Forscher arbeiten an der Zukunft des Mobilfunks

Wenn bald in Smartphones die schnelle 5G-Technologie zum Einsatz kommt, ist das auch ein Verdienst „made by University of Duisburg-Essen“.

Die fünfte Generation der Mobilfunktechnologie (5G) soll die Anforderungen einer vernetzten Gesellschaft viel umfassender erfüllen als bisher. Das ist der Anspruch an die LTE-Nachfolgetechnik. Damit wird 5G der Schlüssel zur Digitalisierung aller Lebens- und Wirtschaftsbereiche. Verknüpft mit dem Bestreben, einen globalen 5G-Standard zu prägen, besteht sogar die Hoffnung, dass sich auch Deutschland und Europa erstmals wieder einen technologischen Vorsprung und somit Innovationsführerschaft in diesem zentralen Zukunftsfeld sichern könnten. 2016 hatte EU-Präsident Juncker eine Überarbeitung der Telekommunikationsvorschriften vorgeschlagen. So sollten die wachsenden Anforderungen an die Netzanbindung erfüllt und Europas Wettbewerbsfähigkeit gesteigert werden. Zudem wurde ein Aktionsplan entwickelt, wonach der Start der 5G-Technik in der EU ab etwa 2020 erfolgen soll. Geplant ist, dass die 5G-Frequenzbänder gemeinsam mit den Mitgliedstaaten und der Branche festgelegt und zugeteilt werden.

An den ehrgeizen Plänen beteiligen sich inzwischen auch außereuropäische Länder. So entstanden erste Projekte, die je zur Hälfte von der EU und von Japan gefördert werden. Verfolgt wird ein gemeinsames Forschungsziel: 5G-Netze möglichst frühzeitig in öffentlichen Bereichen mit einer sehr hohen Anzahl von potentiellen Nutzern testen.

Zu den ersten Forschungsprojekten zählt „RAPID5G“. Ins Leben gerufen wurde es von den Professoren Andreas Stöhr von der Universität Duisburg-Essen und Hiroshi Murata von der Universität Osaka. Beteiligt sind elf Partner aus Deutschland, Japan, Polen und Israel. Ihr Ziel ist es, 5G-Funknetze in einem japanischen Fußballstadion und in einem großen europäischen Einkaufszentrum zu testen. Dazu müssen sie neue Technologien entwickeln und in die vorhandene Netzinfrastruktur integrieren. Denn sicher ist: Mit der Einführung von 5G werden die existierenden 3G/4G Netze nicht einfach abgeschaltet. Vielmehr wird 5G höchstwahrscheinlich – wie schon bei 4G – zunächst in Bereichen mit sehr hoher Teilnehmerzahl an den Start gehen.

Bei den Ansprüchen an die 5G-Technologie treten zwei Eigenschaften hervor: 5G soll deutlich höhere Datenraten in jeder Funkzelle unterstützen und deutlich kürzere Latenzzeiten sicherstellen. Letzteres ist die Zeit, die vergeht, bis ein angeforderter Dienst startet. Das kann ein Video auf dem Handy sein oder die Übermittlung von Daten an ein selbstfahrendes Auto. Angestrebt wird hier eine Latenzzeit von nur einer Millisekunde. Bei LTE sind es meist mindestens 30 Millisekunden. Darüber hinaus sollen mit 5G die Zeiten vorbei sein, in denen man wegen zu vieler Nutzer in vollen Stadien oder Einkaufszentren keinen Netzzugang bekommt. Um das alles zu ermöglichen, muss sich die Technik ändern. Dazu wird international über neue Frequenzbänder diskutiert.

Das Forschungsziel von „RAPID5G“ war es, eine Funkzugangstechnologie im 60-Gigahertz-Bereich zu entwickeln und in einem Feldversuch zu demonstrieren. Es sollte insbesondere sichergestellt werden, dass ein einmal gestarteter Dienst nicht unterbrochen wird, wenn der mobile Nutzer in eine angrenzende 3G, 4G oder 5G Funkzelle wechselt. Am Beispiel der Übertragung von Informationen an ein selbstfahrendes Auto wird klar, warum dies besonders wichtig ist. Der Dienst darf auch dann nicht stoppen, wenn der Teilnehmer eine 5G-Funkzelle verlässt, um sich in der nächsten wieder „anzumelden“. Aber auch dann nicht, wenn für den Teilnehmer gar kein 5G-Empfang mehr verfügbar ist, sondern „nur noch“ LTE oder UMTS.

Eine Herausforderung ist die hohe Funkfrequenz von 60 Gigahertz. In diesem Bereich nimmt die Signalstärke bei drahtloser Übertragung viel schneller ab. Im Vergleich zu den bei WiFi üblichen 2,4 Gigahertz wäre die Signalstärke bei gleicher Entfernung zur Sendeantenne 625-mal niedriger. Hinzu kommt, dass die Sendeleistung bei 5G auch aus Energieeffizienzgründen noch viel niedriger werden muss als dies heute bei den 3G/4G-Netzen der Fall ist.

Dieses Problem wurde im „RAPID5G“-Projekt durch innovative Technik gelöst. An der Universität Duisburg-Essen wurden 60 GHz-Antennen entwickelt, die die Sendeleistung gezielt nur in Richtung aktiver Teilnehmer abstrahlen. So lassen sich selbst geringste Sendeleistungen nahezu verlustfrei übertragen. Technisch wurden im Feldversuch maximale Download-Datenraten von knapp 1.000 Mbit/s erreicht. Die maximale Datenrate lag somit um ein Vielfaches höher als bei LTE. Und Laborversuche zeigen: es ist noch Raum für weitere Verbesserung.

Auch die Latenzzeit wurde bei „RAPID5G“ erfolgreich verringert, indem alle Antennen direkt per Glasfaser angebunden wurden und in jedem Bereich des Funknetzes auf zeitraubende Signalverarbeitung verzichtet wurde. Beim Feldversuch im Einkaufszentrum dauerte es im Schnitt nur ein oder zwei Millisekunden bis ein bestimmter Dienst auf dem mobilen Endgerät startete.

Mit „MobileIP“ wurde im „RAPID5G“-Projekt auch erfolgreich ein Algorithmus genutzt, der die unterbrechungsfreie Nutzung von Diensten ermöglicht. So konnten die Forscher zeigen, dass ein mobiler Video-Stream ohne Unterbrechung durchläuft, unabhängig davon, wie oft die Zelle gewechselt wurde, und unabhängig von der Funktechnik, mit der der Teilnehmer verbunden war. Lediglich die Wiedergabequalität des Videos musste angepasst werden, wenn die Datenrate nicht ausreichte.

Ist die 5G-Technik schon einsatzbereit? Nein. Kostengünstige elektronische Chips in den Mobiltelefonen sind noch nicht wirklich verfügbar. Aber in den kommenden Jahren wird es sicher weitere, spannende Feldversuche, neuartige Anwendungen und erste kommerzielle Anbieter geben. Die Olympischen Spiele 2020 in Tokyo werden hier sicher einen Meilenstein darstellen.