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5G Multi-Layer Spektrum

Verschiedene Frequenzen für unterschiedliche Bedürfnisse


5G ist die nächste Generation funkbasierter Mobilfunktechniken und steht einmal mehr für noch schnelleres Internet bei hoher Zuverlässigkeit und kurzen Reaktionszeiten. Für den Betrieb sind allerdings verschiedene Frequenzbereiche vorgesehen, von denen jede für sich bestimmte Eigenschaften bzw. Vor- und Nachteile aufweisen. Daher werden die zur Verfügung stehenden Spektralbereiche grob in drei verschiedene Nutzungsbereiche gegliedert, die wir ihnen kurz vorstellen wollen.

Reichweite vs. Performance

5G wird perspektivisch weit mehr Frequenzbereiche nutzen, wie heute beispielsweise LTE oder UMTS. Während die 4. Mobilfunkgeneration weltweit überwiegend unter 3.5 GHz funkt (meist auf 1.8 GHz), sind für 5G Bereiche von 0,7 bis 26 GHz oder sogar an die 100 GHz vorgesehen.

Zunächst muss man wissen, dass alle Frequenzareale auf denen beispielsweise 5G oder LTE-Mobilfunk betrieben werden, unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich der Ausbreitung aufweisen. Die Wichtigste betrifft die Reichweite. Allgemein gilt, je höher die Frequenz im Spektrum angesiedelt ist, desto geringer fällt die mögliche Abdeckung eines Funksenders unter Einhaltung der Strahlengrenzwerte aus. Während z.B. mit einer Mobilfunkstation bei 700 MHz (Megaherz) in der Spitze gut 10-20 Kilometer erschlossen werden können, sind es bei 26 GHz nur wenige hundert Meter.

Auf der anderen Seite stehen in höher angesiedelten Frequenzbereichen in der Regel breitere, freie Nutzbänder (vergleichbar mit mehrspurigen Autobahnen) zur Verfügung. Für sehr hohe Übertragungsraten bedarf es also meist dem Einsatz höherer Frequenzen.

Damit agieren Reichweite und Übertragungsrate in einem permanenten Widerspruch (trade off). Je nach Anwendungsfall und Bedürfnis, werden also unterschiedliche Frequenzmixe nötig. Das Layer-Konzept teilt grob in drei Bedarfsklassen ein …

Der Multi Layer Ansatz für unterschiedliche Anforderungen

Aus den oben genannten Gründen, teilt man gedanklich das äußerst breite verfügbare Spektrum in drei Nutzungs- und Bedarfsbereiche auf. Den „Coverage and Capacity Layer“, „Super Data Layer“ sowie den „Coverage Layer“ (Layer = Schicht). Folgend wollen wir die wichtigsten Merkmale aller drei zunächst kurz erläutern.

Coverage and Capacity Layer: Hier steht der bestmögliche Kompromiss aus Abdeckung und Kapazität im Vordergrund. Also beispielsweise der 5G-Ausbau in einer Großstadt für Konsumenten. Dabei kommen (weltweit) Frequenzen zwischen 2 und 6 GHz zum Einsatz, wobei in Deutschland 2 GHz sowie 3,6 GHz dominieren werden.

Super Data Layer: Bei diesem Layer steht ausschließlich das Erzielen von besonders hohen Datenraten im Vordergrund, also z.B. für die Übertragung mehrerer 8K-Video Livestreams. Er bezieht sich auf Bereiche über 6 GHz. Im Fokus stehen hier besonders Bänder zwischen 24 und 43 GHz. In Zukunft könnten sogar noch kurzwelligere Spektralbereiche hinzukommen. Die Reichweiten sind dafür sehr gering und betragen bestenfalls einige hundert Meter.

Coverage Layer: Der Coverage Layer adressiert Anwendungen und Dienste, bei denen bestmögliche Versorgung in der Fläche (und gute Gebäudedurchdringung) gefragt ist und weniger maximale Geschwindigkeit. Beispielsweise zur Erschließung weiter ländlicher Regionen mit schnellem Internet. Hier stehen Frequenzen bis 2 GHz im Fokus, idealer Weise 700-1500 MHz.



Vereinfacht gesagt lässt sich also festhalten, dass für sämtlich anvisierte Nutzungsszenarien 5G-Netze Zugang zu „hohen“, „mittleren“ und „niedrigen“ Frequenzbereichen benötigen. Prinzipiell kann 5G alle drei Schichten gleichzeitig nutzen und so ein bestmögliches Ergebnis liefern.


C-Band zur Einführung ideal und dominierend (Coverage and Capacity Layer)

Zur Einführung der 5G-Mobilfunktechnik wird nicht nur in Deutschland, sondern auch weltweit, zunächst das C-Band bei 3,3 – 4,2 GHz und 4,4 – 5 GHz präferiert. In Deutschland wurden, neben Ressourcen bei 2 GHz, vor allem Bänder auf 3.6 GHz versteigert. Hier findet man die optimale Balance zwischen Flächenabdeckung und Geschwindigkeit für 5G. Zumindest im städtischen, also dicht bevölkerten Gebieten. Um den Kunden genug Performance über 4G-Niveau liefern zu können, wird wenigstens eine Gesamtbandbreite von 100 MHz benötigt. Per Carrier Aggregation können dabei natürlich auch Bänder niedriger Bereiche zugeschaltet werden. Sogar solche, die bereits für LTE im Einsatz sind, wie z.B. 800 MHz. Möglich macht dies ein 3GPP Standard, dank dem LTE und 5G (NR) zusammen auf einem Band koexistent eingesetzt werden können. Stichwort Spektrum Sharing.

Hohe Frequenzen für extrem hohe Übertragungsraten (Super Data Layer)

Im Zusammenhang mit 5G werden oft Übertragungsraten von 5, 10 oder gar 20 GBit/s genannt. Für derartige Geschwindigkeiten benötigt man aber ein weit breiteres zusammenhängendes Nutzband, als es unter 6 GHz realisierbar wäre. ITU-R IMT-2020 sieht bei über 6 GHz bis zu 1000 MHz Gesamtbandbreite vor. Anvisiert werden international dafür Bereiche bei 24.25 bis 29.5 GHz und 37 bis 43.5 GHz, mehr dazu auch hier.

Mögliche Anwendungen könnten beispielsweise WTTx sein – auch Fixed Wireless Acress, Airfiber oder Virtual Fiber genannt. Gemeint sind Internetzugänge per Funk, die Glasfaser-Niveau erreichen, also deutlich über 1 GBit/s. Solche Anschlüsse werden auch hierzulande von O2 und der Telekom erprobt und könnten bald eine ernste Konkurrenz zu VDSL oder Kabel-Internet werden.


5G Schichten (Layer) nach Frequenzen und Anwendungen

Multi-Layer Schemata für 5G | 5G-Anbieter.info


Die obere Grafik fasst alle wichtigen Informationen noch einmal zusammen. eMBB steht dabei für Enhanced Mobile Broadband, mMTC für Massive Machine Type Communication und URLLC kürzt „Ultra-Reliable and Low-Latency Communication“ ab, mehr dazu hier in unserem 5G Anwendungs-Spezial.

Quellen: Huawei Whitebook http://www-file.huawei.com/-/media/CORPORATE/PDF/public-policy/public_policy_position_5g_spectrum.pdf