Im 5G-Gigabit-Netz

Forscher bei Samsung arbeiten in New York und Austin am Mobilfunknetz der nächsten Generation.

Der mittlerweile weltgrößte Handy-Hersteller, Samsung aus Südkorea, forscht an einer superschnellen neuen Drahtlostechnik. Das Verfahren, das inoffiziell unter dem Namen "5G" läuft und sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, wurde in den USA bereits getestet. Es könnte ein möglicher Nachfolger der aktuellen 4G-LTE-Technik werden.

Samsungs 5G basiert auf neuen Funkprotokollen und einem überarbeiteten Netzwerkdesign, bei dem das verwendete Spektrum intelligenter aufgeteilt wird als heute. Zudem kommen deutlich mehr kleine Sendeeinrichtungen zum Einsatz. Die Grundlagen der Technik wurden 2010 erstmals zum Patent angemeldet. Ein 5G-Transceiver soll Daten mit einer Geschwindigkeit von mehr als einem Gigabit pro Sekunde über eine Distanz von bis zu zwei Kilometern senden und empfangen können – auf kürzeren Strecken ist gar das Zehnfache drin.

Die aktuelle 4G-LTE-Technik erreicht dagegen unter optimalen Bedingungen maximal 100 Megabit. Einer der Gründe, warum Samsungs 5G so viel mehr Bandbreite bereitstellen kann, ist die Tatsache, dass im Bereich um 28 Gigahertz gefunkt wird. Die deutlich höhere Frequenz im Vergleich zu GSM, UMTS und LTE sorgt aber auch für Probleme: Gebäude, Menschen, Blattwerk und sogar Regen können die Funkwellen ausbremsen.

Das Problem soll sich lösen lassen, indem bis zu 64 Datenströme von 64 Antennen gleichzeitig ausgesendet werden, die das Signal dynamisch formen und verteilen können. Das gilt auch für die Sende- und Empfangsrichtung: Veränderungen sollen hier in Nanozehntelsekunden möglich sein – beispielsweise, wenn sich Umweltbedingungen verändern. Das System soll sogar reagieren, wenn es zu kurzfristigen Signalreflexionen kommt.

Echtwelttests sollen belegen, dass die Technik funktionieren kann. So werden seit letztem Jahr vom NYU-Wireless-Labor an der New York University Versuchsbetriebe in New York City und Austin, Texas, durchgeführt. Der auch "Millimeter-Wave Cellular" genannte Ansatz arbeitet selbst 200 Meter vom Sender entfernt noch gut – und zwar auch im vollgestellten Stadtraum. "Viele Leute zeigten die gleiche Reaktion auf die Idee: Wie kann das funktionieren? Wir haben gezeigt, dass es geht", sagt Theodore Rappoport, Direktor des NYU Wireless Lab. "Unsere Messungen gaben Samsung und dem Rest der Mobilfunkindustrie das Wissen, dass die 28-Gigahertz-Technik umsetzbar ist."

Trotzdem zeigen die verwendeten Reichweiten, dass die Hochfrequenztechnik sich am besten für Hotspots mit eher geringen Abständen zur Basisstation eigne, meint Jeff Reed, Direktor am Wireless Research Center des Virginia Institute of Technology. "Ich bin skeptisch, dass es gelingen wird, hohe Datenraten mit jener guten Mobilität zu liefern, wie wir sie von 2G-, 3G- und 4G-Funksystemen kennen." Gleichzeitig existiere noch viel Raum, um 4G-Systeme zu verbessern, die auf unproblematischeren Frequenzen funken.

Tatsächlich hat die Industrie bislang nur damit begonnen, die Grundlagen von 4G LTE umzusetzen. Komplexere Funktionen, wie sie der Standard vorsieht, würden auch die Durchsatzraten verbessern. Dazu gehört die sogenannte Carrier Aggregation, bei der mehrere Frequenzen gleichzeitig zur Signalisierung verwendet werden. Ein anderer Ansatz ist die Verwendung ganzer Antennen-Arrays, wie sie Samsung bereits plant. Schließlich lässt sich mit Hilfe von Signalprozessoren der Datenverkehr optimieren, indem die Zusammenarbeit der Basisstationen mit den Endgeräten besser koordiniert wird, um Störsignale zu verhindern.

Neben diesen Ansätzen könnten auch lizenzfreie Spektren, wie sie etwa von WLAN-Geräten verwendet werden, genutzt werden. Das gilt insbesondere für den Datenverkehr in Gebäuden – was auch sinnvoll ist, weil 70 Prozent der Handy-Nutzung im eigenen Haus und im Büro erfolgen.

Die Erweiterung dieses Konzeptes ist ein Small-Cell-Netz, bei dem kleine Basisstationen in möglichst vielen Haushalten stehen und ihr Signal dann gleich an das drahtgebundene Internet weitergeben. Solche Netze, haben Forscher berechnet, können große Basisstationen möglicherweise gänzlich überflüssig machen.

In der Praxis sind WLAN-Hotspots auch mit einem direkt verfügbaren LTE-Signal oft noch schneller, weil Basisstationen überfüllt, das Signal zu schwach oder die Netzanbindungen überlastet sein können. "Daraus ergibt sich schon die Frage, ob wir überhaupt schnellere Mobilfunkübertragungsraten benötigen", meint Vanu Bose, Chef des Funktechnikunternehmens Vanu aus Cambridge, Massachusetts. "Möglicherweise wäre es besser, wenn ein 5G-Netz sich um das kümmern würde, was WLAN nicht gut kann – die nahtlose Versorgung großer Bereiche." Trotz der potenziell immer höheren Durchsatzraten litten viele Menschen noch immer täglich unter abgebrochenen Telefonaten und grundsätzlich schlechter Netzabdeckung.

Eine Möglichkeit, die hier Abhilfe schaffen könnte, wäre ein schneller Frequenz- und Protokollwechsel über sogenannte Cognitive Radios. Diese Transceiver entscheiden blitzschnell, wo sich Löcher im Spektrum nutzen lassen. "Auf mittlere Sicht ist das die bessere Lösung für schnellere Durchsatzraten und bessere Mobilität", meint Virginia-Tech-Experte Reed.

Auch wenn Samsungs 5G-Idee also Teil der Zukunft sein könnte, dürfte ein größerer Mix an Technologien und Strategien kurzfristig die bessere Lösung sein. Standards werden sowieso von der UN-Organisation ITU verabschiedet. Und es könnte noch Jahre dauern, bis alle 4G-LTE-Tricks ausgeschöpft sind. Samsung denkt aber in größeren Zyklen: Frühestens 2020 soll das hauseigene 5G fertig sein. (bsc)