„Pre“ 5G

Der lange Weg und Techniken von 4G zu 5G

Der 5. Mobilfunkstandard (5G) bringt einiges an innovativen Techniken mit. Weltweit waren alle Beteiligten aus Forschung und Industrie von Anfang an bestrebt, dass diverse bereits erprobte Technologien schon in bestehende 4G-Netze bzw. Standards implementiert werden – man spricht hier von sogenannten „Pre 5G“ Konzepten.

Ziel war also, dem Nutzer schon weit vor dem 5G-Start (2019) oder bei noch fehlender Verfügbarkeit vergleichbare Vorteile verfügbar zu machen. Der Übergang von 4G-Advanced hin zu 5G war daher fließend. Ohnehin enthalten die neusten LTE Release-Kandidaten (ca. ab Rel.12) einiges an "5G-Know how". Doch was für Techniken, Verfahren und Verbesserungen sind das?

LTE Advanced: Potenzial von LTE weiter ausschöpfen

Noch befindet sich die LTE-Technik (4G) nicht am Ende ihres Lebenszyklus und Entwicklungsprozesses. Wie auch die folgende Tabelle zeigt, bergen die jüngsten ITU-Standards noch massives Potenzial. So ließen sich beispielsweise bei LTE-Release 10 und Kategorie 8 satte 3.000 MBit erreichen. Oder 4.000 MBit mit Rel. 12 und CAT15. Da allerdings MIMO 8x8 aktuell kaum zur Debatte steht, sind vielmehr Konfigurationen mit MIMO 2x2 oder 4x4 praktikabel. Dies würde im Idealfall Tarife mit 600-1600 MBit ermöglichen.

Schon 2019 verkaufte zum Beispiel Vodafone einen CAT-19 Router (Gigacube Gen. 2), der für bis zu 1600 MBit ausgelegt ist. Intern werkeln dafür 4 LTE-Antennen. Viele moderne Smartphones unterstützen seit 2020 sogar CAT20 oder höher...

LTE Downlink Kategorien 12 & 13

LTE Uplink Kategorien 12 & 13

Pre-5G Techniken

Beim Label „4.5G“ handelt es sich nicht um eine offizielle Klassifizierung. Vielmehr soll verdeutlicht, werden dass es sich um Verfahren handelt, was über das hinausgeht, dass man gemeinhin als „4G“ bezeichnet. Die vielversprechendsten sind SIC, IFC, Massive MIMO, 3D-Beamforming, Vectoring Mobilfunkchips und Multi-User Shared Access. Einige davon wollen wir folgend kurz vorstellen:

SIC (Self-Interference Cancellation):

Lange galt es unter Experten als praktisch unmöglich, Mobilfunk im Voll-Duplex-Modus zu betreiben. Was in kabelbasierten Medien kaum Probleme bereitet, stellte im Funk Wissenschaftler lange vor ein unlösbares Problem. Doch die Forschung hat offensichtlich einen Weg gefunden. Im Herbst 2015 demonstrierte die Deutsche Telekom zusammen mit Kumu Netzworks einen geglückten Feldversuch in Prag. Dabei wurde unter realen Bedingungen demonstriert, dass die Selbstinterferenzunterdrückung (SIC) im neuen Verfahren endlich funktioniert. Damit rückten Netze im Vollduplexbetrieb per (IBFD ~ In Band Full Duplex) in greifbare Nähe. In einem Grundsatzpapier der NGMN-Allianz, wurde sogar IBFD als Verfahren für 5G erklärt! Der Vorteil: Entweder lässt sich mit der gleichen Frequenzbandbreite eine höhere Datenrate erzielen oder aber die Netzprovider können mehr Kunden mit der gleichen Leistung versorgen.

Interferenzunterdrückung (IFC):

Ein ähnliches Problem ist die Interferenz allgemein. Besonders dort, wo viele Anbieter ein dichtes Netz auf verschiedenen oder ähnlichen Bändern unterhalten - also vornehmlich in Innenstädten. Hier kommt es, durch die Bebauung physikalisch bedingt, teils zu erheblichen Interferenzen was die Leistung mindert. Durch dynamische, lokale Mesh-Netze und andere Verfahren, sollen sich Interferenzen minimieren lassen. „Virtual Cell“ Verfahren könnten laut ZTE zudem helfen, Störungen in Randbereichen von Funkzellen zu minimieren.^[1]

Massive MIMO

LTE sieht aktuell Mehrantennen-Verfahren bis zu 8x8 vor – also 8 Antennen je auf Seiten des Empfängers und Senders. Ziel war es aber früh, noch viel höhere Anordnungen zu ermöglichen. ZTE testete bereits 2014 die weltweit erste TD-LTE Basisstation, welche über 64 Ports und 128 Antennen verfügte (heute bei 5g übrigens gängig). Nur durch den Einsatz von Massive MIMO, lassen sich überhaupt erst die geplanten Datenraten von weit über 1.000 MBit erreichen. Sendestationen mit M-MIMO können nämlich mehr unabhängige Datenstreams zu den User-Endgeräten (UE) schicken, was wiederum die Spektraleffizienz immens erhöht. Den damaligen Tests von ZTE zufolge, können entsprechende Basisstationen mehr als 8-mal so viel übertragen, wie klassische 2x2 Antennenstationen. Natürlich werden Endgeräte künftig keine hunderte Antennen beherbergen. Doch selbst wenn die User-Geräte weiter nur mit 2, 4 oder 8 Antennen ausgestattet werden (was stark anzunehmen ist), können die Provider am Mast die Kapazität mit M-MIMO erheblich steigern.^[1]

3D Beamforming

Direkt im Zusammenhang mit Massive-MIMO kann das sogenannte 3D-Beamforming genannt werden. Vereinfacht gesagt, können Basisstationen damit das Signal zielgenau zum Endkonsumenten gebündelt senden. Dazu muss aber möglichst exakt jederzeit die Position des Endnutzers bestimmt werden können. Der Hauptvorteil hier liegt darin, dass Interferenzen vermieden werden. Übrigens ist das fester Bestandteil bei 5G...

Heterogene Netze

Sogenannte HetNetze (von "heretogen") sollen Nutzer künftig noch zuverlässiger und besser mit mobilem Internet versorgen können. Die Idee ist einfach, dass unterschiedliche Mobilfunk-Zellarten und Zellgrößen (mirco, marco, pico etc.) kombiniert werden können, genauso wie unterschiedliche Netz-Zugangstechniken – also 2G, 3G, 4G oder sogar WLAN. Neben reinen Datendiensten, ist aber auch Telefonie im Ansatz denkbar. Als konkretes Beispiel sei hier Wi-Fi Calling genannt, das erstmals mit dem iPhone 6 möglich wurde.

In diesem Zusammenhang spricht man auch von „Federated Radio Access“. 5G kann perspektivisch nicht nur mehrere Bänder per Carrier Aggregation für eine 5G-Verbindung kombinieren. Auch solche, die eigentlich für 4G-Verbindungen oder WLAN eingesetzt werden. Ein 5G-Endgerät könnte also einen 5G-Carrier (z.B. bei 10 GHz) als primären Kanal nutzen und zusätzlich per CA noch einen 4G Carrier (z.B. bei 2.6 GHz) als Sekundärressource zuschalten. Ein 4G-Gerät würde weiter nur die gängigen 4G-Bänder einsetzen. ^[2]

Virtuelle Zellen (V-Cell)

Helfen soll beim Ansatz heterogener Netze auch die Abstraktion "virtueller Zellen". Ressourcen verschiedener Zellen können dann gegenüber einem Endgerät als eine virtuelle Zelle präsentiert werden. ^[3]

NFV und SDN & Network Slicing

Unter „NFV“ (Network Funktion Virtualisierung) versteht sich ein Konzept, dass die Netzwerkarchitektur, die Hardware und Funktion bzw. Software trennen. Ziel ist, flexiblere und skalierbarere Infrastrukturen zu erreichen. Eine Erweiterung davon sind die „Software Defined Networks“, kurz SDN, welchen auch die Aufgabe der Steuerung von V-Cells zukäme. Eine Art zentralisierte Steuersoftware. Prinzipiell könnten Provider künftig die Netzwerktopologie dynamischer anpassen, je nach Bedarf. Zudem können über "Slicing" bestimmte gewünschte Eigenschaften definierte werden. Schließlich sind zur Steuerung von Maschinen andere Parameter wichtig als bei einem Computerspiel. Beide Techniken werden schon länger in bestehende LTE-Netze implementiert.

[1] http://wwwen.zte.com.cn/endata/magazine/ztetechnologies/2015/no1/articles/201501/t20150126_431204.html
[2] Alcatel Lucent “5G is coming”
[3] V–Cell: Going Beyond the Cell Abstraction in 5G Mobile Networks