Ein Blick hinter die 5G-Funktechnologie

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Der Digitalisierungswahn hat Politik und Wissenschaft erfasst

5G bezeichnet die 5. Mobilfunkgeneration

5G bezeichnet die 5. Mobilfunkgeneration

Der Begriff “Digitalisierung” war im Jahr 2018 bei Politikern, Wissenschaftlern und auch bei Journalisten in aller Munde. Abgeordnete aller Parteien orientieren sich mittlerweile an dem ethisch fragwürdigen Motto “Digitalisierung first – Bedenken second”, wie es Pfarrer Werner Thiede in einem Artikel für die Bayerische Staatszeitung im November 2018 formulierte. Dr. Werner Meixner arbeitet als Gastwissenschaftler an der Fakultät für Informatik der Technische Hochschule in München. Er sieht eine manische Hinwendung von Wissenschaft und Politik zu einer “Welt von vernetzten Objekten”, die sich angeblich “selbst kontrollieren und optimieren” sollen.Auf der anderen Seite der Interessenslage steht der Deutsche Städte- und Gemeindetag. Diese Organisation will eine “Mobilfunkvereinbarung rechtssicher” fortschreiben, “denn es sei nicht zu vermuten, dass ein erneuter scheinbar unkontrollierbarer Wildwuchs der Standorte von Mobilfunkanlagen von der Bevölkerung ohne Weiteres akzeptiert würde.”

Riesige Datenmengen verlangen ein gewaltiges Frequenzspektrum

Die Weiterentwicklung der Mobilfunktechnik unterliegt einem wirtschaftlichen Diktat. Deutschland will bei dieser Technologie weltweit an die Spitze kommen. Ingenieure und Computerspezialisten sollen es schaffen, immer mehr Datenpakete, immer schneller, vollständig und fehlerfrei zu verteilen. Die technischen Herausforderungen für dieses Vorhaben sind gewaltig.
Für den immer größeren Datenhunger reicht das vorhandene Frequenzspektrum von 100 Megahertz (MHz) bis 3 Gigahertz in Zukunft hinten und vorne nicht mehr aus. Mobilfunkfrequenzen im höheren Spektrum von drei Gigahertz bis 100 Gigahertz müssen erschlossen werden. Aber je höher die Frequenz, desto kürzer ist die Funkwelle. Beträgt die Wellenlänge bei Mobilfunk im Bereich 900 Megahertz rund 32 Zentimeter, so verkürzt sie sich bei 100 Gigahertz auf 3 Millimeter. Die kurzen Wellen sind weniger energiereich und benötigen deshalb Antennenstandorte in geringen Entfernungen zum Empfänger. Konnten die Funkwellen mit der Funktechnik GSM (=Generation 2) noch über fünf und mehr Kilometer übertragen werden, braucht es für die Millimeterwellen Antennenabstände von weniger als fünfzig Meter und Sichtkontakt zum Empfänger. Jeder kann sich ausrechnen, dass durch diese technische Vorgabe ein unüberschaubarer Antennenwildwuchs entstehen würde.

Entwicklungsschritte von “4G” zu “5G”

Der Buchstabe “G” steht für Mobilfunkgeneration. Eine eigenständige 5G-Technik ist derzeit noch nicht verfügbar. Die Industrie hat den aktuellen Standard “LTE” als vierte Generation (4G) permanent weiterentwickelt und spricht jetzt von “LTE-advanced”, also einem fortgeschrittenen LTE. Wichtige Bausteine sind dabei die Mehrantennentechnik (MiMo), Carrier Aggregation, Umgang mit “heterogenen Netzen” und eine verbesserte Spektraleffizienz.

Mehrantennentechnik (MiMo)

LTE MiMo - AntenneBei der MiMo-Technik (Multiple Input – Multiple Output) wird das Signal sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtigkeit gleichzeitig ausgestrahlt (siehe Foto links). Die Datenpakete kommen dadurch sicherer beim Empfänger an. LTE sieht aktuell Mehrantennen-Verfahren bis zu 8 mal 8 vor – also acht Antennen je auf Seiten des Empfängers und des Senders.

Carrier Aggregation

C-A ist ein weiterer Fortschritt hinsichtlich der besseren Ausnutzung von Frequenzbändern. Jeder Mobilfunkbetreiber in Deutschland besitzt vorerst nur 20 Megahertz zusammenhängende Frequenzbereiche. Sämtliche Standards vor LTE-advanced mussten zur Datenübertragung ein homogenes, zusammenhängendes Frequenzband für die Übertragung nutzen. Mit Carrier Aggregation werden nun mehrere Frequenzbereiche auf unterschiedlichen Frequenzabschnitten zusammengefasst. Beispielsweise 20 MHz bei 800-820 MHz und 20 MHz bei 1800-1820 MHz. Im oben genannten Beispiel stehen nun effektiv 40 MHz für eine Übertragung zur Verfügung. Auch andere Frequenz-Kombinationen sind möglich.

Umgang mit “heterogenen Netzen”

Unterschiedliche Mobilfunkzellen und Zellgrößen (Makro, Mikro, Piko usw.) können kombiniert werden. Ebenso werden unterschiedliche Mobilfunkgenerationen wie 2G (GSM), 3G (UMTS), 4G (LTE) und WLAN zusammengeführt. Neben reinen Datendiensten, soll auch Telefonieren eingebunden werden. Als konkretes Beispiel dient “Wi-Fi Calling”, das erstmals mit dem iPhone 6 möglich wurde.

Verbesserte spektrale Effizienz

Spektrale Effizienz wird in der Nachrichtentechnik verwendet und bezeichnet das Verhältnis zwischen Datenübertragungsrate (in Bit/Sekunde) und Bandbreite des Signals (in Hertz). Die maximal mögliche spektrale Effizienz, bei welcher prinzipiell eine fehlerfreie Übertragung möglich ist, wird durch das Signal-Rausch-Verhältnis begrenzt. Je mehr man die spektrale Effizienz bei gegebenem Signalrauschen erhöht, umso aufwändigere Verfahren zur Vorwärtsfehlerkorrektur benötigt man. Beispiel: ein Modem über eine ISDN-Telefonleitung mit einer Bandbreite von 3,5 MHz erreicht eine Datenübertragungsrate von 33.600 Bit je Sekunde. Die spektrale Effizienz ist in diesem Fall 33.600 Bit/s dividiert durch 3.500 Hz = 10 Bit/s pro Hz. Die höchste spektrale Effizienz bei funkbasierter Kommunikation bietet mit Stand 2018 der Standard LTE-Advanced R10 mit 30 Bit je Sekunde pro Hertz.

Engmaschige Netze, künstliche Intelligenz und Echtzeitanwendung für 5G

Eine Vielzahl kleiner Antennen in geringem Abstand

Die Vielzahl von kleinen 5G-Antennen muss sich irgendwie selbst organisieren. Bei hausinternen WLAN-Netzen, sogenannten Mesh-WLAN-Netzwerken, zeigt sich das Prinzip auf. Die “vermaschten Netze” sollen sich selbständig aufbauen und konfigurieren. Mesh-Netzwerke kommen ohne zentrale Infrastruktur aus. Nach dem Systemeintritt werden die Daten von Netzknoten zu Netzknoten weitergereicht. Sogenannte Kontrollpakete sorgen dafür, dass die Informationen sicher beim Empfänger ankommen.

Ein neuer 5G-Server-Chip steuert die Datenströme

Ein weiterer Baustein betrifft die Computertechnik. Der US-Konzern Intel will einen 5G-Server-Chip auf Mobilfunkstationen zum Einsatz bringen. Der Chip soll mit einer Geschwindigkeit von 100 Gigabit je Sekunde mehrere Datenströme für völlig unterschiedliche Anwendungsbereiche separat bedienen – von der Fernchirurgie bis hin zur virtuellen Realität. Im Rahmen einer Demo führte Intel vor, wie das System dafür sorgt, dass kritische Telemedizin-Anwendungen, von der das Leben eines Patienten abhängen könnte, im 5G-Netzwerk stets Vorfahrt erhält und nicht durch andere Nutzungen des Netzwerks ausgebremst wird.

Die Industrie verlangt Anwendungen in Echtzeit

5G-Technlogie für Industrieanwendungen sollen in Echtzeit ablaufen. Selbst der schnelle LTE-Standard mit einer Latenzzeit von zehn Millisekunden ist den Konstrukteuren zu langsam (Anm. Als Latenz bezeichnet man die Verzögerung bei der Signalübertragung). Zur Steuerung von Produktionsprozessen müsse diese unter einer Millisekunde liegen, so ein Forscher der Uni Bremen. 5G-Technik soll auch mithelfen, die riesige Datenflut in der Kommunikation zwischen Maschinen zu bewältigen. Es kommt dabei nicht nur auf die Geschwindigkeit an, sondern auch auf die Menge der gleichzeitig angebundenen Geräte. In Produktionsprozessen der Zukunft werden Tausende von Sensoren, Antriebselemente sowie Steuer- und Regelungseinheiten miteinander kommunizieren.

Literaturhinweise

https://www.baubiologie-regional.de/download/Mobilfunk_5G_BSZ_WernerThiede.jpg
https://www.5g-anbieter.info/interviews/18/diagnose-funk.html
http://wwwmayr.in.tum.de/personen/meixner/InterviewRathMeixner-2018-12-09.pdf
https://www.5g-anbieter.info/lte/pre-5g-technik.html
https://www.fts-hennig.de/antennen/blog/lte-antennen/lte-stoerung/
https://idw-online.de/ temporäre 5G-Verbindungsinseln
https://www.hardwareluxx.de/index.php/artikel/hardware/netzwerk/43597-wie-funktioniert-eigentlich-ein-mesh-netzwerk.html
http://www.ant.uni-bremen.de/ Mobilfunktechnik für die Industrie 4.0

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