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Modulation, Multiplex, Massive MIMO

Wie genau funktioniert 5G und was ist das Besondere?

Generell kann ein Mobilfunknetz in zwei Bereiche unterteilt werden: das Kernnetz und das Zugangsnetz. Letzteres besteht eigentlich aus vielen Netzen, die die Endgeräte, also beispielsweise Handys, über die aufgestellten Funkmasten mit dem Kernnetz verbinden. Das Kernnetz wiederum verbindet die einzelnen Funkmasten und stellt unter anderem die Verbindung zum Internet her.

5G hält sowohl für das Kern- als auch für das Zugangsnetz einige Neuerungen bereit. Um dem Endverbraucher am Smartphone möglichst flott zu versorgen und eine schnelle Vermarktung des neuen Mobilfunkstandards zu erreichen, gibt es bereits 5G-Zugangsnetze, die auf dem LTE-Kernnetz beruhen. In diesem Fall spricht man von „5G Non-Standalone“, kurz 5G NSA. Um alle 5G-Funktionen nutzen zu können, muss allerdings auch das Kernnetz auf den neuen „5G Core“ aktualisiert werden. Das wäre dann „5G Standalone“, also 5G SA. Erst dadurch können beispielsweise Latenzen unter einer Millisekunde oder der im Gegensatz zu LTE deutlich größere Frequenzbereich zum Einsatz kommen.

Mehr Frequenzen – mehr Möglichkeiten

Elektromagnetisches Spektrum
Die 5G-Frequenzbereiche FR1 und FR2 liegen im Mikrowellen-Bereich des elektromagnetischen Spektrums. © Verändert nach Horst Frank / Phrood / Anony CC-by-sa 3.0

Die nutzbaren 5G-Frequenzen werden im Allgemeinen in zwei Bereiche unterteilt: Frequency Range 1 (FR1) umfasst Frequenzen zwischen 600 Megahertz und sechs Gigahertz, befindet sich also in einem ähnlichen Spektrum wie LTE und wird hauptsächlich für 5G NSA genutzt. FR2 beginnt etwas oberhalb von 24 Gigahertz, geht bis knapp 53 Gigahertz und kommt bei 5G SA zum Einsatz.

Grundsätzlich können Netze mit einer höheren Frequenz schneller Daten übertragen, sie bringen aber auch neue technische Herausforderungen und Limitationen mit sich. So verkürzt sich beispielsweise durch eine höhere Frequenz die Wellenlänge und damit auch die Reichweite des Signals bei gleicher Sendeleistung.

Ein weiteres Problem ist, dass die kürzeren Wellen nicht mehr so leicht durch Objekte wie Wände oder Bäume kommen. Hochfrequente 5G-Netze können also hauptsächlich bei kurzen, direkten und meist industriell genutzten Verbindungen eingesetzt werden.

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Flexible Modulation und Bandbreite

Um auch bei niedrigeren Frequenzen einen höheren Datendurchsatz zu ermöglichen kommen beim 5G-Standard verschiedene Bauweisen und Modulationen zum Einsatz. Als Modulation wird die Veränderung der elektromagnetischen Übertragungswelle in Bezug auf beispielsweise Frequenz, Amplitude oder Phase bezeichnet. So können verschiedene Signale gleichzeitig übertragen werden, die vom Empfänger anhand ihrer Modulationen auseinandergehalten werden können. Die durch das versendete Signal veränderte Grundwelle wird auch als Träger oder Carrier bezeichnet.

Bei modernen Mobilfunkübertragungen werden die verschiedenen Carrier meist bezüglich ihrer Phase oder Amplitude moduliert und anschließend mithilfe eines sogenannten Multiplexverfahrens zu einem Signal gebündelt. Der 5G-Standard verwendet einerseits effizientere Modulationen, andererseits ist aber auch die Wahl des Multiplexverfahrens im Gegensatz zu LTE flexibler – besonders bei der Übertragung vom Endgerät zum Mobilfunkmasten.

Auch für die Gestaltung des Übertragungsbandes bietet 5G deutlich mehr Freiheiten. Während unter LTE der Abstand einzelner Carrier-Frequenzen noch auf 15 Kilohertz festgelegt war, kann er in der neuen Generation frequenzabhängig variiert werden. Dadurch kann sich auch die Bandbreite auf mehrere hundert Megahertz erhöhen – bei LTE waren noch maximal 20 Megahertz Bandbreite gesetzt.

Antennenwald für Top-Geschwindigkeit

Um die Übertragungsleistung des Mobilfunks weiter in die Höhe zu treiben, kann das Signal auf verschiedene Sende- und Empfangsantennen aufgeteilt werden. Das nennt sich „Multiple Input Multiple Output“ (MIMO) und kommt ebenfalls schon beim LTE-Standard zum Einsatz. Unter LTE können allerdings nur maximal acht Antennen kombiniert werden, meist sind es sogar nur vier.

LTE-MIMO-Antenne
Diese LTE-MIMO-Antenne arbeitet mit zwei Einzelantennen, die jeweils von einem Anschluss gespeist werden. © BAZ Spezialantennen CC-by-sa 3.0

Der 5G-Standard bietet mit sogenanntem Massive MIMO die Möglichkeit bis zu 256 Einzelantennen an einem Sendemast zu kombinieren. Dadurch erhöht sich nicht nur der Datendurchsatz für einzelne Nutzer, es können sich auch mehr Geräte gleichzeitig verbinden. Außerdem gleicht die dadurch erhöhte Sendeleistung die geringere Reichweite der höherfrequenten Netze aus.

Durch die vielen Einzelantennen kann 5G eine weitere Neuerung einsetzen: das Beamforming. Hierbei wird das Signal mithilfe von mehreren Spezialantennen nicht mehr in einem kreisrunden Radius gesendet, sondern direkt auf das Mobilgerät ausgerichtet. Dies ermöglicht schnelle und energieeffiziente Übertragungen. Beamforming kann allerdings erst ab einer Frequenz von mehreren Gigahertz effizient eingesetzt werden, da bei niedrigerer Frequenz mehr Abstand zwischen den Einzelantennen liegen muss und es so schnell zu Platzproblemen kommen kann.

Schnelle Schale, smarter Kern

Neben den teilweise schon umgesetzten Veränderungen im Zugangsnetz muss aber auch das Kernnetz auf die fünfte Mobilfunkgeneration umgestellt werden. Nur so können die vollen Möglichkeiten von 5G ausgeschöpft werden. Eine Schlüsselrolle spielt dabei eine Veränderung der Grundarchitektur der verwendeten Server.

Die im 5G-Kernnetz verwendete Server-Architektur heißt „Multi Access Edge Computing“ (MEC). Bei MEC-Servern werden mehr Ressourcen am Rand des Netzwerks, also nah am Zugangspunkt aufgewandt. Dadurch werden die Signale nicht erst im Zentrum des Kernnetzes verarbeitet und können deutlich schneller wieder an das mobile Endgerät zurückgesandt werden. Durch die MEC-Server können letztlich dann beispielsweise autonome Fahrzeuge nahezu verzögerungsfrei untereinander kommunizieren.

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

5G – die fünfte Mobilfunkgeneration
Nutzen, Funktion und Risiken der neuen Technik

Größer, schneller, zuverlässiger
Für welche Lebensbereiche wurde 5G optimiert?

Nach 4G kommt 5G
Was macht eine Mobilfunkgeneration aus – und wer legt das fest?

Modulation, Multiplex, Massive MIMO
Wie genau funktioniert 5G und was ist das Besondere?

Auswirkung auf den Menschen
Kann Handystrahlung gesundheitsgefährdend sein?

Neue Generation – neue Belastung?
Wie stark strahlt das 5G-Netz?

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