Mobilfunk der fünften Generation Messtechnische Herausforderungen

Eine Bestandsaufnahme über  Modulationsbandbreiten bis Frequenzbändern und woran wird getestet und geforscht.
Eine Bestandsaufnahme über Modulationsbandbreiten bis Frequenzbändern und woran wird getestet und geforscht.

Noch ist 5G nicht definiert, doch viele Forschungsprojekte und Initia­tiven verlangen bereits heute nach großen Modulationsbandbreiten bei Frequenzen über 6 GHz. Welche Fähigkeiten und Frequenzbänder werden diskutiert, woran wird geforscht und womit wird heute ­schon ­getestet? Eine Bestandsaufnahme.

Durch den Boom, den die mobile Internetnutzung über Smartphones und Tablet-PCs erlebt, hat sich LTE bzw. LTE-Advanced zur wachstumsstärksten Mobilfunktechnik entwickelt. Um den Anforderungen von Smartphones und Tablet-PCs gerecht zu werden, wurde LTE (Advanced) für einen hohen Datendurchsatz optimiert. Bis zum Jahr 2020 sollen zusätzliche Szenarien und Anwendungen unterstützt werden, die ihren Ursprung in Anforderungen des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) haben.

Das Internet der Dinge ist ein Konzept, bei dem sich die Anzahl der über zellulare Mobilfunktechnik kommunizierenden Geräte vervielfachen wird, da immer mehr „Dinge“ wie Notrufsysteme, Sensoren oder Heimautomatisierungssysteme über das Internet vernetzt werden. Die Anforderungen dieser neuen, internetfähigen Geräte werden sich von denen heutiger Endgeräte mindestens in Teilbereichen erheblich unterscheiden. Bei den bekannten mobilen Breitband-Anwendungen werden weiterhin extrem hohe Datenraten im Vordergrund stehen. Dagegen sind bei einem Teil der IoT-Anwendungen, beispielsweise die Mitteilung über den Füllstand eines Getränkeautomaten, kleine Datenmengen vollkommen ausreichend. Der vernetzte Getränkeautomat erfordert allerdings einen Funknetzzugang zu möglichst niedrigen Kosten sowie eine lange Batterielebensdauer. Eine zweite Facette der IoT-Anwendungen wird mit dem Begriff „Tactile Internet“ oder „taktiles Internet“ beschrieben – die Steuerung und Überwachung von Gegenständen über das Internet. Beispiele reichen von Spielen auf mobilen Endgeräten über die Fernsteuerung von Robotern bis hin zu Anwendungen im Gesundheitswesen. Insbesondere dafür werden Reaktionszeiten in der Größenordnung von 1 ms angestrebt. Mehr als 1 ms Verzögerung zwischen der Steuerung über einen berührungssensitiven Bildschirm und der Reaktion auf dem Bildschirm, z.B. der Bewegung eines Objekts, empfinden Anwender als störend. Diese erweiterten Anforderungen kann die heutige Mobilfunktechnik nicht erfüllen, da insbesondere LTE (Advanced) für mobile Breitband-Anwendungen zugeschnitten ist. Im Bereich unterhalb von 6 GHz werden weitere Optimierungen in der Standardisierung durch die 3GPP (3rd Generation Partnership Project [1]) bereits diskutiert, die als wichtige Schritte auf dem Weg nach 5G betrachtet werden können. Sollen darüber hinaus die Datenraten signifikant gesteigert werden, so ist eine deutlich größere Bandbreite notwendig. Diese steht nur im Millimeterwellenbereich, also bei Frequenzen oberhalb etwa 30 GHz zur Verfügung. Schon heute stehen Bandbreiten von bis zu 2 GHz zur Debatte. Außerdem werden neue Wellenformen und Modulationsarten untersucht, die gegenüber dem bei LTE eingesetzten Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) die spektrale Effizienz erhöhen, Latenzzeiten verkürzen und die zusätzlichen Frequenzen im Millimeterwellenbereich optimal ausnutzen sollen.

Stand der 5G-Forschung

Die Dienste und Anwendungen, die 5G einmal bereitstellen wird, und die Techniken, die dies ermöglichen sollen, sind bislang nicht festgelegt, obgleich erste White Paper veröffentlicht wurden, die neue, erweiterte Anwendungsfälle beschreiben. Traditionell ist es die Internationale Fernmeldeunion (International Telecommunications Union, ITU), die die Anforderungen an künftige Mobilfunkstandards definiert.

Zuletzt wurden von der ITU für den 4G-Standard unter anderem Spitzen-datenraten von 1 Gbit/s für mobile Nutzer gefordert. Diese Vorgaben an 4G werden heute durch LTE-Advanced erfüllt. Die technischen Anforderungen für 5G werden indes nach aktuellem Stand der ITU-Planung erst Anfang 2017 feststehen. Momentan ist 5G noch Gegenstand intensiver Forschungsaktivitäten an Universitäten, in Forschungsinstituten sowie in zahlreichen internationalen Industrieforen, wie beispielsweise die NGMN (Next Generation Mobile Networks), das Future Forum in China oder das 5G Forum in Korea. Auch haben zahlreiche nationale Regierungen Forschungsprojekte zu 5G ins Leben gerufen. Horizon2020 ist das europäische Rahmenprogramm, mit dem 5G-Projekte gefördert werden, beispielsweise das mmMAGIC-Projekt (Millimetre-Wave Based Mobile Radio Access Network for Fifth Generation Integrated Communications [2]), welches sich mit der Messung und Modellierung des Mobilfunkkanals sowie der Ausarbeitung eines optimierten Übertragungsverfahrens im Millimeterwellenbereich befasst. In Europa haben sich führende Industriefirmen in der 5GPPP (The 5G Infrastructure Public Private Partnership [3]) zusammengeschlossen, um diese vielseitige Forschungsaufgabe zu koordinieren und mittels zusätzlicher Ressourcen voranzutreiben. Alle maßgeblichen Unternehmen aus dem Mobilfunkumfeld, vor allem Mobilfunkausrüster, IC-Hersteller, Netzbetreiber und Smartphone-Produzenten, sind an solchen Projekten beteiligt und/oder betreiben eigene 5G-Forschung.

Frequenzbänder im Millimeter- Wellenbereich

Um die erforderlichen Bandbreiten ausnutzen zu können, müssen neue Frequenzbänder erschlossen werden. Ein Teilbereich der 5G-Untersuchungen konzentriert sich daher auf die Ausbreitungseigenschaften von Mobilfunk- signalen bei einer höheren Trägerfrequenz – auch als „Channel Sounding“ bezeichnet. Die Ausbreitungseigenschaften hängen unter anderem von der Frequenz, der Geschwindigkeit, mit der sich das Endgerät bewegt, und der Topografie des Geländes ab und werden in Kanalmodellen beschrieben. Zwar haben Mobilfunkbetreiber und Netzausrüster langjährige Erfahrungen mit Mobilfunknetzen im Frequenzbereich zwischen 700 MHz und 3 GHz; die Millimeterwellentechnik und die Signalausbreitung in diesem Frequenzbereich sind für den Mobilfunk jedoch weitestgehend Neuland.

Heute gebräuchliche Kanalmodelle bis 6 GHz sind aufgrund deutlich unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften nicht auf höhere Frequenzen übertragbar. Im Millimeterwellenbereich haben Universitäten in den USA bereits vor einigen Jahren erste Untersuchungen u.a. bei 28 GHz in einer städtischen Umgebung durchgeführt. Heute untersuchen Forschungsinitiativen und Mobilfunkfirmen auf der ganzen Welt Frequenzen im Bereich 10 bis 20 GHz und 40 bis 50 GHz, die Nutzung des 60-GHz-ISM-Bands sowie Frequenzen im E-Band bei 73 GHz und 80 GHz. Die zu entwickelnden neuen Kanalmodelle dienen der Definition, Untersuchung und Optimierung neuer Wellenformen für diese Frequenzbereiche. Sie liefern Erwartungswerte für die Netzabdeckung und sind Grundlage für die spätere Netzplanung. Nicht zuletzt werden die Sende- und Empfangseigenschaften von Basisstationen, Mobiltelefonen und anderen Endgeräten – zum Beispiel Module für Machine-to-Machine-Anwendungen (M2M) – anhand definierter Kanalmodelle spezifiziert. Somit sind diese Kanalmodelle auch ein wesentlicher Bestandteil der HF-Messtechnik. Denn die Messgeräte müssen Kanalmodelle emulieren können, um so die Entwicklung, Integration und Produktion von Mobilfunkkomponenten, z.B. Verstärker, und von Endgeräten ermöglichen.