennen auf beiden Seiten (meistens paarweise, daher 2x2 oder 4x4 MIMO) ermöglicht einen höheren Diversitätsgewinn sowie eine erhöhte Datenrate (Multiplexgewinn). Räumliches Multiplex ("Spatial Multiplexing") verteilt den Datenstrom gleichmässig auf N Sendeantennen, sodass jede Antenne nur die 1/N-fache Datenrate abstrahlen muss. "Beam Forming" wird die Möglichkeit zu einer variablen Antennencharakteristik genannt.

Damit ist es etwa möglich, einen schmaleren, aber längeren Strahl in eine entfernte Ecke einer Funkzelle zu senden, um einem dort befindlichen Teilnehmer eine zufriedenstellende Empfangsqualität zu ermöglichen. Man kann die Sendeleistung im anderen Extremfall aber auch auf eine kurze Distanz beschränken und einem nahen Teilnehmer einen möglichst schnellen Link bereitstellen.

Tabelle: Spektrale Effizienz verschiedener Mobilfunktechnologien (3GPP)

Das Resultat dieses Massnahmenpakets zeigt sich neben der Reduktion der Latenz von 10 ms (LTE-A) auf nur noch 2 ms (LTE-A Pro) auch an den verfügbaren Kanalbandbreiten. Diese betrugen bei Rel.8/9 noch feste 20 MHz (LTE), bei Rel.10 5x20 MHz (LTE-A) und beim jüngsten Rel.13 32x20 MHz (LTE-A Pro).

Zudem erhöht sich von Release zu Release die spektrale Effizienz als Mass für die Übertragungskapazität einer Luftschnittstelle, angegeben in Bit pro Sekunde pro Hertz Bandbreite pro Zelle (bit/s/Hz/cell). Die Übertragungskapazität wird wie bisher unter allen Teilnehmern aufgeteilt, die sich in einer Funkzelle aufhalten. Allerdings erfolgt dies heute dank ultraschneller Prozessoren in den Endgeräten bedeutend schneller (im Bereich von Millisekunden) und laufend während der Kommunikation.

Seit LTE-A (3GPP Rel. 10) besteht ausserdem die Möglichkeit, mehrere Kanäle zu bündeln, um etwa eine grosse Datei schnellstmöglich aufs Endgerät zu übertragen, ohne das Netz übermässig zu belasten. Diese Verfahren, genannt Carrier Aggregation (CA), wird auch bei LTE-A Pro verwendet und ebenso bei 5G zur Anwendung kommen.

Mögliche 5G-Eigenschaften

Eine zentrale Erwartung an die künftige Mobilfunk-Generation 5G besteht in der Bereitstellung hoher Bandbreiten und dem schnellen Verbindungsaufbau. Beides verhindert – im übertragenen Sinn – Verkehrsstaus im Netz. Denn je schneller die Abfragen einzelner Endgeräte etwa von Websites oder Server über das Mobilfunknetz abgewickelt werden, umso früher stehen die Server und Netze wieder für neue Abfragen bereit. Damit argumentierten 2014 die Netzbetreiber bereits bei der Realisierung von LTE, dass selbst Mobilfunknutzer mit älteren Endgeräten ohne LTE-Fähigkeit vom Netzausbau profitieren.

Die stetige Entwicklung zeigt sich nirgendwo besser als im Standardisierungsgremium 3GPP, das mit der Spezifikation von LTE-A Pro das mittlerweile 13. Release verabschiedete. Es beinhaltet unter anderem verschiedene Erweiterungen zu den oben erwähnten CA und MIMO sowie die nochmalige Reduktion der Latenz, sodass 5G für Echtzeitverbindungen geeignet sein wird (etwa zur Verkehrsregelung). Neu ist das Thema des "Licensed Assisted Access" (LAA), bei dem Bandbreite via CA aus zwei unabhängigen Mobilfunknetzen bereitgestellt wird, und zwar aus lizenzierten wie unlizenzierten Spektrum, beispielsweise LTE-A Pro und schnelle 5 GHz-WLANs. Hier könnte man sich ein Szenario wie an einem Flughafen vorstellen, bei dem ein Nutzer von aussen ins Innere läuft, ohne dass die Verbindung abreisst oder die Bandbreite abnimmt. Zusätzliche Erweiterungen in Rel. 13 betreffen die Ermöglichung von "Machine Type Communications" (MTC) und "Device-to-Device Communication" (D2DC).

Die Arbeiten am Release 14 haben im März dieses Jahres begonnen und beinhalten auch die Anforderungen an 5G. In 3GPP wurden über 30 Studienthemen gemeldet. Dazu gehören unter anderem Multimedia Broadcasts für öffentliche Warnsysteme, eine deutlich genauere Ortung von 5G-Teilnehmern, damit verbunden die Unterstützung von Notfalldiensten, Abwehrmöglichkeiten von unerwünschten Anrufen, neue ortsbasierte Services. Auch Videoübertragungen über 5G, die eine nochmalige Verringerung der Latenz erfordern, Kanalmodelle für die Nutzung von Frequenzbändern ab 6 GHz, eine Steigerung der Energieeffizienz mit dem Ziel längerer Akkulaufzeiten, eine weitere Minimierung der Sendeleistung sowie die Entwicklung neuer Zugangsverfahren aufs 5G-Netz. Es wird erwartet, dass einige dieser Features bereits vor 2020 in bestehenden Netzen Einzug halten werden, um erste Erfahrungen zu sammeln.

5G-Netze und -Endgeräte

Da der Kampf um den 5G-Standard noch in vollem Gange ist, existieren heute lediglich Testnetze. Ankündigungen, bereits 2018 kommerzielle 5G-Netze bauen zu wollen, dienen wohl eher als PR-Aktionen des Lieferanten oder Netzbetreibers zur Hervorhebung des eigenen Engagements im Bereich 5G. Neben den Ankündigungen erster 5G-Netze fällt bei der 5G-Standardisierung die Dominanz asiatischer Anbieter und Betreiber auf. Asien ist klar der Motor hinter 5G, denn hier nutzen weitaus mehr Menschen mobile Breitbanddienste als in Europa.

Schliesslich liegen kommerzielle 5G-Endgeräte in weiter Ferne. Die ersten Testgeräte für 5G waren noch gross wie ein Kühlschrank, weil man zur Simulation viele Rechnersysteme benötigte. Mittlerweile wurden die Abmessungen aber auf Koffergrösse reduziert, wie die 18 Kilogramm schwere 5G-Testeinheit von Ericsson beweist. Damit lassen sich Versuche mit 5G-Prototypen sowohl innerhalb als auch ausserhalb von Gebäuden durchführen. Tests von Multi-User MIMO mit vielen Nutzern im selben Spektrum eines Funkzellensektors sind ebenso möglich wie Tests vom Beam Forming.

Durch die Unterstützung höherer Frequenzbänder wird eine höhere Kapazität erzielt und der Energieverbrauch von künftigen 5G-Endgeräten deutlich verringert. In jedem der 5G-Funkprototypen ist die respektable Anzahl von 128 Antennenelementen und 64 Sende- und Empfangseinheiten untergebracht. Ericsson verwendet die neue Testeinheit zum Beispiel in der 5G-Testumgebung des japanischen Mobilfunkbetreibers NTT DOCOMO. Generell streben praktisch alle Lieferanten eine engere Zusammenarbeit mit den Netzbetreibern an, um Kosten und Risiko der 5G-Einführung zu teilen. Denn je früher vor Ort getestet wird, umso mehr reduziert sich das Risiko eines 5G-GAUs mit unerwünschten Kostenfolgen und Imageschäden.

Swisscom, Ericsson und die EPFL arbeiten an 5G für die Schweiz

Mit dem Programm "5G for Switzerland" bereiten sich Swisscom und Ericsson, unterstützt durch die École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), auf die neueste Generation der Mobilfunktechnologie vor. Mit weiteren Forschungs- und Industriepartnern wird die Entwicklung von 5G erforscht und vorangetrieben. Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen wie etwa Smart Transportation oder Virtual Reality sollen erarbeitet und getestet werden und in die Forschungsergebnisse einfliessen, welche die Definition der weltweiten Standards für 5G voraussichtlich bis 2019 abschliessen sollen.

Aus der rasant wachsenden Anzahl an verbundenen Geräten, Sensoren und immer neuen digitalen Anwendungen resultiert ein nahezu gigantischer Datenstrom, der über das Mobilfunknetz läuft. Ab 2020 wird mit 5G eine weltweite Lösung für die enorme Zahl mobiler Geräte und entsprechender Datenmengen bereitstehen, die mit Latenzzeiten von unter 5 ms brilliert. Sie wird insbesondere Anwendungen im Bereich des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) und der Videokommunikation ermöglichen und für reibungslose Datenflüsse sorgen.

Während Dutzende von Forschungslabors an einer stärkeren Vernetzung von Menschen, Objekten und Infrastruktur arbeiten, ist die EPFL an einer Zusammenarbeit mit Swisscom schon deshalb interessiert, weil sie durch eine solche Kooperation die wissenschaftlichen Fähigkeiten ihrer entsprechenden Labors ausbauen kann. "5G for Switzerland" ist Teil des europäischen Programms "5G for Europe" von Ericsson mit dem Ziel, die Wettbewerbsfähigkeit der Schweiz und von Europa zu stärken. Swisscom wird ihr Netz voraussichtlich bis 2020 mit 5G ergänzen.