Neue Technologien folgen oft dem klassischen Hype-Zyklus von Gartner und entwickeln sich von anfänglicher Innovation über übermäßige Begeisterung und Ernüchterung bis hin zu Aufklärung und schließlich Produktivität. 5G ist keine Ausnahme. Während die kühnen Schlagzeilen und der Hype um 5G der praktischen Realität weichen, sind sich Befürworter und Kritiker gleichermaßen darin einig, dass eine Reihe technischer Probleme gelöst werden müssen, bevor 5G sein volles Potenzial entfalten kann. 5G-Netzwerke, die auf Millimeterwellenfrequenzen (mmWave) im Bereich von 24 GHz bis 40 GHz basieren, sind die vielversprechendsten Anbieter für drahtlose Konnektivität mit hoher Bandbreite und geringer Latenz. Allerdings mmWave Technologie stellt auch erhebliche Herausforderungen bei der HF-Ausbreitung dar und stellt Hindernisse für die groß angelegte Bereitstellung superschneller 5G-Netzwerke dar, die Entwickler bewältigen müssen, um das Potenzial von 5G überall auszuschöpfen.
5G-Transformation: Drahtlose Netzwerke mit glasfaserähnlichen Geschwindigkeiten
Die Entwicklung des Mobilfunks ist endlos: 2G ermöglichte Textnachrichten, 3G brachte mobile Internetkonnektivität und 4G führte mobiles Video-Streaming ein. 5G New Radio, die fünfte Generation der Mobilfunktechnologie, ist bereit, das heutige 4G LTE zu ersetzen und liefert Spitzendatenraten, die 100-mal schneller als 4G sind, zusammen mit einer dramatisch höheren Bandbreite, geringeren Latenz, größerer Verfügbarkeit und konsistenterer Abdeckung.
5G wird ein Katalysator für Innovationen in der Art und Weise sein, wie wir leben, arbeiten und uns vernetzen, Industrien verändern und unser Leben auf eine Weise verbessern, die wir uns noch nicht vorstellen können. So wie die Verbreitung von Hochgeschwindigkeits-Glasfaserkommunikation das Internet revolutioniert hat, werden 5G-Netze die mobile Konnektivität überall verbessern. Glasfaserähnliche 5G-Geschwindigkeiten mit 10-facher Spektrumsverfügbarkeit werden die Grenzen zwischen kabelgebundenem und drahtlosem Zugang in unseren Häusern, Büros, Fabriken und Stadtlandschaften verwischen.
Zu den Anwendungen, die von der unübertroffenen Leistung von 5G profitieren, gehören vollständig autonome Fahrzeuge, Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation, intelligente Gebäude und intelligente Städte, Telemedizin, medizinische Robotik, virtuelle und erweiterte Realität sowie mobile Cloud-basierte Dienste. Eine exponentielle Zunahme vernetzter Geräte für das Internet der Dinge und industrielle IoT-Smart-Fabriken, Lagerhallen und Sportarenen werden zu den First Movern gehören, die von privaten 5G-Netzen profitieren.
mmWave: Die 5G-Technologie, die wir alle wollen
So wie es mehrere Geschmacksrichtungen gibt Wi-Fi und Bluetooth-Funktechnologien mit unterschiedlichen Funktionen und Leistungsniveaus führen Mobilfunkanbieter verschiedene Arten von 5G mit erheblichen Unterschieden in Geschwindigkeit und Latenz je nach verwendetem Spektrum ein.
Es gibt zwei Haupttypen von 5G-Netzen:
- Superschnelle mmWave-5G-Netzwerke basieren auf Ultrahochfrequenzbändern von 24 GHz bis 40 GHz und noch höher und bieten die blitzschnelle Leistung, große Bandbreite und den „Wow-Faktor“, den die meisten Menschen von 5G erwarten. Dies ist der 5G-Frequenzbereich, der Filme in voller Länge in Sekunden statt in Minuten ermöglicht.
- Sub-6-GHz-5G-Netze – was die meisten Menschen derzeit in ihrem 5G-Dienst erleben – unterstützen Mittel- und Niederfrequenzbänder unter 6 GHz. Niederfrequenzbänder sind weniger als 1 GHz und mittlere Bänder reichen von 3.4 GHz bis 6 GHz.
Das Verständnis der Unterschiede zwischen den einzelnen Arten von 5G-Technologie ist entscheidend, um die Herausforderungen bei der Bereitstellung zu meistern und die Erwartungen der Endbenutzer in Bezug auf Bandbreite und Latenz zu erfüllen. Die Art von 5G, die die meisten Nutzer heute auf ihren Smartphones empfangen, ist nicht das ultraschnelle Multi-Gigabit-5G, das sie sofort erwarten.
4G-LTE-Netzwerke sind dramatisch langsamer als mmWave-5G-Netzwerke, mit 4G-Downloadgeschwindigkeiten von etwa 35 Mbit/s bis über 50 Mbit/s. mmWave kann Geschwindigkeiten von bis zu 5 Gbit/s liefern, deutlich schneller als mit 4G LTE möglich. Sub-6-GHz-5G-Netzwerkgeschwindigkeiten liegen irgendwo zwischen mmWave- und LTE-Geschwindigkeiten. Während Sub-6-GHz-Netzwerke 4G LTE in Bezug auf Durchsatz, Latenz und Bandbreite übertreffen, bleiben sie hinter der mmWave-Leistung zurück.
Die meisten Privat- und Geschäftsanwender werden die Prämie für den Wechsel von 4G zu 5G nicht zahlen, es sei denn, sie sehen dramatische Verbesserungen bei Datenraten, Latenz und Bandbreite. mmWave ist die einzige Form der 5G-Technologie, die ein spürbar besseres Benutzererlebnis bietet. Es ist das 5G, das wir alle wollen.
mmWave 5G-Rollout: Herausforderungen und Chancen
Das enorme Potenzial der mmWave-Technologie bringt große Herausforderungen mit sich. Die realen mmWave-Netzwerkgeschwindigkeiten variieren stark je nach Reichweite, Signalblockern und der Nähe zum nächsten 5G-Tower oder Small Cell. Während mmWave-5G-Netzwerke ultraschnell sind, haben sie auch eine sehr kurze Reichweite. Um mmWave-Signale zu empfangen, müssen sich Benutzer innerhalb eines oder zweier Blocks eines 5G-Turms ohne Sichtbehinderungen (LOS) befinden. Hochfrequente mmWave-Signale werden leicht von Gebäuden, Wänden, Fenstern und Laub blockiert, wodurch die verfügbare 5G-Reichweite weiter reduziert wird (Figure 1). Um die Abdeckung zu optimieren, müssen Netzbetreiber zahlreiche kleine Zellen in hoher Dichte installieren, was die Kosten für die Bereitstellung von mmWave-Netzwerken in großem Maßstab in die Höhe treibt.
Abbildung 1: Zu den Herausforderungen von Dienstanbietern bei schnellen 5G-mmWave-Implementierungen gehören eine begrenzte Signalreichweite, Anforderungen an die Sichtlinie, eine schlechte Gebäudedurchdringung sowie Abdeckung und Konnektivität. (Quelle: Movandi) Klicken Sie für ein größeres Bild.
Aufgrund ihrer Abdeckung und LOS-Einschränkungen ist die mmWave-Technologie besser für dichte städtische Umgebungen geeignet. Aufgrund seiner Reichweitenbeschränkung ist mmWave keine praktische Wahl für vorstädtische und ländliche Gebiete, die am besten durch einfacher bereitzustellende, kostengünstigere 4G-LTE- und Sub-6-GHz-5G-Netze bedient werden. Die weit verbreitete Bereitstellung von mmWave-5G-Netzen erfordert eine umfassende unterirdische Verlegung von Glasfaserkabeln. Bis dies geschieht, werden sich die Netzbetreiber weiterhin auf die bestehende Netzinfrastruktur verlassen, während der Markt auf 5G umstellt. Darüber hinaus unterstützen die heutigen Smartphones nicht alle Arten von 5G. Es wird jedoch erwartet, dass Apple und Samsung in naher Zukunft neue 5G-fähige Smartphone-Produkte auf den Markt bringen werden.
Obwohl Reichweite, Signalausbreitung und LOS-Beschränkungen die „Achillesferse“ von mmWave sind, können fortschrittliche Technologien wie massive Mehrfacheingänge mit Mehrfachausgängen, miniaturisierte Antennenarrays, anpassungsfähiges Beamforming und intelligente aktive Repeater diese Herausforderungen effektiv angehen.
Intelligente aktive Repeater lösen die Herausforderungen bei der 5G-Signalausbreitung, indem sie mmWave-Signale verstärken und die Reichweite und Abdeckung von mmWave-basierten Netzwerken im Außenbereich und in Gebäuden erweitern. Aktive Repeater arbeiten durch Verstärkung von mmWave-Signalen, sodass sie Wände und andere Blocker durchdringen und sich um Gebäude biegen können, um LOS-Probleme zu überwinden, ohne dass sperrige Antennendesigns oder kostspieliges Glasfaser-Backhaul (Figure 2).
Beim Einsatz in einem Gebäude verstärkt ein intelligenter Repeater ein schwaches Strahlsignal und kann einen ganzen Raum beleuchten, wodurch die Konnektivität für Endbenutzer und Anwendungen verbessert wird. Der weit verbreitete Einsatz von aktiven Repeatern in 5G-Netzen ermöglicht es Dienstanbietern, verbesserte 5G-mmWave-Dienste für den Innen- und Außenbereich sowie mobil zu 50 % niedrigeren Kosten einzuführen.
Abbildung 2: Lösungen wie die BeamX-basierten aktiven Repeater von Movandi können die Abdeckung von mmWave-Basisstationen um 90 % für weniger als 40 % der Investitionskosten erhöhen. (Quelle: Movandi) Klicken Sie für ein größeres Bild.
Alle großen Netzbetreiber in den USA testen mmWave-Netzwerke und bieten Verfügbarkeit in ausgewählten Großstädten und Stadtteilen. Sub-6-GHz 5G ist derzeit weiter verbreitet als mmWave, wobei große Mobilfunkanbieter für viele Kunden in städtischen Gebieten 5G-Netze mit niedrigerer Frequenz bereitstellen.
Tier-1-Betreiber migrieren zur mmWave-Technologie, um die Anforderungen an die Netzwerkkapazität zu erfüllen, da erwartet wird, dass die Kundennachfrage bis 6 die Sub-2023-GHz-Kapazität überschreiten wird, wobei mehrere Betreiber bereits mmWave-basierte 5G-Netzwerke einsetzen. Während Kritiker von mmWave argumentieren, dass Sub-6-GHz-Netzwerke eine bessere Abdeckung als mmWave bieten und weniger Funkknoten der nächsten Generation (gNBs) benötigen, wird das begrenzte Sub-6-GHz-Spektrum schließlich den Einsatz von mehr gNBs erfordern. Darüber hinaus wird mmWave mit hoher Bandbreite dazu beitragen, die wachsende Netzwerküberlastung in überfüllten städtischen Gebieten wie Sportarenen, Konzerthallen und Flughäfen zu verringern.
Während der Übergang zu 5G-Netzen im Gange ist, ist es noch ein langer Weg, bis 5G 4G LTE ablöst und das Versprechen ultraschneller mmWave-Geschwindigkeiten und geringer Latenzzeit einlöst. Die mmWave-Technologie ist der Schlüssel zur Erschließung des Potenzials von 5G. Um die ehrgeizigen Ziele von 5G in Bezug auf niedrige Latenz, hohe Bandbreite, schnellere Geschwindigkeiten und breite Abdeckung zu erreichen, arbeiten große Netzbetreiber und Anbieter von mmWave-Lösungen zusammen, um diese grundlegenden Herausforderungen zu meistern.