Lizenzfreies Frequenzband für 5G

DECT-2020 für Massive IoT

11. Juli 2022, 6:00 Uhr | Kristian Sæther, Heikki Berg und Martin Lesund
Nordic Semiconductor
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DECT-2020 New Radio ist die erste nicht-mobilfunkbasierte, lizenzfreie Funktechnik, die von der ITU für 5G verabschiedet wurde. Sie ermöglicht Massive-IoT-Anwendungen mit vom Mobilfunk gewohnter Sicherheit und Zuverlässigkeit zu niedrigen Kosten.

Im Februar 2021 hat die Internationale Fernmeldeunion (ITU), die für die Verwaltung und Vermarktung der Mobilfunkstandards zuständig ist, eine wahrhaft bahnbrechende Ankündigung gemacht: Sie hat zum ersten Mal einen nicht auf Mobilfunk basierenden, lizenzfreien Funkstandard – DECT-2020 New Radio (NR) – übernommen und ihn zum Bestandteil von 5G gemacht.

Dies ist umso bemerkenswerter, als es viele andere etablierte, nicht-mobilfunkbasierte Funktechniken für IoT-Anwendungen gibt, die nicht Teil von 5G geworden sind. Die ITU hat jedoch eine nachweisliche Erfolgsbilanz bei der Entwicklung von Funktechniken der nächsten Generation, die die Welt wirklich braucht, oft bevor die Welt merkt, wie sehr sie sie braucht.

Was ist also das Besondere an DECT-2020 NR – das im Folgenden einfach DECT-2020 genannt wird? Und für welche Art von Anwendungen und Märkte ist es geeignet und warum?

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Was ist DECT-2020?

DECT-2020 wurde erstmals im Juni 2020 von der europäischen Normungsorganisation ETSI veröffentlicht und ist nun als einer der 5G-Standards der ITU-R (R steht für »Radiocommunication Sector«) anerkannt. Es ist auch der erste nicht auf einer Mobilfunktechnik beruhende Funkstandard, der in der ITU-R-Empfehlung M.2150-x als eine Funktechnik anerkannt wird, die die formalen Anforderungen der IMT-2020 (International Mobile Telecommunications-2020) erfüllt. Und zwar speziell für den Einsatz in der Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC) und der Massive Machine Type Communication (mMTC). IMT-2020 unterteilt 5G-Netze, -Geräte und -Dienste in drei große Kategorien, wie in Bild 1 dargestellt.

Weil DECT-2020 nicht zellular ist, benötigt es für seinen Betrieb kein Mobilfunknetz. Stattdessen bauen die Nutzer einfach ihr eigenes privates, basisstationsloses Netzwerk auf, wie es heute bei einigen anderen nichtzellularen Funkstandards wie Wi-SUN und Thread der Fall ist.

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Bild 1. Die drei Nutzungskategorien von 5G: Bei eMBB (Enhanced Mobile Broadband) geht es um Smartphone- und tragbare Computeranwendungen mit großer Bandbreite und hoher Datenrate (Gbit/s), einschließlich aufkommender Anwendungen wie AR/VR-Multimedia, UltraHD und 360-Grad-Videoübertragung. URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communication) konzentriert sich darauf, Funktechniken für unternehmenskritische Anwendungen zu nutzen, bei denen ein Ausfall keine Option ist. Beispiele sind selbstfahrende Fabrikfahrzeuge, Hochgeschwindigkeitsroboter, die mit menschlichen Bedienern zusammenarbeiten, sowie kritische Infrastrukturen in Gebäuden, Städten und Versorgungseinrichtungen. Sie alle erfordern eine Latenzzeit und Zuverlässigkeit, die an bestehende leitungsgebundene Netze heranreicht oder diese sogar übertrifft. mMTC (Massive Machine Type Communication) wurde bereits mit der Einführung der mobilfunkbasierenden Techniken LTE-M und NB-IoT eingeführt. Diese konzentrieren sich auf hohe Verbindungsdichten (Massive IoT) für kleine, stromsparende Geräte, die viele Jahre lang mit kleinen Batterien betrieben werden können.
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DECT-2020 arbeitet im globalen, lizenzfreien 1,9-GHz-Band, sodass der Aufbau eines Netzes ohne Kosten für Frequenzplanung oder Frequenzmiete möglich ist, ähnlich wie beispielsweise bei Bluetooth im 2,4-GHz-Bereich.

Ein Hauptmerkmal von DECT-2020 ist die äußerst robuste Funk-Bitübertragungsschicht. Dazu gehören fortschrittliche Strategien zur Selbstorganisation, Interferenzvermeidung und Koexistenz. DECT-2020 hat sich seinen Platz in den 5G-Standards jedoch dadurch verdient, dass es eine Zuverlässigkeit bietet, die anderen nicht auf Mobilfunk basierenden Funkstandards um eine Größenordnung überlegen ist.

Die hohe Reichweite von DECT im Innen- und Außenbereich von bis zu 2 km bedeutet auch, dass große Fabrikhallen, Gebäude oder stadtweite Bereiche abgedeckt werden können, ohne dass die Dichte der Basisstationen erhöht werden muss, wie es bei lokalen oder persönlichen Funknetzwerken (WLAN, Wireless Local Area Network, und WPAN, Wireless Personal Area Network) mit geringerer Reichweite notwendig ist.

Auch wenn andere Funktechniken, die nicht auf Mobilfunk basieren, eine Reichweite von 2 km bieten können, können sie die Zuverlässigkeit, Bandbreite und Latenz von DECT-2020 in geschäftskritischen Anwendungsfällen nicht erreichen, in denen eine typische Bandbreite von 100 kbit/s oder eine Latenzzeit von über 10 s nicht annähernd ausreichen werden.

Die höhere Bandbreite von DECT-2020 reduziert auch die für die Nachrichtenübermittlung benötigte Sendezeit und ermöglicht den Einsatz moderner Zuverlässigkeits- und Sicherheitsmaßnahmen ohne Latenz- und Leistungseinbußen.

DECT-2020 ergänzt LTE-M und NB-IoT mit großer Reichweite, indem es private, selbstorganisierende Funknetze bilden kann, als sternförmiges und als vermaschtes Netzwerk. Wie der Mobilfunk kann DECT-2020 IoT-Anwendungen unterstützen, die eine jahrelange Batterielebensdauer, eine flächendeckende Funkabdeckung und eine hohe physische Durchdringung durch Wände und in Keller erfordern – was NB-IoT zum Beispiel besonders gut gelingt.

Dank der modernen dynamischen Kanalauswahl auf der Grundlage der Detektion freier Kanäle (Spectrum Sensing) und anderen Spektrum-Management-Funktionen unterstützt DECT-2020 auch Shared Spectrum und mehrere Methoden für lokale Netzwerke. Dies ermöglicht zudem eine sehr effiziente Nutzung des Spektrums, was für eine hohe Gerätedichte in realen Betriebsumgebungen von entscheidender Bedeutung ist.

DECT-2020 verwendet vier Netzwerkprotokollschichten für die meisten seiner Zuverlässigkeits-, Sicherheits- und Netzwerkverwaltungsfunktionen, wodurch wertvolle Ressourcen auf der Anwendungsschicht frei werden.

Diese vier Schichten sind:

  • Physical Layer (PHY), Bitübertragungsschicht (Schicht 1)
  • Medium Access Control (MAC), Teil der Sicherungsschicht (Schicht 2a)
  • Data Link Control (DLC), Teil der Sicherungsschicht (Schicht 2b)
  • Convergence (CVG), Teil der Vermittlungsschicht (Schicht 3)

Physical Layer

DECT-2020 übernimmt einige Schlüsselkonzepte aus der klassischen DECT-Funktechnik, um die gemeinsame Nutzung des Spektrums mit klassischen DECT-Funkgeräten zu ermöglichen, ohne dass es zu Problemen kommt. Dazu gehören die automatische Wiederverwendung des Spektrums, das Zeitduplexverfahren (Time Division Duplex, TDD), die Zeitschlitz-Zugangsstruktur und die Nutzung einer einzigen Trägerbandbreite.

Die DECT-2020-Modulation nutzt nun jedoch eine Mehrträgermodulationstechnik namens Cycle Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), um die Mehrwegeausbreitung und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) unter verschiedenen Kanalbetriebsbedingungen zu verbessern.

DECT-2020 verwendet auch die seit Langem bewährte LTE-Methode der automatischen Wiederholungsanforderung (HARQ, Hybrid Automated Repeat Request), um eine mobilfunkähnliche Zuverlässigkeit zu erreichen. Dies be- deutet im Wesentlichen, dass höhere Protokollschichten nicht mit so vielen Wiederholungen belastet werden müssen, die schnell die gesamten Geräteressourcen beanspruchen können.

Stattdessen wird das als »inkrementelle Redundanz« bezeichnete HARQ automatisch für die erneute Übertragung von Unicast-Verbindungen verwendet. Dabei wird ein leistungsfähiger Code zur Vorwärtsfehlerkorrektur mit automatischen Wiederholungsanfragen (ARQ) kombiniert, wodurch die Anzahl der erforderlichen Neuübertragungen in einem Netz, im Vergleich zu herkömmlichen ARQ-Mechanismen, erheblich reduziert wird.

Der DECT-2020-Standard definiert außerdem eine skalierbare OFDM-Bitübertragungsschicht, die an unterschiedliche Latenz- und Durchsatzanforderungen angepasst werden kann. Das bedeutet, dass DECT-2020 auf dem Physical Layer eine breite Palette von Anwendungsfällen und Anforderungen unterstützen kann. Aufgrund der Anforderungen an die Energieeffizienz ist es nicht möglich, alle Betriebsarten der Bitübertragungsschicht mit einem einzigen Funk-Transceiver zu unterstützen. So würde beispielsweise ein Elektrizitätszähler in einem Wohngebiet eine Kombination von Parametern verwenden, die eine schmale Bandbreite, lange Funkstrecken und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Mehrwegeausbreitung und stark beeinträchtigte Kanalbedingungen bieten würde.

Die Unterträgerbandbreiten in DECT-2020 können von 27, 54, 108 bis zu 216 kHz variiert werden, wodurch verschiedene Stufen des Schutzes gegen Mehrwegeausbreitung erreicht werden. Die schmaleren Unterträgerbandbreiten zielen auf größere Verbindungsdistanzen ab, die breiteren sind eher für Kurzstreckenverbindungen geeignet. Die Skalierung der Fourier-Transformation kann von 64 bis 1024 reichen, was eine größere Bandbreite für jede gewählte Unterträgerbreite ermöglicht.

Insgesamt bedeutet dies, dass DECT-2020 nominale Systembandbreiten von 1,728, 3,456, 6,912, 13,824, 20,736, 27,648, 41,472, 55,296, 82,944, 110,592, 165,888 und 221,184 MHz mit 24 verschiedenen Kombinationen von Subträgerbandbreiten und Transformationsgrößen unterstützen kann.

Darüber hinaus können die Datenmodulationsoptionen für jeden der Unterträger der OFDM-Übertragung aus BPSK (Binäre Phasenumtastung), QPSK (Quadraturphasenumtastung) und QAM (Quadraturamplitudenmodulationen) von 64-QAM, 256-QAM und 1024-QAM ausgewählt werden. Die Nutzdaten werden mit einem 1/3-Rate-Turbo-Fehlerkorrekturcode codiert und mit elf verschiedenen Modulations- und Codierungsschemata (MCS, Modulation and Coding Scheme) an die Größe der zugewiesenen Übertragungspakete angepasst.

Das Besondere am DECT-2020-Standard ist die kombinierte Verwendung von OFDM, HARQ und effizienten MCS für eine Funktechnik, die nicht auf Mobilfunk beruht. Darüber hinaus verfügt die physikalische Schicht über integrierte autonome Fähigkeiten zur Verbindungsanpassung, die bisher in keiner anderen IoT-Funktechnik zu finden waren. Es können nicht nur MCS und Übertragungsmodi angepasst werden, sondern auch die Sendeleistung, die von –40 dBm bis zu 23 dBm skaliert werden kann, wobei die Fähigkeiten zur Abschätzung der Leistungsübertragungsbilanz und die optimierte Stromaufnahme bei jeder Übertragung genutzt werden. Das bedeutet, dass jedes aktive Funkgerät die Störungen, die es bei anderen Funkgeräten verursacht, minimieren kann.

Darüber hinaus unterstützt die Spezifikation Sende-Diversity und MIMO-Übertragungen (Multiple-Input Multiple-Output) für bis zu acht Sendeantennen. Im Extremfall kann eine einzelne MIMO-Übertragung mit acht Antennen und einer Trägerbreite von 221 MHz eine Übertragungskapazität von bis zu 8 Gbit/s für die MAC-Nutzdaten erreichen.

Der anfängliche Produktplan von Nordic Semiconductor sieht zum Beispiel vor, eine nominale Bandbreite von 1,728 MHz und Modulationen bis zu 16-QAM zu unterstützen, um eine Spitzendatenrate von 3,7 Mbit/s unter Verwendung der gesamten Kapazität eines einzelnen Trägers zu erreichen.


  1. DECT-2020 für Massive IoT
  2. Medium Access Control

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