Wir geben Impulse

Fachhochschule Südwestfalen

„Von der 4. zur 5. Generation Mobilfunk: Versorgungslage, Leistungsmerkmale und

Anwendungspotenziale “

Prof. Dr. Christian Lüders

Prof. Dr. S. Breide, Dipl. Ing. S. Helleberg, F. Pletziger (B.Eng.), C. Witteler (B.Eng.)

FH Südwestfalen, Breitbandkompetenzzentrum NRW BBCC.NRW

Lindenstr. 53, 59872 Meschede

Email:lueders.christian@fh-swf.de

Folie 2 (01/2020)

Forschungsschwerpunkte - C. Lüders

Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit von Funksystemen

Long Term Evolution LTE (4G), 5G Mobilfunk

Funksyteme für M2M, Internet of Things, Industrie 4.0

Wireless LANs (IEEE 802.11 ac/ad, ...)

Funkausbreitung

Messungen zur Funkausbreitung, Erstellung von Funkausbreitungsmodellen

Simulationen zur Funkausbreitung für WLAN, Richtfunk und Mobilfunk

Funk-Versorgungsanalysen für Smart Grid, Industriekommunikation

Analysen zur Funkversorgung

Messungen und Analysen zur Funkversorgung in Mobilfunknetzen (2G, 4G und 5G)

Funkversorgung für Smart-Grid-/Smart-Meter-Anwendungen und Internet of Things

Simulationen zur Kapazität von Funknetzen (Datenrate, versorgbare Teilnehmer)

Breitbandversorgung, Medientechnik: Prof. Dr. S. Breide

Radartechnik, Antennenentwicklung: Prof. Dr. B. Will

Folie 3 (01/2020)

Inhalt

Einleitung

Auf dem Weg zur 5. Generation Mobilfunk

Derzeitige Mobilfunkversorgung (im ländlichen Raum)

Stand der 5G-Versorgung

Zusammenfassung und Fazit

Folie 4 (01/2020)

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: Telefonie1G

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

Folie 5 (01/2020)

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!!!

Folie 6 (01/2020)

Betriebsarten für 5G

öffentliches landesweites/globales Mobilfunknetz

privates lokales Mobilfunknetz Campus-Netz

Mischformen aus beiden Betriebsarten

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)

über eine physikalische Infrastruktur

Folie 7 (01/2020)

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

Folie 8 (01/2020)

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

Folie 9 (01/2020)

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: 5G

Steuerung

Daten

4G-Kernnetz 5G-Kernnetz

5G

NB

Anker-

frequenz

Folie 10 (01/2020)

Inhalt

Einleitung

Auf dem Weg zur 5. Generation Mobilfunk

Derzeitige Mobilfunkversorgung (im ländlichen Raum)

Stand der 5G-Versorgung

Zusammenfassung und Fazit

Folie 11 (01/2020)

Projekte zur Mobilfunkversorgung

im ländlichen Regionen

Projekt „Aufklärungskampagne zu den Engpassfaktoren der

Mobilfunkversorgung im Münsterland“

WFGs/Breitbandkoordinator*Innen der Kreise Borken, Coesfeld,

Steinfurt, Warendorf und der Stadt Münster

Projekt „Untersuchung zur Verbesserung der Mobilfunkversorgung im

ländlich geprägten Raum“

FH SWF mit InInstitut Breitbandkompetenzzentrum NRW (BBCC.NRW)

Start: Juli 2019 Laufzeit: bis Frühjahr 2021

enge Kooperationen

gefördert vom Ministerium für Umwelt Landwirtschaft, Natur- und

Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen

Folie 12 (01/2020)

Umfragen zur Kundenzufriedenheit

Bundesnetzagentur,

Breitbandmessung,

Jahresbericht 2018/19

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Umfrage MSL BNetzA2018/19

Note 6

Note 5

Note 4

Note 3

Note 2

Note 1

Abnahme der Zufriedenheit mit der Zeit

trotz steigenden Netzausbaus !!!

= 3,8 = 2,8

0

20000

40000

60000

80000

2012 2014 2016 2018

LT

E-B

asis

sta

tio

nen

Umfrage: Nutzung/Zufriedenheit (Ende 2019)

• 10000 Unternehmen/Landwirte/Handwerker

• gut 1000 Rückmeldungen

• u.a.: mobile Telefonie wichtig, aber schlecht

Folie 13 (01/2020)

Versorgungsauflagen

Datenrate

DL / Mbit/s

Versorgte

Haushalte

Versorgte

Fläche

Versorgte

Verkehrswege

Bis wann?

Auktion 2015 50 97% - BAB, Schiene Ende 2019

Auktion 2019 100 98% - Weitere Wege Ende 2022

Betreiberzusage 100 99% 97% „ Ende 2024

Bundesregierung

+ 5000 Standorte

100 99,95% 97,5% „ Ende 2024

Siehe BMVI: „Mobilfunkstrategie der Bundesregierung“, www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Artikel/K/mobilfunkstrategie.html,

Nov. 2019.

Reduktion

Verbindungsabbrüche

• Durch Voice over LTE

• Außenantenne

BNetzA: Auflagen aus Auktion 2019 erfüllt

BMVI: Mobilfunkinfrastrukturgesellschaft in Gründung

• Förderung des Ausbaus in unversorgten Gebieten

• in Absprache mit den Kommunen

Folie 14 (01/2020)

Einflussfaktoren auf die Datenrate

Date

nra

teAbstand

hohe Frequenzen:

• viel Kapazität

• geringe Reichweite

niedrige Frequenzen:

• wenig Kapazität

• hohe Reichweite

erzielbare Datenrate hängt von vielen Faktoren ab

• Empfangspegel, Nutzung: Innen/Außen, im Kfz

• Netzauslastung, Störungen aus anderen Funkzellen

• Endgerät: unterschiedliche Leistungsfähigkeiten, nicht alle Frequenzen

• Vertragsbedingungen: LTE vielfach kein Bestandteil

Folie 15 (01/2020)

Netzabdeckung 4GVergleich verschiedener Regionen (gemäß BNetzA-Karte)

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

SWF HSK SO MSL BOR D

nic

ht-

vers

org

te F

läch

e /

% Alle TF TK VF

Ziel der Breitbandstrategie der Bundesregierung: Flächenversorgung 97,5%

Legt man BNetzA-Karten zugrunde nahezu erfüllt !!!

Südwestfalem

Hochsauerlandkreis

Kreis Soest

Münsterland

Kreis Borken

Deutschland (gesamt)

SWF

HSK

SO

MSL

BOR

D

Statistiken basierend auf BNetzA-Karten:

https://www.breitband-monitor.de/mobilfunkmonitoring/karte

Folie 16 (01/2020)

Netzabdeckungskarten der BetreiberVergleich mit Störmeldungen

Störmeldungen

• in „unversorgten“ Flächen: 20%

• in „unversorgten“ Flächen

plus 100 m Radius 40%

• in „unversorgten“ Flächen

plus 200 m Radius 52%

• ca. 40 … 50% der Störmeldungen

passen nicht zu Abdeckungskarte

https://www.telekom.de/netz/mobilfunk-

netzausbau

Folie 17 (01/2020)

Netzabdeckungskarten der BetreiberAnalyse für evtl. interessante Standorte

• Standortsuche durch Punktraster über Untersuchungsgebiet

• Standorte könnten ≥ 3 km² nicht versorgte Fläche abdecken

• Ausgangspunkt für Diskussionen mit Kommunen?

• Einbeziehung anderer Standorte (über BNetzA-Daten)?

Folie 18 (01/2020)

Messaufbau und Messteam

Statistik zur Strecke:

• in der Nähe von ca. 550 von 1600

Störmeldungen

• durchfahrene Flächen nach Nutzung:

• Siedlung: 25%

• Landwirtschaft: 60%

• Wald: 15%

• eher kritische Bereiche

Rohde & Schwarz QualiPoc auf

• Galaxy S5 / S10, Sony Xperia XZ2

• teilw. GNetTrack Pro auf anderen UEs

Szenarien (> 1000 km + 20 Standorte)

• Telefonie > 700 km

• LTE-Versorgung > 1100 km

• Technologieverfügbarkeit > 700 km

Folie 19 (01/2020)

Gemessene LTE-Versorgung – RSRP Vergleich mit Netzabdeckungskarten

passt

passt passt

passt

nicht

passt nicht

Folie 20 (01/2020)

Gemessene LTE-Versorgung – RSRP Vergleich mit Netzabdeckungskarten

0%

5%

10%

15%

20%

25%

G V U

Telekom Vodafone Telefonica

keine LTE-Basisversorgung (außen) keine höherwertige od. Indoor-Versorg.

0%

20%

40%

60%

80%

G V U

Telekom Vodafone Telefonica

G: längs der gesamten Messroute

U: auf dem Teil der Messroute, der durch „unversorgte Gebiete + Umgebung“ führte

V: auf dem Teil der Messroute, der durch U führt („versorgt lt. Netzabdeckungskarte“)

Folie 21 (01/2020)

Sprachqualität auf den MessroutenAbbrüche und weitere Besonderheiten

• Telefonie zu mehr als 90% über GSM (bei allen Betreibern)

• Telefonie über LTE (VoLTE) bei entsprechendem Empfang mit höherer Qualität

• Handover LTE GSM, aber mit Abbruch-Risiken (GSM LTE nicht mögl.)

Empfehlung für Einstellung am Endgerät wird untersucht!

• insgesamt 700 … 800 erfolgreiche Handover pro Betreiber

• unzuverlässig bei Grenzübertritt

• Abbrüche: 1 (bester Betreiber) ,,, 14 (schlechtester Betreiber, 68% in WAF)

• jeweils 7…9 Bereiche mit mäßiger/schlechter Sprachqualität (WAF, Grenznähe)

• insgesamt gutes bis zufriedenstellendes Ergebnis

Folie 22 (01/2020)

Versorgungsqualität an ausgewählten OrtenCOE: Halle und Bürogebäude

Halle:

• Telefonica: 10 Mbit/s (DL), 0,5 Mbit/s (UL)

• Telekom, Vodafone (deutlich) besser

• Telefonie gut bei allen Betreibern

Außen:

• Telefonica: 1,5 Mbit/s (DL), 0,5 Mbit/s (UL)

• Telekom, Vodafone (deutlich) besser

• Telefonie gut bei allen Betreibern

Bürogebäude (Probleme bei allen):

• keine Datenübertragung möglich

• keine Sprachübertragung

• Ursache: Abschattungen und Gebäudehülle

Gewählter Betreiber: Telefonica

Netzabdeckungskarte:

nur LTE-Außenversorgung

Empfehlungen

• Netzbetreiber wechseln (Abdeckungskarten betrachten)

• Innen: WLAN / WLAN-Call nutzen ( Tests & Anleitungen)

Folie 23 (01/2020)

Inhalt

Einleitung

Auf dem Weg zur 5. Generation Mobilfunk

Derzeitige Mobilfunkversorgung (im ländlichen Raum)

Stand der 5G-Versorgung

Zusammenfassung und Fazit

Folie 24 (01/2020)

Derzeitige 5G-Versorgung in Deutschland

4G

NB

5G

NB

4G

NB

5G

NB

User

Equipment

NB: Node B – Basisstation

• eNB: 4G

• gNB: 5G

Steuerung

Daten

4G-Kernnetz

Anker-

frequenz

genutzte Frequenzbereiche

• 700 MHz – Land – VF

• 1800 MHz – Kleinstadt – VF

• 2100 MHz – Land – TK

mit LTE, wenig Kapazität

• 3500 MHz – Großstadt – TF, TK, VF

nur 5G, bis ca. 2 Gbit/s

nicht alle 5G-fähigen Endgeräte unterstützen

alle Frequenzen / Frequenzkombinationen

Folie 25 (01/2020)

Zusammenfassung / Fazit

5G im Endausbau sehr leistungsfähig, großes Potential für Industrie/Landwirts.

öffentl. 5G-Netze im Aufbau, aber noch nicht mit voller Leistungsfähigkeit

derzeitige 5G-Smartphones: nicht alle Frequenzen/Frequenzkombinationen

spezielle Angebote für Unternehmen z.B. Campus-Netze

Analyse der bisherigen Versorgungslage im Münsterland

Umfrage Störmeldungen

Versorgungskarten der Netzbetreiber/BNetzA, Crowd-Sourcing-Daten Umlaut-Studie

eigene Messungen

„Versorgungskarte“ besser als „Messergebnisse“ besser als „Umfrage“

Endkunden: einige Maßnahmen zur Verbesserung selbst ergreifen

Kommunen/Kreise: Absprachen mit Netzbetreibern & Mobilfunkinfrastrukturges.