Frequency

Das 5G Frequenzspektrum verstehen

Reply Practice - 5G

Einführung in den größten Frequenzbereich aller Zeiten

In den letzten Jahren gab es einen zunehmenden Trend hin zu interaktiven Medien wie Videoprogrammierung und es entstanden immer mehr immersive Erlebnisse in Form von Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR). Dieser Trend bringt große Herausforderungen und Erwartungen mit sich. Dabei werden extrem hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Mobilfunksystemen gestellt, da die Benutzer große Datenvolumen benötigen werden, um gleichzeitig die erforderlichen Datenmengen abzurufen.

Diese Anforderungen betreffen nicht nur die Kapazität von Luftschnittstellen, sondern erfordern auch eine architektonische Neugestaltung von Übertragungsnetzwerken und Cloudsystemen, um eine stärker verteilte Topologie zu schaffen, die auch den konvergierten mobilen Kern abdeckt, wobei Speicherung und Rechenvorgänge bis zum Rand des mobilen Netzes ausgedehnt werden.

Hinzu kommen die zahlreichen Geräte in einer IoT-Landschaft. 5G wird eine entscheidende Rolle spielen, wenn es darum geht, die universelle Konnektivität für unzählige Geräte sicherzustellen, die ganz unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und in Sachen Durchsatz und Latenz meist keine Verbindung mit hoher Leistung erfordern, sondern stattdessen eine gute Abdeckung in Innenräumen sowie geringen Stromverbrauch.

Tatsächlich konnten frühere Systemarchitekturen nicht die erforderlichen IoT-Fähigkeiten bieten. Dies eröffnet eine Gelegenheit, die 5G nutzen könnte.

Die 5G-Technologie verspricht, die für das IoT benötigte Zusammenführung und Verwaltung einer sehr hohen Anzahl von Geräten, die sehr geringe Ressourcen und eine niedrige Leistung benötigen, zu ermöglichen, ebenso wie das Ultrabreitband.

Die Rolle der verschiedenen Frequenzanteile: Use Cases und Anwendungen

Das Low-Band-Spektrum wird derzeit für 2G-, 3G- und 4G-Dienste genutzt, für Sprach- und mobile Breitbanddienste (MBB) und das Internet of Things (IoT). Das neu zugewiesene Spektrum für mobile Netzwerke umfasst auch die 600-MHz- und 700-MHz-Bänder. Diese Bänder eignen sich ideal für eine großflächige Abdeckung und die Übertragung von draußen nach drinnen sowie zur tiefen Durchdringung von Innenräumen, wie sie typischerweise für eMBB- und Sprachdienste benötigt wird, aber auch für die M2M-Kommunikation von draußen ins Innere von Gebäuden, selbst in tief gelegene Keller.

Das Mid-Band-Spektrum wird derzeit für 2G-, 3G- und 4G-Dienste genutzt. Neue Frequenzen wurden vor allem im 3,5-GHz-Band zugewiesen, wobei auch die Bereitstellung von mehr Frequenzen im 1,5-GHz-Band (L-Band) und 5-GHz-Band (nicht lizenziert) geplant ist. Bandbreiten von 50 bis 100 Megahertz pro Netzwerk werden Netzwerke mit hoher Kapazität und geringer Latenz ermöglichen, die sich somit perfekt für erweitertes MBB (eMBB) sowie Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) für kritische IoT-Anwendungen eignen. Mit einer besseren Flächen- und Innenraumabdeckung gegenüber dem High-Band-Spektrum bildet das Mid-Band-Spektrum einen optimalen Kompromiss zwischen Abdeckung, Qualität, Durchsatz, Kapazität und Latenz. Durch die Kombination des Mid-Band-Spektrums mit dem Low-Band-Spektrum ergeben sich außergewöhnliche Verbesserungen in Hinblick auf die Kapazität und Effizienz von Netzwerken.

Das High-Band-Spektrum bietet eindeutig den lange erwarteten Sprung bei Datengeschwindigkeit, Kapazität, Qualität und geringer Latenz, den 5G verspricht. Neue Frequenzbänder liegen meist im Bereich von 24 bis 50 GHz, mit angrenzenden Bandbreiten von mehr als 100 Megahertz pro Netzwerk. Das High-Band-Spektrum bietet eine gute Möglichkeit für Dienste mit sehr hohem Durchsatz für xMBB, ortsgebundene Bereitstellung und Anwendungsfälle mit geringer Latenz, wie beispielsweise industrielles IoT, Veranstaltungsorte und ähnliche Szenarien; zur Nutzung in Innenräumen sowie im Freien. Fixed Wireless Access (FWA) wird ebenfalls von diesen höheren Bändern profitieren, was die Kapazität anbelangt. Da der Abdeckungsbereich sehr eingeschränkt ist (bis rund 100 Meter), sind für die Abdeckung eines größeren Bereichs Kombinationen mit Low-Band und Mid-Band unerlässlich.

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Jedes Frequenzband weist einzigartige Eigenschaften auf, das heißt, ein Dienstanbieter hat unterschiedliche Möglichkeiten, um ein Gleichgewicht aus Durchsatz, Abdeckung, Qualität und Latenz sowie Zuverlässigkeit und Bandbreiteneffizienz zu finden. Die Verfügbarkeit des Frequenzbands wird global zwischen den einzelnen Ländern und Regionen variieren, was Bänder, Mengen und Timing anbelangt.

Die 5G-Standards umfassen auch durchgehendes Network Slicing und Mobile Edge Computing, die entscheidend für die Unterstützung des Bedarfs vertikaler Branchensektoren sind. Insbesondere das Network Slicing wird den Betreibern das Erstellen virtueller Unternetzwerke (Slices) ermöglichen, die maßgeschneiderte Eigenschaften für spezifische Arten von Benutzern oder Nutzungsanforderungen aufweisen. Das Slicing betrifft neben den anderen Eigenschaften auch die Frequenzbänder und die Kanalauswahl. Beispielsweise eignen sich Slices mit ultraniedriger Latenz gut für automatisierte Fertigung, vernetzte Fahrzeuge und Telechirurgie. Dagegen lassen sich IoT-Netzwerke mit ihren zahlreichen Sensoren und Geräten wie Streaming-Videokameras in einem Slice unterbringen, der für umfangreiche Kommunikationsvolumen im Uplink ausgelegt ist.

Einige Branchen sind auf ultraniedrige Latenzen angewiesen, während andere extrem schnelle Download-Geschwindigkeiten benötigen. Einige brauchen eine stark örtlich begrenzte Konnektivität (etwa kleine Zellen für eine Fabrik), wogegen andere landesweite Konnektivität benötigen (beispielsweise ein großes Makro-Netzwerk zur Unterstützung von Sensoren für Versorgungsunternehmen). Jedes dieser Beispiele erfordert andere Frequenzbänder und Netzwerkressourcen.

Dienste mit ultraniedriger Latenz und Hochgeschwindigkeits-Breitbanddienste benötigen unterschiedliche Frequenzbänder, da ihre Anforderungen bezüglich der Funkressourcen nicht kompatibel sind. Ähnlich eignen sich ortsgebundene Dienste mit hoher Kapazität besser für Bänder mit großer Übertragungsrate (über 1 GHz), während landesweite Dienste von einer breiten Abdeckung profitieren (Sub-1GHz). Mobilfunkbetreiber sind am besten positioniert, um die breite Vielfalt der geplanten Dienste bereitzustellen, darunter auch private Netzwerke mit gemieteten Frequenzen, sofern die spezifischen Anforderungen bestimmter Branchen dies erfordern.

Betrachtet man die Kriterien Bandbreite und Durchdringung, lässt sich die folgende grobe Einteilung der Anwendungsfälle nach Frequenzband vornehmen.

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Low-Band-Anwendungsfälle: Geringe Datenvolumen müssen zwischen einer großen Anzahl verteilter Geräte und dem Netzwerk ausgetauscht werden. Das Low-Band-Spektrum eignet sich zur Abdeckung großer Gebiete, wie etwa des ländlichen Raums, sowie zur tiefen Durchdringung von Innenräumen bis hin zu Kellergeschossen. Eine geringe Latenz lässt sich in diesem Frequenzband mithilfe von auf den Bedarf abgestimmten Slicing-Strategien erzielen.

Mid-Band-Anwendungsfälle: Diese Kategorie bietet das perfekte Gleichgewicht aus großer Bandbreite (500 Mbit/s bis 1-2 Gbit/s) und einer Reichweite der Zellen im zweistelligen Meterbereich. Für Anwendungen in Innenräumen muss das von draußen kommende Signal verstärkt werden. Ein Kompromiss zwischen Durchsatz und Latenz kann durch Network Slicing erreicht werden.

High-Band-Anwendungsfälle: Dieses Spektrum unterstützt all die Fälle, in denen eine sehr hohe Datenübertragungsrate benötigt wird, vor allem im Medien- und Unterhaltungsmarkt. Der Benutzer muss sich innerhalb weniger Meter nahe am Zugangspunkt befinden. In der Regel erfordern diese Anwendungsfälle eine maximale Geschwindigkeit, wobei aber auch in diesem Frequenzband ein sinnvoller Kompromiss aus Durchsatz und Latenz durch Network Slicing erreicht werden kann.

Wie ist der Stand der Regulierung und die erwartete Entwicklung?

Weltweit arbeiten Gesetzgeber aktiv an der Entwicklung ihrer Pläne für das 5G-Frequenzband, wobei einige Länder bereits die ersten Zuweisungen vorgenommen haben. Der primäre Schwerpunkt liegt dabei auf neuen Mobilfunkbändern, einschließlich des Frequenzbands im 3,5-GHz-Bereich (3,3 bis 3,8 GHz), das in zahlreichen Ländern bereits vergeben wurde. Es werden jedoch auch andere Bänder erwogen. Zum Beispiel:

• Mehrere Länder planen die Nutzung der Frequenzbänder im Bereich von 4,5 bis 5 GHz für 5G, darunter China und Japan;
• Immer mehr Länder fassen den Bereich von 3,8 bis 4,2 GHz ins Auge, wie auch 5925/6425 bis 7125 MHz;
• Es besteht auch Interesse an der Zuweisung der 2,3-GHz- und 2,5/2,6-GHz-Bänder für 5G, anstelle der derzeitigen 4G-Technologie.

Die schnellsten 5G-Geschwindigkeiten hängen in der Praxis von der Identifizierung neuer Millimeterwellenbänder oberhalb von 24 GHz ab. Diese wurden im Rahmen der WRC-19 weitgehend vereinbart, wobei Bänder im Bereich von 24,25-86 GHz betrachtet werden. Am anderen Ende des Spektrums hat Europa das 700-MHz-Band für die 5G-Umsetzung mit Flächenabdeckung priorisiert, während die USA bereits das 600-MHz-Band lizenziert haben.

Die von den Gesetzgebern verfügbar gemachten neuen 5G-Bänder werden sich auch auf die Bereitstellung von Netzwerken auswirken. Erste 5G-Mid-Band-Frequenzen (z. B. 3,5 GHz) und Millimeterwellenbänder (beispielsweise 26 GHz und 28 GHz) decken dichte 5G-Netzwerke mit kleinen Zellen in städtischen Ballungsgebieten ab, wo zusätzliche Kapazität entscheidend ist. Diese Frequenzbänder können jedoch auch von Makrozellen zur Flächenabdeckung genutzt werden – einschließlich Fixed Wireless Access – unter Anwendung von Beamforming. Diese technologischen Verbesserungen sorgen dafür, dass das 3,5-GHz-Band die gleiche Abdeckung bereitstellen und dieselben Zellen nutzen kann wie die derzeitigen 2,6-GHz- und 1800-MHz-Mobilfunkbänder, die zur 4G-Abdeckung genutzt werden.

Status der Frequenzvergabe in Europa

Die Low- und Mid-Band-Frequenzen wurden als Erstes vergeben. Die meisten europäischen Länder haben diese Frequenzen bereits vergeben oder planen eine Vergabe für die erste Jahreshälfte 2020. Das Verfahren für die Vergabe der höheren Frequenzbänder ist in den meisten Ländern noch nicht abgeschlossen. Italien ist das erste Land, in dem bereits alle Frequenzbänder vergeben wurden.

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