Die Technik hinter 5G

Die innovativen Funktionen in 5G beruhen auf dem Einsatz neuer Methoden und der Fortschreibung vorhandener Technologien sowohl auf der Funkschnittstelle als auch im drahtgebundenen Kernnetz. So wird etwa die aus dem WLAN-Bereich bekannte und auch bei LTE eingesetzte MIMO-Technik (Multiple Input Multiple Output) weiterentwickelt, um Kunden mit mehr Bandbreite versorgen zu können. MIMO-Systeme nutzen mehrere Antennen, über die sie Signale senden und empfangen. So lässt sich neben der zeitlichen Signalcharakteristik auch die räumliche zur Informationsübertragung verwenden.

Das Signal wird außerdem gegen Störungen robuster und kann gezielt auf ein Endgerät ausgerichtet werden (Beamforming). 5G verstärkt diesen Effekt durch den Einsatz sehr vieler Antennen (Massive MIMO). Aktuell werden Systeme mit bis zu 128 Antennen pro Zelle entwickelt. In Tests ließ sich dadurch die Datenrate im Vergleich zu LTE auf demselben 20-MHz-Frequenzband um das Zehnfache steigern.

Aber nicht nur die effizientere Ausnutzung des vorhandenen Spektrums gehört zu den erklärten Zielen der 5G-Konsortien. Bei der Kommunikation zwischen Mobilfunkmast und Endgerät sollen auch neue Frequenzen zum Einsatz kommen, die mit über 24 GHz und mehr sehr viel höher liegen als in traditionellen Mobilfunknetzen. Da sich die Wellenlänge dabei im Millimeterbereich befindet, spricht man von „5G mmWave“. Hohe Frequenzen erfordern eine höhere Zellendichte. Ihre Reichweite beträgt im Freien einige Hundert Meter, im Gebäude­inneren nur wenige Meter.

Auf der anderen Seite bietet das engmaschige Netz aber auch die Voraussetzung für die geforderten Latenzen im Millisekundenbereich und die hohen Bandbreiten. „Kombiniert mit modernen MIMO-Antennensystemen erhält man so eine optimale Empfangscharakteristik“, erklärt Marc Emmelmann von Fraunhofer FOKUS.

Um die Kosten der Funkzellen zu senken, werden diese zudem technisch deutlich verschlankt, die traditionellen Masten (Remote Radio Head, RRH) sind nur noch für das Senden und Empfangen von Signalen zuständig, die Verarbeitung findet zentralisiert für mehrere RRHs statt. „So kann man zum Beispiel das Signal über mehrere Wege empfangen und eine bessere Signalcharakteristik erhalten“, sagt Emmelmann.

Die Kernnetze werden in 5G weitgehend softwarebasiert konfiguriert und betrieben. „Ich kann die nötigen Funktionen auf virtuellen Maschinen betreiben und diese dynamisch mit dem aktuellen Bedarf skalieren“, erklärt der Fraunhofer-Experte. Um die geringen Latenzen auch im Kernnetz zu erreichen, werden zudem Steuersignal und Daten getrennt übermittelt. „Soft­warebasierte Kernnetze ermöglichen außerdem Network Slicing, das den Aufbau virtueller paralleler Netze erlaubt, die kundenspezifisch und in unterschiedlichen Güteklassen auf derselben Infrastruktur betrieben werden können.“