Erklärt: Die fünf unterstützenden Säulen von 5G

Das nächste große Ding im Internet dreht sich um das Internet selbst, naja, irgendwie. 5G oder die fünfte Generation ist die nächste Generation der drahtlosen Telekommunikation, der Nachfolger der vierten Generation (4G) oder LTE. Tatsächlich ist dies nicht das erste Mal, dass die Menschen eine solche Evolution in der Telekommunikationsbranche bemerken. Offensichtlich geschah dasselbe fast jedes Jahrzehnt, beginnend mit der ersten Generation (1G) – die ein analoges System für die Sprachübertragung hervorbrachte, der zweiten Generation (2G) – die die Fähigkeit hinzufügte, Sprache und Daten zusammen zu senden, der dritten Generation (3G) – die Megabit-Internetspeed und Videoanrufe einführte, und der vierten Generation (4G) – die ein echtes mobiles Breitband-Erlebnis mit HD-Streaming bot.

Mit der fünften Generation (5G), die voraussichtlich um das Jahr 2020 herum kommt, wird angenommen, dass sie die Datenraten erheblich verbessert, die Verbindungsdichte erhöht, die Latenz verringert und Gigabit-Internetspeed bereitstellt. Obwohl sie sich noch in der Entwicklung befindet und nicht so bald verfügbar sein wird, investieren Unternehmen wie Nokia, Qualcomm, Ericsson, Samsung und Intel riesige Geldbeträge in die Forschung und Entwicklung von 5G. Derzeit haben diese Forschungen und Entwicklungen auf einem bestimmten Niveau Früchte getragen, wobei Nokia plant, seine Plattform “5G first” einzuführen, die darauf abzielt, einen End-to-End-5G-Service bereitzustellen, Intel behauptet, 5G-fähige Laptops im Jahr 2019 zu liefern, und Qualcomm plant ebenfalls, seine 5G-fähigen Snapdragon X50-Geräte im Jahr 2019 auszuliefern.

Mit diesem Potenzial wird erwartet, dass 5G drastisch Möglichkeiten für AR (Augmented Reality), VR (Virtual Reality) und IoT (Internet der Dinge) eröffnet. Der Grund, warum diese Dienste das Beste aus 5G herausholen können, liegt darin, dass eine 5G-Verbindung voraussichtlich sehr hohe Internetgeschwindigkeiten und sehr geringe Latenz (Verzögerung zwischen dem Senden und dem Empfangen einer Nachricht) bietet – was alles ist, was für Dienste wie AR, VR und IoT erforderlich ist, um angemessen zu funktionieren.

Offensichtlich erfordert die Bereitstellung von Hochgeschwindigkeitsinternet mit reduzierter Latenz Änderungen in der Art und Weise, wie Signale über lange Strecken übertragen und transportiert werden. Aus diesem Grund haben Forscher verschiedene Technologien entwickelt, um 5G zu verbessern. Unter diesen Technologien sind die wichtigsten, die als fünf Säulen eines 5G-Netzwerks betrachtet werden:

1. Millimeterwellen

Die meisten elektronischen Geräte in unserem Zuhause arbeiten mit Funkfrequenz (RF)-Wellen, die unter 6 GHz liegen. Da täglich mehr Geräte mit dem Internet verbunden werden, beginnt dieses Frequenzband überfüllt zu werden, was zu Problemen wie langsamen Internetgeschwindigkeiten, hoher Latenz und mehr Verbindungsabbrüchen führt. Um diese Probleme zu lösen, experimentieren Forscher mit der Verwendung kürzerer Millimeter-RF-Wellen, die typischerweise im Bereich von 30-300 GHz liegen. Der Grund für die Verwendung dieses Frequenzspektrums ist, dass es zuvor nie verwendet wurde, was bedeutet, dass es eine sehr große Bandbreite für die zahlreichen Geräte, die wir im Internet haben, bietet.

2. Kleine Zelle

Obwohl die Verwendung von Millimeterwellen möglicherweise Probleme mit niedriger Bandbreite oder andere verwandte Probleme löst, hat sie ihre eigenen Probleme, für die Forscher einen Ausweg finden müssen. Um zu verstehen, wie kleine Zellen funktionieren, betrachten wir ein bestehendes Problem bei der Verwendung von RF-Wellen höherer Frequenzen – viele von uns sind sich möglicherweise bewusst, dass das Wi-Fi, das wir zur Verbindung mit dem Internet verwenden, zwei Frequenzbänder nutzt, 2,4 GHz und 5 GHz. In den meisten Fällen verwenden wir das 2,4 GHz-Frequenzband in unseren Verbindungen (standardmäßig aktiviert), da niederfrequente Wellen tendenziell eine größere Reichweite haben als hochfrequente Wellen. Das Problem mit Millimeterwellen ist ähnlich, da wir hochfrequente RF-Wellen verwenden, die schwach sind (eine kurze Reichweite haben) und nicht genügend Potenzial besitzen, um über lange Strecken zu reisen, ohne abgeschwächt zu werden.

Forscher haben jedoch einen Weg gefunden, dies zu umgehen, indem sie Tausende von niederleistungsfähigen Mini-Basisstationen in enger Nähe zueinander installieren, im Vergleich zu traditionellen drahtlosen Stationen, um ein Relaisnetzwerk zu schaffen und die Signale zu übertragen, um lange Strecken abzudecken. So wie Millimeterwellen nicht über lange Strecken reisen können, können sie auch keine Objekte wie Gebäude, Bäume, Wolken usw. durchdringen, was dazu führt, dass Signale von diesen Objekten abprallen und verloren gehen. Um dieses Problem zu lösen, wären kleine Zellantennen, die sich in unmittelbarer Nähe befinden, tatsächlich hilfreich, da sie die Basisstationen des Nutzers wechseln würden, wenn sie auf ein hinderndes Objekt stoßen, um ein nahtloses und unterbrechungsfreies Erlebnis zu bieten.

3. Massive MIMO (Massive Input Massive Output)

Das derzeitige 4G-Netz verwendet Basisstationen mit einem Dutzend Ports für Antennen, von denen acht Ports zum Senden und vier Ports zum Empfangen verwendet werden. Im Gegensatz dazu kann der neue 5G-Standard etwa hundert Ports unterstützen, um mehr Antennen auf einem einzigen Array unterzubringen, was die Netzwerkkapazität erhöht, indem es ermöglicht, Signale mit mehr Nutzern zu senden und zu empfangen.

Kurz gesagt, MIMO oder Multiple-Input Multiple-Output bezieht sich auf drahtlose Netzwerke, die zwei oder mehr Sender oder Empfänger verwenden, um Daten zu senden und zu empfangen. Mit zahlreichen Basisstationen in der Nähe und viel Verkehr, der in und aus den Basisstationen fließt, besteht eine große Möglichkeit von Signalinterferenzen, die zu viel Abschwächung und Verzerrung führen könnte.

4. Beamforming

Um das Problem der Signalabschächung und -verzerrung zu bekämpfen, das durch omnidirektionale Signalübertragung von Hunderten von Ports verursacht wird, die in den MIMO-betriebenen Basisstationen verwendet werden, haben Forscher eine weitere Technologie entwickelt, die als Beamforming bezeichnet wird. Ähnlich wie die Verkehrsampeln, die verhindern, dass Menschen zusammenstoßen, indem sie ihnen erlauben, abwechselnd die Straße zu überqueren, macht Beamforming dasselbe, jedoch mit Netzwerksignalen und -paketen. Es fokussiert einen Signalstrahl direkt auf einen Nutzer, anstatt ihn in alle Richtungen zu senden, während gleichzeitig ein Muster von übertragenden Signalen erstellt wird, sodass eine größere Anzahl von Nutzern gleichzeitig ohne Signalverlust bedient werden kann. Dazu nutzt es Algorithmen auf Basisstationen, um mehrere Pakete über das Gebiet zu senden, indem es sie von den umgebenden Objekten abprallen lässt, um die beste Signalroute bereitzustellen und somit viele Nutzer mithilfe der MIMO-Technologie ohne Abschwächung und Verzerrung zu bedienen.

5. Vollduplex

Die derzeit in 4G-Netzen verwendeten Basisstationen sind in der Lage, in Halbduplex zu kommunizieren, was eine Art der Kommunikation ist, bei der die verbundenen Parteien abwechselnd miteinander kommunizieren. Das Problem mit dieser Art der Kommunikation ist, dass sie keine gleichzeitige Kommunikation zwischen den verbundenen Parteien unterstützt (Vollduplexkommunikation). Daher sendet oder empfängt die Basisstation entweder Signale zu einem bestimmten Zeitpunkt, um Interferenzen zu vermeiden. Bis jetzt gab es zwei Lösungen, um dieses Problem zu bekämpfen: “Verwendung unterschiedlicher Frequenzen” und “Abwechselnder Betrieb”.

Mit dem neuen 5G-Netz, das Millimeterwellen nutzt, müssen Forscher jedoch einen Weg finden, eingehende und ausgehende Signale so zu leiten, dass sie nicht miteinander kollidieren. Dazu haben Forscher Schalter (aus Transistoren bestehend entwickelt), die ein Signal vorübergehend umleiten, um Kollisionen und Interferenzen zu verhindern. Und genau wie andere Technologien, die einige Nachteile haben, ist Vollduplex nicht anders und hat seinen eigenen Nachteil – das Senden und Empfangen von Signalen mit derselben Antenne kann zu dem führen, was als lästiges Echo bezeichnet wird, und um dieses Problem zu überwinden, muss es einen Weg geben, ein lästiges echo-freies Netzwerk zu schaffen.

Mit der 5G-Verbindung wird erwartet, dass Technologien wie AR, VR und IoT ansteigen und mainstream und benutzerfreundlicher werden, was sonst nicht plausibel wäre. Um den Anwendungsfall von 5G bei der Weiterentwicklung dieser Technologien zu verstehen, betrachten wir ein Szenario, in dem ein Arzt eine Operation an einem Patienten durchführen muss, der sich auf der anderen Seite der Welt befindet. Dazu verwendet er VR-Geräte und einen robotischen Assistenten, der sich in der Nähe des Patienten befindet. Um diese Operation erfolgreich durchzuführen, ist es absolut notwendig, ein verzögerungsfreies Netzwerk zu haben, damit es keine Latenz zwischen dem Zeitpunkt gibt, an dem der Arzt einen Befehl oder eine Operation sendet, und dem Zeitpunkt, an dem die Roboter den Befehl empfangen und die Operation am Patienten durchführen.

Neben den Fortschritten in AR, VR und IoT sind die anderen wesentlichen Vorteile, die man sofort mit einem 5G-Netzwerk im Vergleich zu bestehenden Netzwerkverbindungen erwarten kann:

1. Hochgeschwindigkeitsinternet
2. Niedriglatenzschnittstelle
3. Verbesserte Maschinenkommunikation

Derzeit wird 5G entwickelt und getestet, um bis zum Jahr 2020 auf den Markt zu kommen, wobei kompatible Geräte voraussichtlich Ende desselben Jahres verfügbar sein werden und das Netzwerk bis 2025 weltweit weit verbreitet sein wird.