Wir geben Impulse

Fachhochschule Südwestfalen

5G – Möglichkeiten und Herausforderungen,

insbesondere für den ländlichen Raum

Sitzung der Breitbandbeauftragten der Kreise in NRW – zusammen mit Mitgliedern des Ausschusses für Wirtschaft und Verkehr (21. Mai 2019)

Prof. Dr. C. Lüders, Prof. Dr. S. Breide, S. Helleberg (M.Eng)

FH Südwestfalen, Breitbandkompetenzzentrum NRW – BBCC.NRW

Lindenstr. 53, 59872 Meschede

Email:lueders.christian@fh-swf.de

Inhalt

Einleitung

Auf dem Weg zur 5. Generation Mobilfunk

5G – Besonderheiten und Anwendungen

Frequenzbänder im Mobilfunk

Derzeitige LTE-Versorgung und Migration zu 5G

Zusammenfassung und Fazit

Generationen von Mobilfunksystemen

UMTS

GPRS

GSMCDMA

2G digital

Telefonie

SMS, Fax,

Daten

EDGE

3G: IMT-2000

wie 2G und

www, Email,

Bilder, Video, ..

mehrere länderspezifische analoge Systeme: Telefonie 1G

4G: IMT-Adv.

wie 3G und

höhere Raten

M2M, IoT, …

HSPA+

LTEWiMAX

5G: IMT-2020

LTE-Adv.

5G

1990

2000

2010

2020

HSPA

0,01

0,5

0,4

14

42

300

1000

0,01

0,2

0,4

7

12

75

500

Mbit/sDL UL

Globale Mobilfunk-Standards

globale Steuerung des Prozesses:

International Telecommunications Union (ITU)

konkrete Standards: (GSM), UMTS, LTE, 5G

3rd Generation Partnership Project (3GPP)

– ETSI Europa: European Telecommunication Standards Institute

– ARIP Japan: Association of Radio Industries and Businesses

– ATIS USA: Alliance for Telecommunications Industry Solutions

– TTA Korea: Telecommunications Technology Association

– TTC Japan: Telecommunications Technology Committee

– CCSA China: China Communications Standards Association

– TSDSI India: Telecommunications Standards Development Society

Zeitpläne für 5G

2014 2015 2016 2017 2018 2019

Trends, Feasibility

Vision IMT

WRC

15

WRC

19

Performance Req.

Evaluation Method

Proposals IMT-2020

Evaluation

Specifications

ITU

Release 13

Release 14

Release 15

Release 16

Release 17

3GPP

Quellen:

ITU towards “IMT for and beyond”, www.itu.int

D. Flore: LTE evolution and road to 5G, www.3gpp.org

2020

Spezifikation von 5G in mehreren Phasen

Weiterentwicklung von LTE

Vorüberlegungen 5G

Erweiterungen LTE

Inhalt

Einleitung

Auf dem Weg zur 5. Generation Mobilfunk

5G – Besonderheiten und Anwendungen

Frequenzbänder im Mobilfunk

Derzeitige LTE-Versorgung und Migration zu 5G

Zusammenfassung und Fazit

Nutzungsszenarien IMT 2020 (5G) gemäß ITU

Quelle: ITU-R: Rec. M.2083-0, IMT Vision – Framework and overall objectives

of the future development of IMT for 2020 and beyond, Sept. 2015

EMBB

MMTC URLLC

Spitzendatenrate ≈ 20 / 10 Gbit/s (DL/UL)User Experienced ≈ 100 / 50 Mbit/s (DL/UL)

≈ 1 Mio. Geräte pro km2

viele kleine Datenpakete

Latenz ≈ 1 ms (z. Vgl.: LTE ≈ 20 ms)

Übertragungssicherheit ≈ 99,999%

Nicht alles

gleichzeitig!!!

Betriebsarten für 5G

öffentliches landesweites/globales Mobilfunknetz

privates lokales Mobilfunknetz

Device-to-Device Communication (D2D); z.B. Fahrzeug-Fahrzeug-Kom.

ohne Infrastruktur (ähnlich wie Bluetooth)

durch Infrastruktur koordiniert (z.B. Kanalzuteilung)

weniger Störungen

Network Slicing:

mehrere logisch getrennte Netze für unterschiedliche Anforderungen

(vertikale Industrien und deren Anwendungen, s.u.)

über eine physikalische Infrastruktur

Geschäftsfelder und Anwendungen

Vertikale Industrien

Produz. Industrie, I4.0

Energieversorger

Automobilbranche

Logistik und Transport

Landwirtschaft

Smart Cities

Gesundheit/Wellness, …

Anwendungen

Maschinensteuerung, Augmented Reality

Zählerauslesung, Netzsteuerung, …

Diagnose, Verkehrssteuerung, autonom. Fahren

Flottenmanagement, autonome Gabelstapler

Steuerung Landmaschinen, Sensoren im Feld, …

Verkehrssteuerung, Umweltsensoren

Fitnesstracker, Tele-Medizin (bei Unfall), …

Network Slicing: Service Level Agreements (Qualität, Funktionalität, Preis, …)

zwischen Netzbetreiber und Vertikaler Industrie

neue Einahmequellen für Netzbetreiber

Aufbau eines Mobilfunknetzes

NodeBInternet, anderes

Mobilfunknetz

User

Equipm.

Funknetz

Radio AccessKernnetz

Core NetworkExternes Netz

Glasfaser

Hochleistungs-

Richtfunk2G, 3G, 4G/LTE- spezielle HW mit

- zugehöriger SW

5G- Universelle HW

- Network Function Virtualization

NodeB- eNB: 4G-Basisstation

- gNB: 5G-Basisstation

Smartphone Slice

Automotive Slice

Agriculture Slice Slice

Inhalt

Einleitung

Auf dem Weg zur 5. Generation Mobilfunk

5G – Besonderheiten und Anwendungen

Frequenzbänder im Mobilfunk

Derzeitige LTE-Versorgung und Migration zu 5G

Zusammenfassung und Fazit

Frequenzbänder im Mobilfunk

500400 600 700 800 900 1000

2021 2026 2034

GS

MR

GS

MR

2034Jahr der Neuvergabe

f / MHz

15001400 1600 1700 1800 1900 2000

2026/2034 2026/2021

DE

CT

2034 2026/2034

21002000 2200 2300 2400 2500 2600

Bluetooth,

WLAN, …

20262026/2021

f / MHz

34003300 3500 3600 3700 3800 3900

bisher: Drahtloser Netzzugang regionale,

Öffentlicher Mobilfunk private Netze f / MHz

derzeit in der

Versteigerung!

Weitere Frequenzbänder für den Mobilfunk 5G

Zur Entscheidung auf World Radio Conference WRC19 (Nov.)

24,3 … 27,5 GHz

37,0 … 40,5 GHz

42,5 … 43,5 GHz

45,5 … 47,0 GHz

47,2 … 50,2 GHz

50,4 … 52,6 GHz

66,0 … 76,0 GHz

81,0 … 86,0 GHz

• Anbindung Basisstationen & Remote Radio Heads

• Versorgung von Mobilstationen in Mikro-/Pikozellen

• für Device-to-Device-Kommunikation (D2D)

• Nachteil: ungünstige Ausbreitungsbedingungen

daher eher für kürzere Entfernungen

• Vorteil: viel Frequenzspektrum hohe Kapazität

kleine Antennen

• Zusätzlich: Verbesserung Zusammenspiel mit WLAN

• Nutzung von WLAN-Bändern durch LTE und 5G

Frequenzauktion April/Mai 2019

Versteigerung: 3,4 GHz … 3,7 GHz & 2 GHz Band für bundesweite Nutzung

3,4 –3,7 GHz: 10 MHz Blöcke – ungepaart

2 GHz (früher UMTS): gepaarte 5 MHz Blöcke, Nutzung ab 2021 bzw. 2026

Vergabe von Frequenzen im Antragsverfahren für regionale/private Nutzung

nach Abschluss der Versteigerungen: 3,7 – 3,8 GHz

ausgeschlossen: alle, die bei 3,4 … 3,7 GHz Frequenzen zur

bundesweiten Nutzung ersteigert haben

weiterhin: 26 GHz Band

Befristung bis Ende 2040

Vergabe technologieneutral: nicht nur 5G, auch anderen Techniken möglich

Frequenzauktion April/Mai 2019: Auflagen

E 22: mindestens 98% der Haushalte je Bundesland mit ≥ 100 Mbit/s

E 22: alle Bundesautobahnen ≥ 100 Mbit/s und ≤ 10 ms Latenz

E22/24: ähnlich für Bundes-/Landstraßen, Wasserwege, Schienenwege

Versorgungsauflagen für Verkehrswege: Versorgung durch

andere Mobilfunknetze werden angerechnet

E 22: ≥ 1.000 „5G-Basisstationen“ und

E 22: ≥ 500 Basisstationen mit mindestens

100 Mbit/s in „weißen Flecken“

geringere Auflagen für Neueinsteiger

Empfehlung: Infrastruktur-Sharing, National Roaming

• Datenraten Downlink

• außen

• ohne Konkurrenz

Versorgung muss nicht mit 5G und versteigerten Frequenzen erfolgen

Inhalt

Einleitung

Auf dem Weg zur 5. Generation Mobilfunk

5G – Besonderheiten und Anwendungen

Frequenzbänder im Mobilfunk

Derzeitige LTE-Versorgung und Migration zu 5G

Zusammenfassung und Fazit

0

10000

20000

30000

40000

50000

E11 E12 E13 E14 E15 E16 E17 E18

LTE-Basisstationen

Bundesautobahnen: 72% … 96%

Bundesstraßen: 46% … 88%

Landstraßen: 39% … 82%

Telekom: 94% der Haushalte

Vodafone: 91% der Haushalte

Telefonica: 82% der Haushalte

LTE-Ausbau und –Versorgung (2017)

Quelle:

Jahresberichte

BNetzA

E: Ende

Jahr

2017:

weniger als 40% aller SIM-

Karten mit LTE-Nutzung!!!

(LTE-)Versorgung und Zahl der Standorte

Telekom: 94% der Haushalte

Vodafone: 91% der Haushalte

Telefonica: 82% der Haushalte

mit zusammen

48000 LTE-Standorten (E2017)

Quelle: Bundesnetzagentur

Anzahl benötigter Standorte

wächst überproportional

mit der Versorgungswahrsch.

Datenverkehr in Deutschland

Extrapolation auf 2030: 300 GByte pro Einwohner und Monat !!!

60% des Verkehrs durch Videos

25% des Verkehrs durch M2M, IoT, …

GB

yte

pro

Mo

na

t u

nd

EW

0,1

2,5

40

Umgang mit dem drastischem Anstieg

Anstieg der Datenmenge um den Faktor ≈120 gegenüber heute

Kapazitätsreserve: Faktor 1 … 2

technischer Fortschritt (5G): Faktor 3 … 5

neue Frequenzbereiche: Faktor 4 … 5

in Bereichen oberhalb 6 GHz verfügbar, schlechtere Funkausbreitung

Zusammenspiel mit WLAN optimieren

mehr Standorte: Faktor 2 … 5

zum Teil Netzverdichtung Makrozellen

hauptsächlich Mikro-, Piko-, Femto-Zellen / WLAN

in Gebäuden, Bahnhöfe, Fußgängerzonen: niedrige Sendeleistungen

Reichweite

800 MHz

3500 MHz

bei gleicher Datenrate

Downlink, außen

Downlink

im Gebäude

Uplink,

außen

Mögliche Datenraten (derzeitige Technologie)

30 MHz Spektrum bei 700/800/900 MHz

80 MHz Spektrum bei 3600 MHz

- durch verbesserte LTE-Technologie: ca. Faktor 2

- durch 5G-Technologie (< 6 GHz): ca. Faktor 3 … 4

Breitbandmessungen

Bundesnetzagentur

Je höher die gebuchte

Datenrate desto seltener

erreicht man 50% davon.

Was heißt „versorgt“?

Datenrate (Maß für die Versorgung) hängt ab von

Abstand zur Basisstation, Topografie, Bebauung, Bewuchs

genauen Ort:

Keller, EG, DG, Balkon, Garten, Fahrzeug, externe Antenne, …

Auslastung der eigenen Funkzelle: Kapazität wird geteilt!!!

Störungen aus anderen Funkzellen

Uplink / Downlink

Leistungsfähigkeit des Endgeräts

Einfluss der Endgeräte

Wann gibt es Endgeräte, die die neue Technologie unterstützen?

Zu einer Technologie: mehrere Klassen / Kategorien von Endgeräten

Welcher Leistungsumfang der neuen Technologie wird unterstützt?

Alle Frequenzbänder, die der Netzbetreiber einsetzt?

Welche Frequenzträger können gebündelt werden?

Welche Antennentechnik (MIMO) wird unterstützt?

Wie ist die Empfängerempfindlichkeit des Endgeräts?

Rückbau einer alten zugunsten einer neuen Technologie

Versorgungslage für Besitzer alter Endgeräte wird schlechter!

Migration: LTE 5G

4G

NB

5G

NB

4G

NB

5G

NB

5G

NB5G

NB

4G

NB

5G

NB

4G

NB

4G

NB

User

Equipment

NB: Node B – Basisstation

• eNB: 4G

• gNB: 5Gwww.gsma.com/futurenetworks/wp-content/uploads/

2018/04/Road-to-5G-Introduction-and-Migration_FINAL.pdf

Control Plane

User Plane

4G-Kernnetz 5G-Kernnetz

5G

NB

Anmerkung zu „Umweltaspekten“

deutlich höhere Datenmengen deutlich höherer Energiebedarf

kann nicht vollständig durch höhere Effizienz kompensiert werden

zusätzliche Technologie / Standorte mehr Strahlung

eventuell Rückbau alter Technologien (z.B. 3G) an Standorten

bei 5G bis 3,8 GHz nicht grundsätzlich anders als bei 4G

Bundesamt für Strahlenschutz: „Innerhalb der gültigen Grenzwerte …

und bei Einhaltung der … an Mobiltelefone gestellten Anforderungen

gibt es demnach keine bestätigten Belege auf eine schädigende

Wirkung des Mobilfunks.“

weniger untersucht: Frequenzbereich über 10 GHz, aber dort geringere

Eindringtiefen in Gewebe

Zusammenfassung und Fazit (1)

5G: äußerst leistungsfähige Mobilfunktechnologie

wesentliche Neuerungen bei industriellen Anwendungen und M2M

drei Hauptanwendungsszenarien

EMBB sehr hohe Datenraten

MMTC sehr viele Endgeräte

URLLC äußerst hohe Zuverlässigkeit

sehr niedrige Latenz

aber keine kurzfristige Lösung gegen mangelnde Versorgung

derzeitige Frequenzversteigerung: bestenfalls Einstieg in 5G

Anforderungen zur Verbesserung der Versorgung: technologieneutral

Aufbau 5G-Infrastruktur wird dauern, ebenso Verbreitung 5G-Endgeräte

nicht

alles

gleichzeitig!

Zusammenfassung und Fazit (2)

Einführung einer neuen Technologie kann für Besitzer alter Endgeräte

Verschlechterungen bedeuten (Rück-/Nichtaus-bau der alten Technologie)

daher muss LTE weiter ausgebaut werden

jeder Nutzer sollte eigene Möglichkeiten prüfen (Gerät, Vertrag, WLAN, …)

konstruktive Gespräche mit Netzbetreibern suchen

keine pauschalen Maximalanforderungen, sondern:

detaillierte Analyse: Welches Leistungsmerkmal wird wo benötigt?

neue Prozesse (Network Slicing): Vertikale Industrien Netzbetreiber

Politik: Rechtlicher und ordnungspolitischer Rahmen

Mobilfunk ist Ergänzung, kein Ersatz für leitungsgebundene Infrastruktur