5G und 6G: Technologien, die die Welt verändern (eBook)

2. Spektrum und Frequenzbänder

Das Kapitel beginnt mit einer Untersuchung der Unterschiede zu 4G, um einen Kontext für die Weiterentwicklungen in den 5G- und 6G-Technologien zu schaffen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Spektrumseffizienz, die für die Leistungsfähigkeit der Netzwerke von entscheidender Bedeutung ist.

Die verschiedenen Frequenzbereiche und -zuweisungen, einschließlich der Millimeterwellen und Sub 6 GHz, werden detailliert erörtert. Dabei werden auch die technischen Eigenschaften sowie die jeweiligen Vor- und Nachteile beleuchtet. Ein weiteres Kernthema ist das Interferenzmanagement, wobei Techniken zur Vermeidung von Interferenzen und die Koexistenz mit anderen Netzwerken und Technologien diskutiert werden.

Das Kapitel wagt auch einen Blick in die Zukunft und behandelt die aufkommende Terahertz-Kommunikation in 6G. Es werden die spektralen Eigenschaften, Bandbreite und Kapazität sowie die potenziellen Einsatzgebiete und Herausforderungen vorgestellt. Ein besonderes Augenmerk wird auf die technologischen und physikalischen Herausforderungen gelegt, die mit der Nutzung dieses Frequenzbereichs verbunden sind.

Die Materialforschung und die Fortschritte in der Antennen- und Chip-Technologie werden als Schlüsselfaktoren für die Realisierung der Terahertz-Kommunikation identifiziert. Darüber hinaus werden Materialien für Terahertz-Anwendungen und ihre Relevanz für die Energieeffizienz untersucht. Abschließend werden die Aspekte des Energieverbrauchs und -managements sowie die Nachhaltigkeitsaspekte in den Blick genommen.

2.1 Unterschiede zu 4G

Dieses Kapitel widmet sich der kritischen Analyse der Veränderungen und Weiterentwicklungen, die mit dem Übergang von der vierten zur fünften und schließlich zur sechsten Generation der Mobilfunktechnologie einhergehen. Im Mittelpunkt der Betrachtung stehen dabei mehrere Schlüsselbereiche, die die Unterschiede zwischen den Generationen verdeutlichen.

• Spektrumseffizienz:

Während 4G-Netzwerke bereits eine verbesserte Spektrumseffizienz im Vergleich zu ihren Vorgängern aufwiesen, setzen 5G und 6G neue Maßstäbe. Durch den Einsatz fortschrittlicher Modulationstechniken und Beamforming wird eine effizientere Nutzung des verfügbaren Spektrums ermöglicht.

• Frequenzbereiche:

4G-Netzwerke operieren hauptsächlich in Frequenzbereichen von 800 MHz und 2600 MHz. Mit 5G und 6G kommen jedoch auch Millimeterwellen zum Einsatz, die eine höhere Datenübertragungsrate ermöglichen. In der 6G-Technologie wird sogar die Nutzung von Terahertz-Frequenzen in Erwägung gezogen. 6G nimmt die Frequenzspektren von 7 bis 20 GHz in den Blick, ebenso das W-Band (zwischen 75 und 110 GHz), das D-Band (von 110 bis 175 GHz), Bereiche von 275 bis 300 GHz sowie den Terahertz-Bereich (0,3 bis 10 THz).

• Datenübertragungsraten:

4G bietet Datenübertragungsraten von aktuell bis zu 500 MBit/s. 5G hingegen ermöglicht Geschwindigkeiten von bis zu 20 Gbit/s, und die Vision für 6G liegt weit darüber. Das 2017 initiierte Forschungsprojekt zu 6G hat das ambitionierte Ziel, Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 1 Tbit/s zu ermöglichen. An den technologischen Lösungen arbeiten global Wissenschaftler verschiedener Institutionen, einschließlich des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik sowie des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik HHI.

• Latenz:

Das Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen 4G und 5G ist die Latenz. 5G prognostiziert Latenzzeiten von weniger als 1 Millisekunde, im Gegensatz zu 4G, das Latenzen zwischen 60 und 98 Millisekunden hat. Zudem wird erwartet, dass 6G noch geringere Latenzzeiten als 5G aufweisen wird.

• Energieeffizienz:

Eines der Hauptziele von 5G und 6G ist die Verbesserung der Energieeffizienz, sowohl auf der Seite der Netzwerkinfrastruktur als auch der Endgeräte. Dies ist ein Bereich, in dem 4G trotz einiger Fortschritte noch Defizite aufweist.

• Netzwerkarchitektur:

Während 4G-Netzwerke eine eher zentralisierte Architektur aufweisen, ermöglichen 5G und 6G durch den Einsatz von Technologien wie Network Slicing und Edge Computing eine flexiblere und effizientere Netzwerkgestaltung.

• Anwendungsbereiche:

4G war primär auf die mobile Datenkommunikation ausgerichtet. 5G und 6G erweitern das Spektrum der Anwendungsbereiche erheblich und ermöglichen den Einsatz in industriellen IoT-Anwendungen, autonomen Fahrzeugen und vielen anderen Szenarien.

Durch die Betrachtung dieser Schlüsselbereiche wird deutlich, dass der Übergang von 4G zu 5G und 6G nicht nur eine evolutionäre Weiterentwicklung darstellt, sondern in vielen Aspekten eine revolutionäre Veränderung mit sich bringt. Es handelt sich um einen Paradigmenwechsel, der weitreichende Auswirkungen auf die Kommunikationstechnologie und die damit verbundenen Anwendungsbereiche hat.

2.1.1 Spektrumseffizienz

Spektrumseffizienz ist ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit und Kapazität eines Mobilfunknetzes und hat direkte Auswirkungen auf die Qualität der Dienste, die den Endnutzern zur Verfügung gestellt werden können.

• Definition und Bedeutung:

Spektrumseffizienz bezieht sich auf die Menge an Informationen, die pro Hertz des genutzten Frequenzspektrums übertragen werden können. Eine höhere Spektrumseffizienz ermöglicht es, mehr Daten in kürzerer Zeit zu übertragen, was besonders in dicht besiedelten Gebieten von Bedeutung ist.

• 4G und seine Grenzen:

In 4G-Netzwerken wurde bereits eine Reihe von Technologien wie OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) und MIMO (Multiple Input, Multiple Output) eingeführt, um die Spektrumseffizienz zu verbessern. Dennoch stößt 4G bei steigendem Datenaufkommen und wachsenden Anforderungen an seine Grenzen.

• 5G-Technologien:

Mit der Einführung von 5G werden neue Technologien wie Beamforming und Massive MIMO genutzt, die eine noch effizientere Spektrumnutzung ermöglichen. Durch die Fokussierung des Signals auf bestimmte Empfänger wird die Interferenz minimiert und die Gesamteffizienz des Systems erhöht.

• 6G und zukünftige Visionen:

Für die sechste Generation der Mobilfunktechnologie werden noch fortschrittlichere Technologien in Erwägung gezogen. Hierzu gehören unter anderem die Nutzung von Terahertz-Frequenzen und KI-gesteuerte Netzwerkoptimierung, die eine noch effizientere Spektrumnutzung versprechen.

• Herausforderungen und Lösungsansätze:

Die effiziente Nutzung des Spektrums ist mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden, darunter die Koexistenz mit anderen Diensten und Technologien sowie regulatorische Beschränkungen. Verschiedene Ansätze wie Dynamic Spectrum Access und Cognitive Radio werden diskutiert, um diese Herausforderungen zu bewältigen.

• Auswirkungen auf die Industrie und Gesellschaft:

Eine verbesserte Spektrumseffizienz hat nicht nur technische, sondern auch wirtschaftliche und gesellschaftliche Implikationen. Sie ermöglicht die Entwicklung neuer Anwendungen und Dienste, von IoT-Geräten bis hin zu autonomen Fahrzeugen, und trägt zur digitalen Transformation bei.

2.1.2 Frequenzbereiche und -zuweisungen

Dieses Kapitel widmet sich der komplexen Thematik der Zuweisung und Verwaltung von Frequenzbändern in Mobilfunknetzen. Die effiziente Nutzung des Frequenzspektrums ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Reichweite eines Mobilfunknetzes.

• Grundlagen der Frequenzbereiche:

Frequenzen werden in verschiedene Bänder unterteilt, die jeweils für bestimmte Anwendungen und Dienste reserviert sind. Diese Bänder reichen von niedrigen Frequenzen (unter 1 GHz) bis zu hohen Frequenzen (Millimeterwellen), wobei jedes Band seine eigenen technischen Eigenschaften und Herausforderungen aufweist.

• 4G-Frequenzbereiche:

In der vierten Generation der Mobilfunktechnologie werden hauptsächlich Frequenzen im Bereich von 800 MHz bis 2,6 GHz verwendet. Diese Bänder sind gut für die Abdeckung großer Flächen geeignet, bieten jedoch begrenzte Datenübertragungsraten.

• 5G-Frequenzbereiche:

Das Frequenzspektrum der Millimeterwellen, auch Millimeterband genannt, erweitert das Spektrum um höhere Frequenzbänder. Insbesondere Millimeterwellen (30 GHz – 300 GHz), die eine hohe Datenübertragungsrate ermöglichen, jedoch eine geringere Reichweite haben sind dafür vorgesehen. Die Zuweisung dieser Bänder ist ein komplexer Prozess, der sowohl technische als auch regulatorische Herausforderungen mit sich bringt.

• 6G und zukünftige Frequenzbereiche:

Für 6G werden Frequenzbereiche im Terahertz-Spektrum...