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Samstag, 23. Februar 2019

Mit Strahlenkeulen und kleinen Antennen zu immer größeren Kapazitäten

Von Jens D. Billerbeck, Regine Bönsch | 28. Juni 2018 | Ausgabe 26

Es ist kein Geheimnis: Der Bedarf an Bandbreite wächst rasant – im Fest- und im Mobilfunknetz. Da blähen sich Webseiten zu wahren Download-Giganten auf, da fordern Streamingdienste von Videos und Musik ihren Tribut und der Upload in Clouds wird zur täglichen Belastungsprobe.

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Foto: mauritius images/Matthew Horwood

Konzertsäle und Stadien werden mit vielen kleinen Basisstationen ausgerüstet, um dort die massive Nachfrage nach Bandbreite zu befriedigen.

Das sind nur einige Gründe, warum die Kapazitäten in Mobilfunknetzen stetig nachgerüstet werden müssen. 5G jedenfalls hat da einiges zu bieten.

Rein technisch soll die fünfte Generation bereits zum Start Datenraten von 10 Gibt/s bieten. Das wäre dann rund 16-mal so schnell wie die Höchstleistungen des aktuellen LTE-Netzes, also 4G.

5G-Netze, so viel steht fest, werden Techniken aus den bewährten 4G-Netzen übernehmen, um ihre Kapazitäten nach oben zu schrauben. Dazu zählt die sogenannte Carrier Aggregation, mit der mehrere Frequenzen zu einem virtuellen Frequenzband zusammengelegt werden. So lässt die Aggregation von 20 MHz Bandbreite bei 1,8 GHz Trägerfrequenz und 20 MHz bei 2,6 GHz ein virtuelles Nutzband mit 40 MHz Bandbreite entstehen.

Auch die Mehrantennentechnik Mimo (Multiple Input Multiple Output) ist bereits aus der WLAN- und 4G-Ära bekannt. Da senden und empfangen mehrere Antennen gleichzeitig. Das ist, als wenn sich zwei Menschen mit mehreren Mündern und Ohren gleichzeitig unterhielten. In 5G sprechen Experten sogar von der Möglichkeit zu Massive Mimo, um mehr Kapazität immer dichter zur Verfügung zu stellen.

Diese Antennentechnologie verwendet eine große Anzahl von einzeln steuerbaren Antennenelementen, mit denen räumliche Beams erzeugt werden können. Damit können die gleichen Ressourcen für mehrere Benutzer innerhalb eines Sektors verwendet werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen passiven Antennen sind bei diesen aktiven Antennen die eigentlichen Sender direkt in die Antenne integriert, womit sie sehr kompakt und damit einfach zu installieren sind.

Massive Mimo setzt auf Beamforming. Dabei werden die Funkwellen keulenförmig ausgerichtet und so Empfänger direkt „angestrahlt“. Während 4G das nur statisch kann, fokussiert sich 5G auf einzelne Nutzer und kann diese quasi verfolgen.

Die Energie wird so konzentriert und kontinuierlich dorthin geleitet werden, wo der Bedarf der Nutzer ist. Dies bedeutet, dass die Sendeleistung viel effektiver genutzt wird.

Die Technik folgt hier der Physik: Bei einer Trägerfrequenz von beispielsweise 700 MHz kann der „Strahl“ mehrere Kilometer weit reichen, allerdings ist die verfügbare Bandbreite kleiner. Bei höheren Frequenzen gibt es mehr Bandbreite, allerdings sind die Keulen kürzer.

Besteht zeitlich oder räumlich begrenzt der Bedarf nach hoher Bandbreite, sind sogenannte Small Cells die Lösung. So werden z. B. Stadien oder Konzertarenen mit vielen kleinen Basisstationen ausgerüstet. Über diese vielen Zellen lassen sich dann riesige Datenmengen – Fotos, Videostreams, Uploads, Downloads u. a. – auch in einer dicht gedrängten Menschenmenge mit entsprechend vielen aktiven Endgeräten abführen. rb/jdb