5G-Spektrum

Hintergrund

5G wird die Lage hinsichtlich Frequenzzuweisung und -nutzung erheblich verändern. In diesem Artikel möchten wir mehr Klarheit über die vielen Fragen im Zusammenhang mit der Lizenzierung, Standardisierung/Harmonisierung und Frequenznutzung auf dem Weg in die 5G-Ära schaffen.

Spektrum ist sehr begehrt, vor allem weil es einem Betreiber ermöglicht, die Kapazität des Netzwerks effizient zu erhöhen. Das zusätzliche Spektrum kann zu vorhandenen Basisstationen hinzugefügt werden, wodurch die Anzahl neuer Basisstationen reduziert wird. Dies macht Spektrum sehr wertvoll, weshalb Regulierungsbehörden eine Gebühr für lizenziertes Spektrum erheben. Die Kosten für Spektrum variieren, können aber je nach den spezifischen lizenzierten Frequenzen recht hoch sein.

Um den Wert des Spektrums zu ermitteln, wird häufig ein Auktionsmechanismus verwendet. Dies bringt nicht nur Einnahmen für den Regulierer/die Regierung, sondern stellt durch Marktkräfte auch sicher, dass das Spektrum angemessen und wie vorgesehen genutzt wird. Für beträchtliche Teile des Spektrums mit niedrigerer Frequenz fallen im Allgemeinen höhere Gebühren an als für dieselbe Menge des Spektrums mit höherer Frequenz, da es eine bessere Abdeckung bietet.

5G-Spektrum – Gesamtbild

Mit der Einführung von 5G kann der Industrie ein viel größeres Spektrum an Frequenzen zur Verfügung gestellt werden. Neben den traditionelleren Mobilfunkfrequenzen (im Allgemeinen 450 MHz bis 2600 MHz) kann ein Spektrum zwischen ~ 3 und 7 GHz und in den viel höheren mmWave-Bändern (zunächst über 24,25 GHz) zur Verfügung gestellt werden. Die Funkausbreitung bei diesen höheren Frequenzen bedeutet, dass die Frequenzzuweisung viel flexibler sein kann (aufgrund der isolierten Natur der Zellabdeckung und minimierter Interferenzen) und lizenzfreie, gemeinsam genutzte oder lokale Bänder praktikabler sind. Die Art und Weise, wie 5G mit 4G zusammenarbeitet, führt ebenfalls mehr Flexibilität ein – kurz gesagt wird 5G das Bild in Bezug auf die Frequenzzuweisung also erheblich verändern. Die folgende Abbildung veranschaulicht das allgemeine Prinzip.

3GPP-Standardfrequenzbänder

Um konkret zu werden, was in einem bestimmten Land tatsächlich lizenziert werden kann, wurde in den ersten 3GPP-Versionen von 5G (Versionen 15–17) festgelegt, dass das 5G New Radio in zwei Frequenzbereichen betrieben werden kann.

• Der Frequenzbereich 1 (FR1) liegt zwischen 410 und 7125 MHz und umfasst und erweitert somit den Frequenzbereich von LTE.
• Der Frequenzbereich 2 (FR2) umfasst Millimeterwellen, zunächst zwischen 24250 und 52600 MHz.

3GPP hat die beiden Frequenzbereiche (FR) definiert, da die Anforderungen und Testbedingungen des 5G-Analogradios in FR1 und FR2 etwas unterschiedlich sind. Wie in der Tabelle unter diesem Artikel gezeigt (Quelle: 3GPP TS 38.104 Release 17), wurden innerhalb jedes Bereichs Bänder angegeben, die das 5G New Radio unterstützen, und für jedes Band ist der Betriebsmodus entweder als FDD (Frequency Division Duplex, bei dem es separate Uplink- und Downlink-Frequenzen gibt) oder TDD (Time Division Duplex, bei dem dieselben Frequenzen sowohl für Uplink als auch für Downlink verwendet werden) definiert. Jedes Band ist mit dem Präfix „n“ (für New Radio) nummeriert.

FR1 umfasst einige der zuvor für LTE verwendeten Bänder sowie einige neue Bänder. Mit einigen wichtigen Ausnahmen sind Bänder unter 3000 MHz hauptsächlich für die Verwendung des Frequency Division Duplex (FDD)-Modus und Bänder über 3000 MHz für die Verwendung des Time Division Duplex (TDD)-Modus spezifiziert. FR2 unterstützt nur TDD und verwendet Bandnummern ab n257.

Uplink- und Downlink-Optimierung

TDD bietet gegenüber FDD bei höheren Frequenzen, bei denen moderne Antennensysteme zum Einsatz kommen, erhebliche Effizienzvorteile. Bei diesen höheren Frequenzen sind Störungen weniger signifikant, was einige der Vorteile von FDD bei niedrigeren Frequenzen (in Bezug auf die Störungskontrolle) zunichte macht – daher der Wechsel zu TDD, da wir diese höheren Teile des Spektrums für die Mobilfunkkommunikation nutzen. Es gibt jedoch auch bedeutende Legacy-Bänder, die für frühere Generationen oder für die nicht lizenzierte Nutzung reserviert waren – und diese verkomplizieren das Bild erheblich. Im Wesentlichen ist dies der Grund, warum wir eine sehr lange Liste von Bändern in FR1 und eine sehr kurze Liste in FR2 haben, die mit der Einführung von 5G neu reserviert wurde (ohne die Komplikation der Legacy-Bänder).

In den Tabellen steht SDL für Supplementary Downlink. Dies ist eine von LTE übernommene Funktion, bei der eine für Carrier Aggregation verwendete sekundäre Zelle nur Downlink sein kann. Ähnlich steht SUL für Supplementary Uplink. Dies ist eine neue 5G-Funktion, bei der die UE mit zwei Uplink-Trägern konfiguriert ist (die jeweils auf einem senden – gemäß Anweisung der Basisstation), die beide einem einzigen Downlink derselben Zelle entsprechen. Der ergänzende Uplink hat normalerweise eine niedrigere Frequenz als der normale Uplink und verbessert die Uplink-Abdeckung für Mobiltelefone, die sich nahe am Zellrand befinden.

Welche Bands sollen lizenziert werden?

Im Rahmen ihrer allgemeinen Frequenzplanung können verschiedene Regulierungsbehörden (theoretisch) entscheiden, welche der standardisierten Bänder des 3GPP lizenziert werden sollen. Die kosteneffiziente Einführung von 5G in einem bestimmten Markt hängt jedoch von einer breiteren Unterstützung der Industrie für bestimmte Optionen ab. In dieser Hinsicht wird das Bild klarer.

Ein gutes Beispiel sind die Bänder n28 (703 bis 748 UL, 758 bis 803 DL), n78 (3300 bis 3800) und n258 (24250 bis 27500), die für 5G-Betreiber in Europa von besonderer Bedeutung sind. Dabei handelt es sich um die von der CEPT (Europäische Konferenz der Verwaltungen für Post und Telekommunikation) harmonisierten Niedrig-, Mittel- und mmWellenbänder. Dieser Ansatz zur 5G-Spektrumszuweisung bietet den Betreibern und dem weiteren entstehenden Ökosystem die dringend benötigte Flexibilität. Er stellt sicher, dass nach der Lizenzierung der Bänder alle wichtigen bestehenden oder neuen Anwendungsanforderungen zumindest in Bezug auf das Spektrum effizient erfüllt werden können. Dazu gehören Abdeckung, Kapazität, Latenz, Bereitstellung kleiner Zellen, Unterstützung für (größeres) IoT oder 5G in nicht lizenzierten/gemeinsam genutzten Bändern (neben vielen anderen Überlegungen). Viele andere Länder verfolgen ähnliche Ansätze bei der Lizenzierung.

Andere wichtige Bänder sind n1, n3, n7, n8, n20 und n38, die von GSM, WCDMA und LTE übernommen wurden. Mit der Zeit und sobald eine ausreichende Anzahl von Mobiltelefonen des richtigen Typs auf den verschiedenen Märkten (zu unterschiedlichen Zeiten auf der ganzen Welt) verfügbar ist und die Regulierungsbehörden dies zulassen, sollten diese Bänder in Richtung 4G und 5G verschoben werden, um die Netzwerkleistung zu maximieren. Die Abkehr von GSM/GPRS-Bändern (die in vielen Netzwerken immer noch häufig für Machine Type Communications (MTC) verwendet werden) kann aus Gründen der Funkleistung etwas länger dauern.

Spektrum für 4G vs. 5G

Die 4G- und 5G-Funkschnittstellen nutzen dieselbe zugrunde liegende Technologie und können nahtlos zusammenarbeiten, um die Gesamtkonnektivität innerhalb des Netzwerks zu gewährleisten. Geräte sind so spezifiziert, dass sie eine Technik namens Dual Connectivity verwenden, um beide Schnittstellentypen gleichzeitig zu verwenden – so kann ein Gerät nahtlos in einem kombinierten 4G/5G-Netzwerk betrieben werden (und auch mit früheren Generationen zusammenarbeiten).

Früher oder später, wenn die Verbreitung von 5G zunimmt, möchten die Betreiber vielleicht sogar das 4G-Spektrum auf 5G migrieren. Dies lässt sich sehr effizient durch eine Funktion namens Dynamic Spectrum Sharing (siehe unten) erreichen. Mit dieser Funktion kann das Spektrum innerhalb desselben Bandes dynamisch zwischen 4G und 5G zugewiesen oder geteilt werden. Wenn also im Laufe der Zeit mehr 5G-fähige Mobiltelefone oder Geräte verkauft oder bereitgestellt werden, wird das Netzwerk mehr Ressourcen für 5G als für 4G bereitstellen.

Abschluss

Insgesamt ist die Frequenznutzung für 5G hochkomplex und erfordert viele Überlegungen – einige davon sind technischer Natur, andere regulatorischer Natur und viele hängen mit unterschiedlichen Anwendungsfällen und Bereitstellungsoptionen zusammen. Darüber hinaus haben die Märkte sehr unterschiedliche Positionen in Bezug auf die Lizenzierung von Altfrequenzen und befinden sich natürlich in unterschiedlichen Entwicklungsphasen im wettbewerbsorientierten 5G-Umfeld (nicht zuletzt in Bezug auf Zeitpläne, Anzahl der Kommunikationsdienstleister und staatliche Beteiligung). Ein klarer Überblick über die Probleme im Zusammenhang mit der Frequenznutzung bei 5G verschafft Telekommunikationsunternehmen einen Vorteil bei ihren strategischen Entscheidungen. Wir hoffen, dieser kurze Artikel hat dazu beigetragen, das Bild zu klären!

NR- Betriebsbänder in FR1
(Quelle: 3GPP TS 38.104 Release 17)

NR- Betriebsband	Uplink (UL) Betriebsband BS Empfangen / UE Senden F UL,niedrig – F UL,hoch	Downlink (DL) -Betriebsband BS senden / UE empfangen F DL,niedrig – F DL,hoch	Duplex-Modus
Nr. 1	1920 MHz – 1980 MHz	2110 MHz – 2170 MHz	FDD
Nr. 2	1850 MHz – 1910 MHz	1930 MHz – 1990 MHz	FDD
Nr. 3	1710 MHz – 1785 MHz	1805 MHz – 1880 MHz	FDD
Nr. 5	824 MHz – 849 MHz	869 MHz – 894 MHz	FDD
Nr. 7	2500 MHz – 2570 MHz	2620 MHz – 2690 MHz	FDD
Nr. 8	880 MHz – 915 MHz	925 MHz – 960 MHz	FDD
Nr. 12	699 MHz – 716 MHz	729 MHz – 746 MHz	FDD
Nr. 13	777 MHz – 787 MHz	746 MHz – 756 MHz	FDD
Nr. 14	788 MHz – 798 MHz	758 MHz – 768 MHz	FDD
Nr. 18	815 MHz – 830 MHz	860 MHz – 875 MHz	FDD
Nr. 20	832 MHz – 862 MHz	791 MHz – 821 MHz	FDD
Nr. 24 7	1626,5 MHz – 1660,5 MHz	1525 MHz – 1559 MHz	FDD
Nr. 25	1850 MHz – 1915 MHz	1930 MHz – 1995 MHz	FDD
Nr. 26	814 MHz – 849 MHz	859 MHz – 894 MHz	FDD
Nr. 28	703 MHz – 748 MHz	758 MHz – 803 MHz	FDD
Nr. 29	N / A	717 MHz – 728 MHz	SDL
Nr. 30	2305 MHz – 2315 MHz	2350 MHz – 2360 MHz	FDD
Nr. 34	2010 MHz – 2025 MHz	2010 MHz – 2025 MHz	TDD
Nr. 38	2570 MHz – 2620 MHz	2570 MHz – 2620 MHz	TDD
Nr. 39	1880 MHz – 1920 MHz	1880 MHz – 1920 MHz	TDD
Nr. 40	2300 MHz – 2400 MHz	2300 MHz – 2400 MHz	TDD
Nr. 41	2496 MHz – 2690 MHz	2496 MHz – 2690 MHz	TDD
Nr. 46	5150 MHz – 5925 MHz	5150 MHz – 5925 MHz	TDD 3
Nr. 48	3550 MHz – 3700 MHz	3550 MHz – 3700 MHz	TDD
N50 - Die neue Generation der Elektrolyseure	1432 MHz – 1517 MHz	1432 MHz – 1517 MHz	TDD
Nr. 51	1427 MHz – 1432 MHz	1427 MHz – 1432 MHz	TDD
Nr. 53	2483,5 MHz – 2495 MHz	2483,5 MHz – 2495 MHz	TDD
N65	1920 MHz – 2010 MHz	2110 MHz – 2200 MHz	FDD
N66 - Die Legende von N66	1710 MHz – 1780 MHz	2110 MHz – 2200 MHz	FDD
Nr. 67	N / A	738 MHz – 758 MHz	SDL
N70 - Die neue Generation der Elektroautos	1695 MHz – 1710 MHz	1995 MHz – 2020 MHz	FDD
Nr. 71	663 MHz – 698 MHz	617 MHz – 652 MHz	FDD
Nr. 74	1427 MHz – 1470 MHz	1475 MHz – 1518 MHz	FDD
Nr. 75	N / A	1432 MHz – 1517 MHz	SDL
Nr. 76	N / A	1427 MHz – 1432 MHz	SDL
Nr. 77	3300 MHz – 4200 MHz	3300 MHz – 4200 MHz	TDD
Nr. 78	3300 MHz – 3800 MHz	3300 MHz – 3800 MHz	TDD
Nr. 79	4400 MHz – 5000 MHz	4400 MHz – 5000 MHz	TDD
N80 - Die neue Generation der Elektroroller	1710 MHz – 1785 MHz	N / A	SUL
Nr. 81	880 MHz – 915 MHz	N / A	SUL
Nr. 82	832 MHz – 862 MHz	N / A	SUL
Nr. 83	703 MHz – 748 MHz	N / A	SUL
N84-Serie	1920 MHz – 1980 MHz	N / A	SUL
N85-Serie	698 MHz – 716 MHz	728 MHz – 746 MHz	FDD
N86-Serie	1710 MHz – 1780 MHz	N / A	SUL
Nr. 89	824 MHz – 849 MHz	N / A	SUL
N90	2496 MHz – 2690 MHz	2496 MHz – 2690 MHz	TDD
Nr. 91	832 MHz – 862 MHz	1427 MHz – 1432 MHz	FDD 2
N92-Serie	832 MHz – 862 MHz	1432 MHz – 1517 MHz	FDD 2
N93-Serie	880 MHz – 915 MHz	1427 MHz – 1432 MHz	FDD 2
N94-Gesichtsmaske	880 MHz – 915 MHz	1432 MHz – 1517 MHz	FDD 2
n95 1	2010 MHz – 2025 MHz	N / A	SUL
n96 4	5925 MHz – 7125 MHz	5925 MHz – 7125 MHz	TDD 3
Nr. 97 5	2300 MHz – 2400 MHz	N / A	SUL
n98 5	1880 MHz – 1920 MHz	N / A	SUL
n99 6	1626,5 MHz -1660,5 MHz	N / A	SUL
HINWEIS 1: Dieses Band gilt nur in China. HINWEIS 2: Der variable Duplexbetrieb ermöglicht keine dynamische variable Duplexkonfiguration durch das Netzwerk und wird so verwendet, dass DL- und UL-Frequenzbereiche unabhängig voneinander in jedem gültigen Frequenzbereich für das Band unterstützt werden. ANMERKUNG 3: Dieses Band ist auf den Betrieb mit gemeinsam genutztem Frequenzkanalzugriff gemäß der Definition in [20] beschränkt. HINWEIS 4: Dieses Band ist in den USA nur vorbehaltlich des FCC-Berichts und der FCC-Anordnung [FCC 20-51] anwendbar. HINWEIS 5: Die Anforderungen für dieses Band gelten nur, wenn innerhalb des Frequenzbereichs dieses Bandes im selben geografischen Gebiet keine anderen NR- oder E-UTRA-TDD-Betriebsbänder verwendet werden. Für Szenarien, in denen innerhalb des Frequenzbereichs dieses Bandes im selben geografischen Gebiet andere NR- oder E-UTRA-TDD-Betriebsbänder verwendet werden, gelten möglicherweise besondere Koexistenzanforderungen, die nicht in den 3GPP-Spezifikationen abgedeckt sind. HINWEIS 6: Der UL-Betrieb ist gemäß FCC-Anordnung DA 20-48 auf 1627,5 – 1637,5 MHz und 1646,5 – 1656,5 MHz beschränkt. HINWEIS 7: Der DL-Betrieb ist auf den Frequenzbereich 1526–1536 MHz beschränkt. Der UL-Betrieb ist gemäß FCC-Anordnung DA 20-48 auf 1627,5 – 1637,5 MHz und 1646,5 – 1656,5 MHz beschränkt.

NR- Betriebsbänder in FR2
(Quelle: 3GPP TS 38.104 Release 17

NR- Betriebsband	Uplink- (UL) und Downlink- (DL) Betriebsband BS Senden/Empfangen UE Senden/Empfangen F UL,niedrig – F UL,hoch F DL,niedrig – F DL,hoch	Duplex-Modus
Nr. 257	26500 MHz – 29500 MHz	TDD
Nr. 258	24250 MHz – 27500 MHz	TDD
Nr. 259	39500 MHz – 43500 MHz	TDD
N260-Serie	37000 MHz – 40000 MHz	TDD
Nr. 261	27500 MHz – 28350 MHz	TDD
Nr. 262	47200 MHz – 48200 MHz	TDD

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