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Netzwoche 12/2016

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12 Business Hintergrund Auf dem Weg zu 5G: Evolution statt Revolution Künftige 5G-Netze enthalten deutlich weniger Revolutionäres, als man beim Lesen der Pressemitteilungen der Lieferanten und Netzbetreiber vielleicht meinen könnte. Stattdessen zeichnet sich eine Evolution ab, die ihren Ursprung in heutigen 4G-Netzen wie LTE und LTE-Pro hat. DER AUTOR Rüdiger Sellin Dipl. El.-Ing. (FH), freiberuflicher Fachjournalist und Berater Bei den Mobilfunkgenerationen 2G (GSM) und 3G (UMTS) lag der Schwerpunkt auf einer stabilen Sprachübertragung. Mit 4G/LTE (Long Term Evolution) entstand erstmals ein vollständig auf dem IP-Protokoll basiertes Mobilfunknetz. Hier stehen schnellere Datenverbindungen im Fokus, da seit der Einführung von LTE bereits rund 75 Prozent aller Nutzer ein Smartphone nutzen. Voice over LTE (VoLTE) kam erst später hinzu, wobei alle LTE-fähigen Smartphones zum Telefonieren auch UMTS oder GSM nutzen können. 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. Um den weiter steigenden Bandbreitenhunger zu stillen, 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. 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. ≤ 20 MHz LTE Carrier 1 ≤ 20 MHz LTE Carrier 2 ≤ 20 MHz LTE Carrier 3 Aggregated Data Pipe ≤ 100 MHz ≤ 20 MHz LTE Carrier 4 Artikel online auf www.netzwoche.ch Webcode 8846 Quelle: Rüdiger Sellin ≤ 20 MHz LTE Carrier 5 Carrier Aggregation (CA) am Beispiel von LTE-A (3GPP). 12 / 2016 www.netzwoche.ch © netzmedien ag

Business Hintergrund 13 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 mehrerer Übertragungs- (Frequenz- und Zeitmultiplex, FDD/TDD) und Modulationsverfahren parallel verwendet werden. Im Downlink wird die Modulationsart OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) und das Kanalzugriffsverfahrens OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) verwendet, im Uplink SC-FD- MA (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 schmalen, längeren Strahl in eine entfernte Ecke einer Funkzelle zu senden oder die Sendeleistung auf eine kurze Distanz zu beschränken und einem nahen Teilnehmer einen möglichst schnellen Link bereitzustellen. Das Resultat dieses Massnahmenpakets zeigt sich ausser bei 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). Seit LTE-A 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 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 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, etwa LTE-A Pro und schnelle 5 GHz- WLANs. Hier könnte man sich ein Szenario etwa an einem Flughafen vorstellen, bei dem ein Nutzer von aussen ins Innere läuft, ohne dass die Verbindung abreisst oder die Bandbreite abnimmt. Die Arbeiten am Release 14 haben im März dieses Jahres begonnen und beinhalten auch die Anforderungen an 5G. Es wurden über 30 Studienthemen gemeldet (www.3gpp.org/release-14). Es wird erwartet, dass einige dieser Features bereits vor 2020 in bestehende Netze Einzug halten werden, um erste Erfahrungen zu sammeln. Kampf um den Standard Da der Kampf um den 5G-Standard noch voll im Gange ist, existieren heute lediglich Testnetze. Auch kommerzielle 5G-Endgeräte liegen in weiter Ferne. Immerhin ist es Ericsson gelungen, die Abmessungen ihrer 18 Kilogramm schweren 5G-Testeinheit auf Koffergrösse zu reduzieren. Damit lassen sich Versuche mit 5G-Prototypen sowohl innerhalb als auch ausserhalb von Gebäuden durchführen (inkl. Tests von Multi-User MIMO, Beam Forming etc.). 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. i GSM 9.6 Kbit/s Phase 1 Phase 2+ GPRS 171.2 Kbit/s EDGE 384 Kbit/s Release 99 Release 99 UMTS 2 Mbit/s HSDPA 14,4 Mbit/s Release 5 Release 6 HSUPA 5.76 Mbit/s 3GPP HSPA+ 28,8 Mbit/s 42 Mbit/s Release 7/8 Release 8/9 LTE 150 Mbit/s 300 Mbit/s LTE Advanced (1 Gbit/s) LTE-A Pro (3 Gbit/s) Release 10–13 SWISSCOM, ERICSSON UND DIE EPFL ARBEITEN AN 5G FÜR DIE SCHWEIZ Release 14 LTE-A Pro 5G 10 Gbit/s Quelle: Rüdiger Sellin Evolution der 3GPP-Standards zur mobilen Datenkommunikation von GSM/GPRS (Phase 2) bis hin zu LTE-A Pro und 5G (Release 13/14 ff.). 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 Millisekunden 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. www.netzwoche.ch © netzmedien ag 12 / 2016

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