Die Zukunft der Funkkommunikation 5G NR – die Luftschnittstelle konkretisiert sich

Beim kommenden Telekommunikationsstandard 5G steht nicht mehr das „Handy“ im Mittelpunkt. (Bild: Qualcomm)

Bis die fünfte Generation (5G) des Mobilfunks im Alltag Einzug hält, dauert es noch Jahre. Relativ weit sind allerdings schon die Überlegungen zu der Luftschnittstelle, auch New Radio (NR) genannt. Als Herzstück von 5G treibt es den wahrscheinlich größten Umbruch in der Kommunikationstechnik voran.

Auch wenn die Historie von 1G bis 4G es vermuten lässt, ist 5G kein Handy-Standard. Smartphones werden natürlich diese Technik auch nutzen, sie sind aber nur ein Teilbereich der geplanten Anwendungen. Die Hauptsektoren sind „Enhanced Mobile Broadband“, „Massive IoT“ und „Mission-critical Control“ und umfassen also fast alle Funkkommunikationsanwendungen. Viele Anforderungen aus der Flut der adressierten Anwendungen stehen allerdings im Widerspruch zueinander. Will man beispielsweise Geräte im Erdboden bzw. Keller erreichen, braucht man größere Wellenlängen, die allerdings die Forderung nach Datenraten im Multi-Gigabit/s-Bereich physikalisch nicht erfüllen können.

Als Ausweg dieses Problems soll 5G drei Bänderfamilien nutzen: Bis 1 GHz (low bands), zwischen 1 und 6 GHz (mid bands) und über 24 GHz (high bands bzw. mmWaves) – und das alles mit der einen Luftschnittstelle 5G NR. Im Unterschied zu den Handy-Standards muss 5G nicht nur mit lizensierten Frequenzen arbeiten, sondern sich auch mit anderen Diensten Frequenzen teilen, teilweise sogar in lizenzfreien Bändern.

Die Macher von 5G, die sich in der 3GPP organisiert haben, wollen aber noch weitere „Handy-Zöpfe“ abschneiden: Die Kommunikation läuft nicht mehr ausschließlich über den zentralen Funkmast einer Macrozelle, es ist auch die direkte Kommunikation zwischen einzelnen Geräten möglich, was nicht nur kürze Latenzzeiten ermöglicht, sondern auch die Verlängerung einer Zelle per Multi-hop über mehrere Geräte hinweg bzw. den Aufbau einer Mesh-Topologie. Es sind auch Klein-Zellen angedacht, die Geräte über eine Frequenzband-Familie verbinden und selbst über eine andere 5G-Frequenzband-Familie an das übergeordnete Internet angebunden sind. 5G soll aber nicht alle Brücken hinter sich abbrechen, sondern in Teilen auch die Technologie und Infrastruktur von LTE Advanced Pro nutzen und weiterführen - im Besonderen gilt dies für »LTE IoT« (inklusive NB-IoT und eMTC).

Zu den technischen Herausforderungen gesellt sich auch ein ambitionierter Zeitplan zur Umsetzung. 3GPP hat den 5G-Prozess mit einem Workshop im September 2015 gestartet. Im März 2016 wurden Detailstudien offiziell angestoßen die jetzt im März 2017 als Arbeitspunkte in den „Release 15“ einfließen sollen und damit die erste Spezifikation von 5G NR werden. Abgearbeitet sein sollen die Punkte dann bis zum Juni 2018, allerdings drängen einige Beteiligte auf einen früheren Termin zum Dezember 2017 bzw. März 2018 mit einer Zwischenversion von 5G NR. Diese Version setzt die 5G-Luftschnittstelle auf die bisherige LTE-Infrastruktur für eine erhöhte Effizienz und neue Funktionen. Auch gibt es Bestrebungen, die Spezifikation der 5G-mmWave-Technologie zu forcieren, um zu den Olympischen Winterspielen 2018 Tests fahren zu können.

Möglich wird das praktisch nur, wenn keine vollständig neuen Modulationsverfahren entwickelt werden müssen – im Unterschied zu den bisherigen Übergängen von einer Mobilfunkgeneration auf die nächste. Nach Ansicht von Insidern, wie Qualcomm, kommt man mit der OFDM-Technik (Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren) aus, die mit 4G eingeführt wurde – wenn einige Optimierungen durchgeführt werden. So sollen beispielsweise die Unterträger skalierbarer werden – bei LTE beträgt bislang der Abstand zwischen zwei Unterträgern 15 kHz und die Bandbreite 20 MHz. Für Millimeterwellen soll die Kanalbreite auf mehrere Hundert MHz wachsen und der Abstand zwischen den Trägern entsprechend größer sein.