Technische Lösungen für 5G
Im ersten Teil dieses Blogs haben wir die Anforderungen für 5G und den Spezifikationsprozess der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) und des Third Generation Partnership Project (3GPP) besprochen. Hier setzen wir die Diskussion fort, indem wir die möglichen technischen Lösungen untersuchen.
Mobile Telekommunikationssysteme arbeiten traditionell im UHF-Band von 300 MHz bis 3 GHz. Dies bietet den besten Kompromiss zwischen den konkurrierenden Problemen von Abdeckung und Kapazität, die bei niedrigen bzw. hohen Frequenzen größer sind. Leider ist das UHF-Band mittlerweile extrem fragmentiert und überlastet, sodass sich die Aufmerksamkeit auf die SHF- und EHF-Bänder von 3 bis 300 GHz richtet. Das Diagramm zeigt einige Bänder, die in Studien der britischen Regulierungsbehörde Ofcom vorgeschlagen wurden, während für die Weltfunkkonferenz 2019 ein Tagesordnungspunkt zur Identifizierung geeigneter Bänder angenommen wurde.
Die Funkausbreitung in den SHF- und EHF-Bändern unterscheidet sich etwas von der im UHF-Bereich. Die Zellgröße in einer städtischen Umgebung scheint auf etwa 200 Meter begrenzt zu sein. Diese Begrenzung ergibt sich daraus, dass die Ausbreitung von Sichtliniensignalen dominiert wird und das Signal durch Regen und atmosphärische Absorption gedämpft wird. Die Durchdringungsverluste sind groß und scheinen eine Kommunikation zwischen Außen- und Innenbereich wahrscheinlich auszuschließen. Darüber hinaus bedeutet die Verwendung von Funksignalen mit Wellenlängen im Millimeter- oder Zentimeterbereich, dass Antennenarrays eine wichtige Möglichkeit darstellen, die empfangene Signalleistung zu maximieren.
Die Verwendung von Antennenarrays lässt darauf schließen, dass Antennen mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) bei 5G eine wichtige Rolle spielen werden. Bei der neuen Technik des massiven MIMO ist jede Basisstation mit Hunderten von Antennen ausgestattet, die sie zur Kommunikation mit Dutzenden von Mobiltelefonen verwendet, die dieselbe Zeit-Frequenz-Ressource nutzen. Betrachtet man die Übertragungen von der Basisstation zu einem einzelnen Zielmobiltelefon, so kombinieren sich die Signale der verschiedenen Basisstationsantennen am Ziel kohärent, an anderer Stelle jedoch inkohärent. Bei M Antennen, die K Mobiltelefone bedienen, ist die Sendeleistung der Basisstation proportional zu 1/M, während das empfangene Signal-Interferenz-Verhältnis proportional zu M/K ist. Die Vorteile für die spektrale Effizienz und Energieeffizienz von 5G sind potenziell groß.
Die wahrscheinlichste Mehrfachzugriffstechnologie für 5G scheint immer noch OFDMA zu sein, aber dieses Thema wird im Rahmen der 3GPP-Studien weiter untersucht. Massive MIMO ist effektiver, wenn es mit Time Division Duplex (TDD) statt mit Frequency Division Duplex (FDD) verwendet wird, aber auch die Vollduplex-Kommunikation, bei der gleichzeitiges Senden und Empfangen auf einer einzigen Trägerfrequenz erfolgt, steht im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit. In Fortsetzung bestehender Trends werden 5G-Netzwerke wahrscheinlich heterogen sein, mit einer Vielzahl von Zellgrößen, und zunehmend Relais und Gerät-zu-Gerät-Kommunikation nutzen. Schließlich richtet sich die Aufmerksamkeit auf die Zentralisierung und Virtualisierung des Funkzugangsnetzes, bei dem die Signalverarbeitung der Basisstationen zunächst an einen zentralen Hub zurückgeführt und dann in Software auf Allzweckservern implementiert wird.