5G Mobilfunk - Eventkalender & Aktuelles 5G-Antennenworkshop Bayreuther 3D-Konstrukteurstag - Technik in Bayern
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NACHRICHTEN AUS TECHNIK, NATURWISSENSCHAFT UND WIRTSCHAFT
05/2018 SEP/OKT
Das Regionalmagazin für und
Mobilfunk
5G
Eventkalender & Aktuelles
5G-Antennenworkshop
Bayreuther 3D-Konstrukteurstag
EDITORIAL
5G – Schöne neue Welt
A
n die nächste Mobilfunkgeneration betreiber mit „Deutschlands bestem Netz“
5G werden hohe Erwartungen ge- jetzt sogar am Südufer des schönen Tegern-
knüpft, schließlich wird es als glo- sees 4G mit bis zu 50Mbit/s anbietet (vor-
bales Kommunikationssystem der Zukunft ausgesetzt man ist allein in einer Mobil-
und Nachfolger von 4G gehandelt und fest funkzelle, was Ihnen am Tegernsee sehr
steht auch, dass wohl keiner an 5G vor- schwerfallen dürfte).
beikommen wird. Die Meinungen darüber, Damit die Freude über 4G-Verfügbarkeit in
was 5G uns bringen wird, gehen wie bei so den ländlichen und gar nicht so ländlichen
vielen für die Zukunft relevanten Themen Gebieten noch möglichst lange anhält, hat
weit auseinander und bergen reichlich die Bundesregierung die geplante Verstei-
Stoff für kontroverse Diskussionen. gerung der 5G-Lizenzen für Herbst 2018
abgesagt und getreu dem Motto „Gut Ding
Während die Skeptiker noch fragen, wozu will Weile haben“ auf 2019 vertagt. Sie
man 5G benötigt, führen die Befürworter können ja wetten, ob zuerst der Haupt-
viele neue Anwendungsfälle (oder auf stadtflughafen oder 5G kommen wird.
neudeutsch use-cases) ins Feld, die sich
selbstredend natürlich ausschließlich mit Wahr ist allerdings auch, dass sich die In-
5G verwirklichen lassen, und vom auto- novationskraft von 5G mit der ständigen
nomen Fahren bis zur vernetzten Fabrik Weiterentwicklung des Standards, den
reichen. Mit den neuen Möglichkeiten, die sogenannten Releases, entfalten wird –
5G mit sich bringen soll, geht insgeheim das haben alle vorangegangen Mobilfunk-
auch der Wunsch nach neuen Geschäfts- generation bis heute eindrucksvoll bewie-
modellen einher – schließlich wollen alle sen. Denn tatsächlich ist 5G (genauso wie
vom 5G-Kuchen ein Stück abbekommen. seine Vorgängergenerationen) einer an-
Sogar die Politik hat 5G für sich entdeckt dauernden Verbesserung ausgesetzt,
Foto: Panzner
und führt sie als Allheilmittel an, um die long term evolution im besten Sinne des
Probleme der Urbanisierung, der alternden Wortes. Insbesondere mit der eigenstän-
Gesellschaft, des Verkehrsschaos in un- digen und neuen Architektur des 5G-Mobil-
Dr.-Ing. Berthold Panzner seren Städten und sonstige bisher unge- funknetzes, die erst in einem zweiten
VDE/VDI-AK Informationstechnik lösten Menschheitsprobleme zu lösen. Schritt nach der Einführung einer neuen
Radioschnittstelle erfolgen wird, wird sich
5G deutlich von 4G unterscheiden und erst
„Alle wollen ein Stück vom 5G-Kuchen.“ dann die Möglichkeiten schaffen, die heute
bereits vollmundig angepriesen werden.
Dazu braucht es allerdings Geduld.
Bei so viel 5G-Getöse lohnt ein aktueller Am Ende wird alles gut.
Blick in die Realität: Im Mai 2018 (ein
Jahrzehnt nach der kommerziellen Ein-
führung von LTE) verkündete die lokale
Zeitung in meinem Landkreis Miesbach
voller Stolz, dass der Mobilfunknetz-
Technik in Bayern 05/2018 3
Am Horizont der Mobilfunk-
welt ist das Netz der fünf-
ten Generation sichtbar –
schneller, breitbandiger
und zuverlässiger als alle
bisherigen Netze, so lauten
die Versprechungen.
Wie funktioniert es, was ist
daran neu, wer braucht es,
wem nützt es, wann wird
es kommen?
Foto: IRT
SCHWERPUNKT
5G – Die nächste Mobilfunkgeneration 06
Rainer Liebhart
Foto: G. Strauß
Bausteine für 5G – 5G-Antennen-Workshop 09
Georg Strauß
Die Kernfrage bei 5G ist das Geschäftsmodell 10
Interview mit Jochen Mezger
Messtechnik für 5G-Mobilfunk 12
Volker Bach
Agile Antennen für 5G 14
Matthias Geissler
Fahrzeuge werden kommunikativ 16
Martin Beltrop und Uwe Pützschler
Booster für Landwirtschaft 4.0 18
Norman Franchi
9 LISA ES (Leichte Inter-SatelllitenLink Antenne)
bei einer Messung im Labor SatCom der HM
Vom Karren in die Tasche 20
Der historische Hintergrund von Tina Kubot
4 Technik in Bayern 05/2018
INHALT
AKTUELLES
VDI-AK FiB: Erster Digital Salon des VDI 21
VDI BV München: VDI Preis 2018 21
www.engineering-people.de
VDI BV Bayern Nordost: Technikmeile 2018 22
VDE BV München: Schifferlfahrt 2018 25
VDI BV München: Technik im Park 26
VDI BV Bayern Nordost: Umzug der Geschäftsstelle 28
Musikfreunde des VDI + VDE: Weihnachtskonzert 2018 29
VDI Landesverband Bayern: Faszinierender Sternenhimmel 33
VDI BV München: Willkommen im VDI 34
VDI/VDE
Leistung 4.0
VDI-SuJ München 24
VDE YoungNet 28
VDI-AK Aktuelles Forum Technik 29
VDE-AK Energietechnik 35 Fachwissen flexibel
VDE/VDI-AK Informationstechnik 36 verfügbar.
VDI-AK Mechatronik 37
VDI-BG Regensburg 46 Wir sind Ihre Berater, Entwickler,
VDE Seniorenkreis 47 Konstrukteure, Hard- und Software-
Spezialisten, Tester, Automatisierer,
Koordinierer, Optimierer, Experten
RUBRIKEN für Dokumentation und CE.
Bei Ihnen vor Ort.
Veranstaltungskalender 39 In unseren Competence Centern.
Buchbesprechungen 48
Ausstellungstipp 49
Impressum 49 Maschinenbau
Cartoon 50
Fahrzeugtechnik
Vorschau 50
Elektrotechnik
IT & Kommunikation
Luft- & Raumfahrt
VDI Landesverband Bayern Medizintechnik
VDI Bezirksverein München, Ober- und Niederbayern e.V.
Westendstr. 199, D-80686 München Mechatronik
Tel.: (0 89) 57 91 22 00, Fax: (0 89) 57 91 21 61
www.verein-der-ingenieure.de, E-Mail: bv-muenchen@vdi.de Schiffbau
VDI Bezirksverein Bayern Nordost e.V. Anlagenbau
c/o Ohm-Hochschule, Keßlerplatz 12, D-90489 Nürnberg
Tel.: (09 11) 55 40 30, Fax: (09 11) 5 19 39 86
E-Mail: vdi@th-nuernberg.de
telefon-kontakt:
Titelbild: Vision 5G VDE Bayern, Bezirksverein Südbayern e.V. ep Augsburg +49 (0) 82 94 / 5 11 38-0
Foto: Rohde und Schwartz Hohenlindener Straße 1, D-81677 München ep Ingolstadt +49 (0) 841 / 14 90 18-0
Tel.: (0 89) 91 07 21 10, Fax: (0 89) 91 07 23 09
www.vde-suedbayern.de, E-Mail: info@vde-suedbayern.de ep München +49 (0) 89 / 35 89 90 88-500
ep Nürnberg +49 (0) 911 / 23 95 60-300
Beilagenhinweis – Wir bitten um freundliche Beachtung.
SCHULTZ GmbH & Co. KG, Büromöbel & Betriebseinrichtungen
engineering people.
Technik in Bayern 05/2018 5 supporting experts.
5G – Die nächste Mobilfunk
generation
Als Nachfolger des sehr er- damit ganz neue Geschäftsfelder z.B. verbinden, die sehr unterschiedliche An-
folgreichen und gegenwärtig im Bereich der Digitalisierung und Ver- forderungen an Datendurchsatz, Verfüg-
netzung von Betrieben, Häfen, Flughä- barkeit und Latenz haben.
modernsten Mobilfunksystems fen und ganzen Städten. Netzbetreiber ITU-R hat in der IMT 2020 Vision (IMT=
Long Term Evolution (LTE), werden in der Lage sein, ihre Netze als International Mobile Telecommunicati-
auch unter dem Begriff 4G eine Art Dienstleistung Unternehmen zur ons) folgende drei große Anwendungs-
bekannt, wird der kommende Verfügung zu stellen, die damit neue Ge- fälle (siehe Abb. 1) für die nächste Mo-
schäftsideen verwirklichen oder beste- bilfunkgeneration identifiziert: enhanced
Mobilfunkstandard 5G eine brei- hende effizienter gestalten können. Das Mobile Broadband (eMBB), Ultra-Reliab-
te Palette von neuen Anwen- Mobilfunknetz der Zukunft wird nicht le and Low Latency Communications
dungsgebieten abdecken und mehr ein geschlossenes System sein, (URLLC) und massive Machine-Type Com-
sondern sich über gesonderte Schnitt- munications (mMTC). Diese Anwendungs-
damit Netzbetreibern, Unterneh-
stellen der Außenwelt öffnen und jegliche fälle wurden dann von anderen Orga-
men und Endkunden völlig neue Art von Informationen bereitstellen kön- nisationen wie NGMN (Next Generation
Erfahrungen bieten und neue nen. Aber auch der Nutzer eines Smart- Mobile Networks), 5GPPP (5G Public-Pri-
Geschäftsfelder eröffnen. Spra- phones, Tablets oder anderer vernetzter vate Partnership) und 3GPP aufgegriffen,
Endgeräte wie VR-Brillen wird von den um basierend auf konkreten Applikatio-
che steht dabei nicht mehr im neuen Möglichkeiten, die 5G bietet, profi- nen Spezifikationen für den Durchsatz,
Vordergrund – 5G wird vielmehr tieren, nicht zuletzt von sehr viel schnelle- Latenzzeiten und die Verfügbarkeit zu
als universales Kommunikati- ren Datenverbindungen, kürzeren Zugriffs- fordern, die die nächste Mobilfunkgene-
zeiten von im Durchschnitt einer Millise- ration – basierend auf dem 5G Standard
onssystem konzipiert.
kunde und einer höheren Zuverlässigkeit, – erfüllen wird.
bzw. Erreichbarkeit. Sprache gehört im 5G-Netz nicht mehr zu
5
G wurde durch die Standardisie- den primären Anwendungen. Sie wird nur
rungsorganisation 3GPP (3rd Gene- Anwendungsfälle mehr über das sog. IP Multimedia Sub-
ration Partnership Project) [1] von Mit 5G wird es möglich sein, alle Arten system (IMS) unterstützt. Allerdings ist
Grund auf neu konzipiert. Eine völlig neue von Maschinen zu vernetzen, seien es ein Rückfall auf den Sprachdienst in GSM
Radioschnittstelle, eine neue Netzarchi- einfache Strom- oder Wasserzähler, hoch- oder UMTS nicht vorgesehen. Ist Sprache
tektur, die von Anfang an auf die Virtuali- komplexe Fabrikanlagen oder mobile Ro- im 5G Netz nicht möglich oder wird Spra-
sierung von Netzkomponenten setzt und boter, die in diesen Fabriken eingesetzt che in einer 5G Zelle nicht unterstützt, ist
Techniken wie Network Slicing erlauben werden. 5G erlaubt es, Millionen oder ein Rückfall auf LTE vorgesehen.
es, verschiedene logische Netze für unter- Milliarden von Zählern kostengünstig zu
schiedliche Anwendungsfälle (z.B. Indus- vernetzen. Ebenso erlaubt es die Tech- Frequenzen
trieanwendungen in Fabriken, Behörden- nik, vollständig automatisierte Fabriken Der Schlüssel zum Aufbau der Netze liegt
funk, Internetzugang) aufzubauen und aufzubauen, in denen mobile Roboter un- in der frühzeitigen Frequenzvergabe durch
kostenoptimiert zu betreiben. Definiert tereinander vernetzt werden, um kompli- die Regulatoren in den verschiedenen
ist der 5G Standard durch das Release 15 zierte Tätigkeiten auszuführen, welche ex- Ländern. 3GPP hat eine breite Palette von
von 3GPP, das in wesentlichen Teilen im trem niedrige Latenzzeiten und eine sehr möglichen 5G-Frequenzen festgelegt, die
Juni 2018 fertiggestellt wurde. hohe Systemverfügbarkeit (99.999% oder Bänder im Bereich unterhalb 1 GHz, im Be-
5G wird bei einigen der wichtigsten Kenn- mehr) erfordern. Die Verknüpfung von reich 1 bis 6 GHz und im Bereich oberhalb
zahlen im Mobilfunk – wie z.B. Kapazität Fahrzeugen (Stichwort Autonomes Fah- 6 GHz (bis zu 100 GHz) einschließen.
pro Zelle und Teilnehmer, Latenzzeiten, ren) wird mit 5G ebenso möglich sein wie Von besonderem Interesse sind die Bän-
Verbindungsaufbauzeiten, spektrale Effi- das schnelle Herunterladen von Videos der um 3.5 GHz, da diese global verfügbar
zienz und Verfügbarkeit – das derzeit oder das Nutzen von Online-Spielen so- sind und sowohl gute Netzabdeckung als
modernste System LTE um ein Vielfa- wie von VR/AR-Anwendungen (Virtual/ auch hohe Durchsatzraten versprechen.
ches übertreffen. Zusammen mit dem Augmented Reality). Mit 5G wird es Diese Bänder gehören zum sogenannten
Network Slicing-Konzept eröffnen sich möglich sein, kosteneffizient Geräte zu Zentimeterwellen-Bereich. Bänder um 30
6 Technik in Bayern 05/2018
SCHWERPUNKT
GHz oder höher (Millimeterwellen) bieten aber nicht genutzt und stehen damit für EPC) weiterverwendet. Damit eignet sich
sehr viel mehr Datendurchsatz (>10 Gbit/s die Versteigerung Anfang 2019 zur Ver- diese Option am besten, um mit geringem
pro Teilnehmer), auch wegen der großen fügung. Frequenzen im Bereich um 2 GHz Aufwand und möglichst schnell höhere
zur Verfügung stehenden Bandbreite von sind teilweise bis Ende 2020 vergeben, ge- Datenraten mittels 5G den Kunden anzu-
z.B. 400 MHz oder 800 MHz. Sie haben aber hen aber trotzdem in die Frequenzvergabe bieten. Ein Großteil der Netzbetreiber hat
eine sehr eingeschränkte Reichweite von ein. Diese Frequenzen können auch für sich daher entschieden, 5G mittels dieser
typischerweise wenigen 100m und erfor- LTE verwendet werden, da die Lizenzver- Option in ihren Netzen einzuführen. Bei
dern eine Sichtverbindung zwischen End- gabe technikneutral ist. einer SA Lösung ist die 5G Basisstation di-
gerät und Funkantenne. Für Hotspots rekt an das neue 5G Netz angeschlossen.
oder Anwendungen wie Fixed Wireless Einführungsstrategien
Access (FWA), d.h. eine 5G-Funkstrecke Im Hinblick auf eine schnelle und mög- Endgeräte
ersetzt das Kupferkabel oder die Glas- lichst reibungslose Einführung von 5G wur- Neben der Verfügbarkeit von Frequenzen
faser auf der letzten Meile zum Haus den durch 3GPP verschiedene Optionen ist auch die schnelle Verfügbarkeit von
des Endkunden, sind auch Lösungen mit definiert, die es einem Netzbetreiber erlau- Endgeräten wie Smartphones und Tablets
Millimeterwellen (z.B. 28 GHz in USA bei ben, 5G stufenweise aufzubauen. entscheidend, um eine rasche Akzeptanz
Verizon Wireless für FWA oder 26 GHz in Diese Optionen unterscheiden grundsätz- der neuen Technologie zu gewährleisten.
Deutschland) geplant. In Deutschland ist lich zwischen einem eigenständigen und Erste kommerzielle 5G-Chipsets, die die
eine Versteigerung von Frequenzen im 3.6 einem nicht-eigenständigen Aufbau eines oben erwähnte NSA Architektur Option
GHz- und 2 GHz-Band für Anfang 2019 ge- 5G-Netzes, Standalone (SA) und Non- 3X unterstützen und Frequenzen unter-
plant. Parallel dazu sollen Frequenzen in Standalone (NSA). Bei einer NSA-Lösung halb 6 GHz (insbesondere 3.5 GHz) sowie
den Bereichen 3.700 MHz bis 3.800 MHz wird die 5G-Basisstation durch eine beste- Frequenzen im Millimeterbereich (z.B. 28
und 26 GHz zur lokalen und regionalen hende LTE-Basisstation gesteuert. GHz und 39 GHz) abdecken, sind für Ende
Nutzung auf Antrag bereitgestellt werden. Steuern bedeutet in diesem Zusammen- 2018 geplant. Danach wird es bis ca. Mitte
Damit soll es möglich werden, lokale Netze hang, dass nur die LTE-Basisstation eine 2019 dauern, bis erste Endgeräte mit die-
in Betrieben, Städten und sogenannten Signalisierungsverbindung zum Endgerät sen Chipsets auf dem Markt sind. Diese
Hotspots wie Stadien aufzubauen. Die und zum Netz unterhält und den Aufbau Endgeräte sind dann zumindest 5G und
genauen Vergaberichtlinien für diese loka- der Datenverbindung zwischen 5G-Ba- LTE fähig. In vielen Fällen werden sie auch
len Netze müssen erst noch von der Bun- sisstation und Endgerät sowie zwischen GSM und UMTS weiterhin unterstützen,
desnetzagentur festgelegt werden. 5G- Basisstation und Netz anstößt. In der z.B. um Sprachdienste anbieten zu können.
Lizenzen im Bereich 3.5 GHz sind z.Z. NSA Option 3X wird das bestehende Mo- Unterstützung von Frequenzen unterhalb
zwar an Netzbetreiber vergeben, werden bilfunknetz für LTE (Evolved Packet Core – 1 GHz ist in 2019 vorgesehen, die tatsäch-
Quelle: Nokia
Abb. 1: Eckspezifikationen
Technik in Bayern 05/2018 7
SCHWERPUNKT
um neue Dienste zu ermöglichen. Die Ar-
chitektur des neuen 5G-Kernnetzes ist
bekannt unter dem Namen Service Based
Architecture (SBA), (siehe Abb. 2).
SBA bezieht sich allerdings streng genom-
men nur auf die Kontrollschicht, nicht auf
die Datenschicht, auf der die Datenpa-
kete zwischen Endgerät und Datennetz
(z.B. dem Internet) vermittelt werden. Mit
SBA stellen Netzfunktionen ihre definier-
ten Dienste anderen Netzfunktionen zur
Verfügung. Neben SBA wurde auch noch
eine Reihe anderer Neuerungen in die 5G-
Netzarchitektur eingeführt, z.B. ein neues
Quality-of-Service Modell, bei dem nun
Quelle: Nokia
einzelne Flows im Netz eine spezielle Be-
handlung bekommen können. Damit kann
Abb. 2: Service Based Architecture (SBA)
das 5G-Netz flexibler und schneller auf die
Anforderungen einzelner Applikationen
reagieren.
liche Markteinführung hängt vom Fort- zeitkritischen Anteile als virtualisierte Zusammenfassung
schritt der Arbeiten in der 3GPP und dem Funktionen in einer Cloud und die zeitkri- 5G ist nicht einfach eine Fortsetzung oder
Interesse von Netzbetreibern ab. tischen Anteile auf der eigentlichen Ba- Evolution der bestehenden LTE-Technik
sisstation in der Nähe der Antenne imple- mit höherem Datendurchsatz und niedri-
Radioarchitektur mentiert werden. gerer Latenzzeit, sondern eine Revolution
Im Bereich des Radionetzes wurden viele in Punkto Radio- und Netzarchitektur. Ins-
neue Konzepte eingeführt, um hohe Netzarchitektur besondere die Möglichkeit, diese Architek-
Durchsatzraten, niedrige Latenzzeiten, Neben neuen Konzepten im Radionetz tur weitestgehend in einer Cloud zu imple-
hohe Verfügbarkeit, aber auch geringe In- hat 3GPP auch ein neues Kernnetz spezi- mentieren und mit offenen Schnittstellen
terferenz und damit eine höhere spektrale fiziert, das konsequent zwischen der Da- und Network Slicing neue Geschäftsfelder
Effizienz zu gewährleisten. Um nur einige tenschicht und der Kontrollschicht trennt. zu eröffnen, bietet den Netzbetreibern
dieser neuen Konzepte zu erwähnen: Auch im Kernnetz wurden viele neue Funk- völlig neue Möglichkeiten im Hinblick auf
Unterstützung von Frequenzen unter 1 tionen eingeführt, insbesondere Network die Monetarisierung ihrer Netzinfra-
GHz bis 100 GHz mit Bandbreiten von Slicing. Network Slicing bietet die Mög- struktur.
mehreren 100 MHz. lichkeit, für Anwendungen mit besonderen Verbraucher und Unternehmen werden
Massive MIMO (Multiple-Input-Multiple- Anforderungen an Latenz, Verfügbarkeit, von Möglichkeiten, die 5G ihnen bieten
Output) und Beamforming, um mehrere Durchsatz, Sicherheit, etc. ein optimiertes wird, ebenso profitieren. Sei es, dass
Datenströme zum Endgerät senden zu logisches Übertragungsnetz, bestehend das Laden von Dateien, Spielfilmen, etc.
können und Datenströme auf Bereiche aus virtualisierten Funktionen, bereitstel- schneller vonstattengeht, sei es, dass
einer Zelle konzentrieren zu können, in len zu können. Das Slicing-Konzept ist Online-Spiele erst möglich werden oder
denen sich Endgeräte befinden (was auch auf das Radio- und Transportnetz ganze Fabriken digitalisiert und vernetzt
z.B. die Reichweite erhöht und Interfe- übertragbar, d.h. auch dort können die vor- werden können.
renzen vermeiden hilft). handenen Ressourcen auf die einzelnen
Einführung des Mini-Slot Konzeptes um Slices (logische Netze) dynamisch aufge- Rainer Liebhart
zeitkritische (kurze) Pakete zeitnah über- teilt werden. Somit ist Network Slicing ein NOKIA Deutschland
tragen zu können, weniger zeitkritische Ende-zu-Ende Konzept. In dem VDE/ITG
Pakete werden verdrängt und später er- Diskussionspapier [2] werden die neuen
neut übertragen. 5G Konzepte wie z.B. Network Slicing vor- Informationen
gestellt und die Empfehlung ausgespro-
[1] http://www.3gpp.org/specifications
Eine wichtige Neuerung auf Seiten der Ra- chen, beim Ausbau künftiger Breitband- [2] V
DE /ITG Diskussionspapier: Offenes
dioarchitektur ist die Möglichkeit, den sog. netze die Voraussetzung für neue Anwen- Internet in Deutschland, Eine Bestands-
aufnahme. Mai 2018.
Radio Protokoll Stack aufzuspalten und dungen zu schaffen. Gesichtspunkte der
Kostenfrei über VDE-Shop:
beide Teile auf getrennten Plattformen zu Netzneutralität müssen den neuen techni- http://easyurl.net/bbc56
implementieren. Damit können die nicht- schen Entwicklungen angepasst werden,
8 Technik in Bayern 05/2018
SCHWERPUNKT
Bausteine für 5G
5G Antennen-Workshop der Hochschule München
und des ITG Fachausschuss Antennen
Der Aufbau von 5G Netzen ist zeichnen sich in den Bereichen Automo- die möglichen Datenraten verhundertfa-
ein erklärtes infrastrukturpoli- tive (Stichwort autonomes Fahren) und chen, und zwar bei gleicher Sendeleistung.
bei industriellen Anwendungen (Stich-
tisches Ziel. wort Massive Machine Type Communi- Zum Design und zur Qualifizierung von
cations) ab. Antennen sprechen Vertreter von Rohde
D
ie Standardisierung bei der Orga- & Schwarz, Kathrein, dem Institut für Mo-
nisation 3GPP ist abgeschlossen, MIMO Antennen bilfunk und Satellitentechnik (IMST), dem
die Vorbereitungen für die Verstei- Der Workshop blickt auf den Stand der Fraunhofer Institut, sowie Experten der
gerungen von 5G Frequenzen durch die Frequenzvergabe bei den europäischen Hochschule Leipzig, Hochschule der Bun-
Bundesnetzagentur laufen. Am Design Telekommunikationsregulierern (CEPT), deswehr und die TU Ilmenau. Ein beson-
der Antennen für das neue Netz wird gerade auch in der Vorbereitung auf die deres Schlaglicht auf die Chancen, die 5G
dagegen noch intensiv geforscht. Ohne bevorstehende internationale Wellen- für die Satellitenkommunikation haben
gänzlich neue Konzepte geht hier nichts. konferenz (ITU). Zentraler Fokus des kann, wirft ein Vertreter des Deutschen
Die Hochschule München (HM) und der Workshops ist der aktuelle Stand der 5G- Zentrums für Luft- und Raumfahrtechnik.
ITG Fachausschuss Antennen laden am Antennenentwicklung in den Laboren von
13.11. ein zu einem Workshop mit Ver- Industrie und Hochschulen. Dabei spielen Die Vernetzung zwischen terrestrischen
tretern aus Forschung, Industrie und sogenannte Massive Multiple In Multiple und satellitenbasierten Netzen auf der
Softwareentwicklung. Out (MIMO) Antennen eine herausragen- Basis von 5G bietet enorme Möglichkei-
de Rolle. MIMO Antennen setzen sich aus ten, um schlecht angebundene Bereiche
Höhere Datenraten, geringere Latenz- einer Vielzahl einzelner intelligent vernetz- zu versorgen oder kurzfristig Spitzenla-
zeiten, eine höhere Energieeffizienz und ter Antennen zusammen, z. B. könnte in sten zu bedienen, wie sie etwa bei Groß-
Nutzerdichte sind wesentliche Vorteile, einem Smartphone eine Gruppe von 16 veranstaltungen entstehen können. Ein
die 5G gegenüber der bislang genutzten oder mehr Antennen integriert sein. Mit adaptives Netz entsteht. Der Satelliten-
4G (auch LTE) Technologie auszeichnet. einer MIMO Antenne können gleichzeitig produktion made in Germany kann dies
5G wird angesichts des rasanten Digita- unterschiedliche Gegenstellen fokussiert einen neuen Markt eröffnen.
lisierungsfortschritts nicht nur alle Berei- oder die Mehrwegeausbreitung korrigiert
che des täglichen Lebens beeinflussen. werden. Je nach dem Raum, der für die Prof. Dr.-Ing. Georg Strauß
Besonders dramatische Veränderungen Antenne zur Verfügung steht, lassen sich Hochschule München
Workshop Themen
Wie lassen sich geeignete Antennen sowohl für den Up- 13. November 2018
und Downlink gerade für Millimeterwellen realisieren? Hochschule München
(Automotive, Basisstationen, mobile Endgeräte) Lothstraße 64, 80335 München im Hörsaal R1.046
Wie lassen sich MIMO Antennen hinsichtlich Strahlschwen- www.hm.edu < Veranstaltungen < November 2018
kung, Interferer und Elektromagnetische Umweltverträglichkeit Konferenzsprache (mit wenigen Ausnahmen) deutsch
testen? Begrenzte Teilnehmerzahl
Wie erfolgt die Integration der unterschiedlichen Systeme Verbindliche Anmeldung bis zum 25.10.2018 unter:
bis hin zu Satellitendiensten? 5G@ee.hm.edu, Teilnahmegebühr: 69 Euro
Technik in Bayern 05/2018 9
Die Kernfrage bei 5G ist das
Geschäftsmodell
Wir sprachen mit Jochen Mezger, 5G, wobei wir immer sagen, dass ein au- Und der Rundfunk muss auch jede einzel-
Leiter des Geschäftsfeldes tonom fahrendes Auto auch ohne Netz ne Datenübertragung an die Netzbetreiber
zurechtkommen muss. Die Vorstellung, bezahlen. Je mehr Erfolg man hat, desto
Netztechnologien, beim Institut dass ich z.B. im Bayerischen Wald ein lüc- ärmer wird man. Das ist kein schönes Ge-
für Rundfunktechnik (IRT) in kenloses 5G-Netz bekomme, ist aber für schäftsmodell. Wir arbeiten an Broadcast-
München. viele, viele Jahre illusorisch. Modi für Mobilfunk, die attraktiv sind, da-
mit wir in Hochlastfällen sprich: viele Men-
TiB: Mit welchen 5G relevanten Themen schen wollen gleiche Inhalte gleichzeitig
5
G wird die Mediennutzung verän- beschäftigt sich das IRT? anschauen, effizient, frei zugänglich und
dern. Welche Auswirkungen sieht Mezger: Wir beschäftigen uns in erster kostengünstig übertragen können. Und
das IRT? Linie mit der Frage, was der Mensch deshalb wollen wir uns die Option offen-
macht, wenn er in einem autonomen Fahr- halten, dass der Rundfunk eigene Netze
Technik in Bayern: Herr Mezger, warum be- zeug sitzt. Und diese Frage ist spannend, betreiben kann.
steht die Notwendigkeit eine neue Mobil- denn man gewinnt relativ viel Zeit, z.B.im
funkgeneration einzuführen? Pendlerverkehr. Hier sind die Themen TiB. Warum wird gerade jetzt sehr stark in
Jochen Mezger: 5G hat auf der einen Sei- Kommunikation, Arbeiten, Gaming und Lösungen für 5G geforscht?
te den Anspruch, dass es eine Ende-zu-En- Mediennutzung. Wir überlegen uns, wie Mezger: Natürlich wird 5G erst in einigen
de-Kommunikation gibt, die ganz neue In- wir linearen (programmgesteuerten) und Jahren relevant, aber 5G wird jetzt stan-
dustriezweige mit einbindet. Das wäre bei- nicht linearen (z.B. aus Mediatheken) Me- dardisiert und wir müssen unsere Anfor-
spielsweise der Automotive-Bereich mit dienzugang bereitstellen, vielleicht auch derungen jetzt einbringen. Ein Thema ist
dem Autonomen Fahren, die Industrie 4.0 schon kombiniert mit Geoinformationen. für uns „free to air“, also die freie Nutzung
mit der drahtlosen Kommunikation in Fabri- Hier gibt es viele Möglichkeiten, die Me- von Rundfunkinhalten, ein anderes be-
ken, das Smart Grid, also die Energienetze, diennutzung interessant zu gestalten. Na- schäftigt sich damit, dass ein mobiles Ge-
das Internet der Dinge und unser Bereich türlich bewegen wir uns im Rahmen der rät immer in der Lage ist, zu empfangen,
Medien und Entertainment. Auf der ande- Gesetzgebung, hier dem 5-Stufen-Plan für unabhängig vom Netzbetreiber. Wir wollen
ren Seite gibt es den Bedarf an schnelleren Autonomes Fahren. in der Lage sein eigene, wir sagen stand-
Datenübertragungsmöglichkeiten gepaart alone-Netze, zu betreiben, die dann in der
mit kürzerer Latenzzeit und größerem Da- TiB: Wozu braucht der Rundfunk bei 5G ei- Lage sind, Rundfunkinhalte im download-
tenvolumen. Alles zusammen hat die Not- gene Netze? Bereich bereitzustellen. Auch im linearen
wendigkeit für 5G geschaffen. Mezger: Im Mobilfunkbereich gibt es sog. Bereich, bei Wahlen, Olympischen Spielen
Unicast-Verbindungen, also Verbindungen oder Weltmeisterschaften sehen wir eine
TiB: Aber z.B. für Industrie 4.0. mit frei- von einer Basisstation zu einem Teilneh- steigende Nutzung und Nachfrage und
stehenden Maschinen mit Netzanschluss
brauchen wir doch kein 5G, oder doch?
Mezger: Diese Kritik kommt oft und viele „Je mehr Erfolg man hat, desto ärmer wird man.
Dinge kann man heute schon mit 4G ma-
chen. Ein wichtiger Grund für 5G ist die Das ist kein schönes Geschäftsmodell.“
Verkürzung der Latenzzeiten, sprich Echt-
zeit-Reaktionszeiten, die Sie mit WLAN
nicht haben. Natürlich gibt es auch An- mer. Nun gibt es heute schon eine starke wir glauben, dass das in Zukunft noch zu-
wendungen, bei denen auch wir 5G nicht Asymmetrie zwischen Up- und Downlink. nimmt, ergänzt durch die On-Demand-In-
für notwendig erachten, z.B. gibt es im Wenn jetzt z.B. bei Weltmeisterschaften halte. Ganz wichtig ist, dass wir hier nicht
E-Health-Bereich modern ausgestattete alle ein Fußballspiel anschauen, dann von der Netzabdeckung einzelner Netzbe-
Operationssäle mit allerbester Stromver- müssen Sie Millionen identische Streams treiber abhängig sind.
sorgung und bester Internetanbindung aussenden. Das ist extrem ineffizient be-
ohne zeitkritische Anwendungen. Beim züglich der Spektrumnutzung und des TiB: Gibt es hier Konkurrenzen mit den an-
Autonomen Fahren brauchen Sie natürlich Aufwandes, den man betreiben muss. deren Anbietern?
10 Technik in Bayern 05/2018SCHWERPUNKT
nen mit dem Sender Wendelstein mit sei- schäftsmodelle und gibt es jemanden, der
ner 100kW-Sendeleitung eine Versorgung neues Geld in das System bringt. Wenn es
bereitstellen, die mit kleinstzellulären Net- neue Industrien gibt, die Teil des Systems
zen nie erreicht wird. Wir hoffen hier auf sind und tatsächlich investieren, dann hat
clevere Auktionsbedingungen. es Chancen. Schwierigkeiten sehe ich aber
im ländlichen Raum.
TiB: Das beißt sich doch mit dem Anspruch
der Mobilfunkbetreiber, die möglichst viel TiB: Ältere, aber nach wie vor erfolgreiche,
Kapazität in die Fläche bringen wollen? Mobilfunkstandards wie z.B. GSM gibt es
Foto: Silvia Stettmayer
Mezger: 5G ist am Ende eine Frage der nach wie vor (und das seit 25 Jahren). Wer-
Ökonomie. Die Kernfrage bei 5G ist das den diese mit 5G irgendwann abgeschaltet
Geschäftsmodell. Heute ist es einfach: werden?
Der Mobilfunk baut aus und verkauft dann Mezger: GSM wird es meiner Meinung nach
eine SIM-Karte und einen Vertrag, mit dem noch sehr lange geben, weil viele Geräte,
Mezger: Ich würde sagen ja. Video oder der Kunde dann Zugang zu bestimmten z.B. alle Notruf- und viele Maschinenein-
Rundfunk sind die härtesten Anwendungen Datenraten bekommt. Wenn wir bei 5G richtungen damit übertragen. Man muss
für Datenvolumen, UHD für die Video- über neue Industriezweige reden, dann wissen, dass diese Infrastruktur sehr lang-
übertragung in Fahrzeugen ist schon sehr muss sich das Geschäftsmodell zwingend lebig ist, sie haben mindestens einen zehn-
anspruchsvoll. Wenn wir über drahtlose ändern. Beim Internet der Dinge und beim jährigen Investitionszyklus.
Übertragung reden, dann reden wir auch Autonomen Fahren kann es nicht sein,
über das Spektrum (Frequenzbereich) und dass ich jedes Auto oder jede Maschine TiB: Wird es auch 6G geben und wann wird
die Frage, wer das Spektrum bekommt. zuerst mit einer SIM-Karte ausstatte. es kommen?
Wir wollen unser Rundfunk-Spektrum nicht Hier muss es Modelle geben, die den Mezger: Wir sprechen bei der Nachfolge-
hergeben und sind Verfechter eines ei- Endkunden von regelmäßigen Zahlungen generation von „Beyond 5G“. Hier wollen
genen Spektrums für verschiedene In- freistellt. Das heißt nicht, dass kein Geld sich alle die Unternehmen engagieren, die
dustriebereiche. Diese Unabhängigkeit fließt, aber es braucht Guthaben oder Ge- für 5G nicht rechtzeitig fertig waren. Stich-
ist ein großer Wert. Bei der anstehen- bühren, die beim Kauf schon eingeflossen worte sind hier die Totalvernetzung im
den Versteigerung der Spektren für 5G sind. „Internet of everything“, noch dichtere, op-
gibt es den Vorschlag der Bundesre- tische Netze und eine globale Abdeckung
gierung ein eigenes Spektrum für Nicht- TiB: Sie sprechen von Geld: Wer bezahlt ei- durch Satelliten. Sehr wichtig werden in Zu-
Mobilfunker bereitzustellen. Im Gespräch gentlich 5G? kunft sicher Softwarelösungen, also Kon-
ist das C-Band, in dem man 100 Mega- Mezger: Also es gibt ja viele Profiteure: zepte, die bei einer Systemumstellung einen
hertz für Dienste und Applikationen aus Die Politik z.B. findet 5G ganz toll, denn sie kompletten Hardwareaustausch durch
dem 5G-Bereich, die nicht Mobilfunk sind, will in einem modernen Licht erscheinen. Downloads ersetzen, das sog. Software
reservieren will. Nicht jeder Industriebe- Dann gibt es die Forschung mit einem neu- Defined Radio SDR.
reich ist in der Lage, ein bundesweites, en Thema und vielen Fördergeldern. Die
dichtes Netz aufzubauen und auch die Fir- Industrievertreter wollen es auch, denn es Das Interview führten Fritz Münzel
men in der Industrie 4.0 wollen unabhän- vereinfacht die Prozesse und die Ausrü- und Silvia Stettmayer
gige Netze haben. ster sagen auch „wunderbar, jetzt kann ich
mein Netzequipment austauschen“.
TiB: Die Frequenzversteigerung ist also – Und dann gibt es die, die am Ende ein gut
Informationen
nicht nur durch eine mögliche Ausbau- Teil der Rechnung bezahlen müssen. Das Das Institut für Rundfunktechnik GmbH (IRT),
gegründet 1956, ist das Forschungsinstitut aller
verpflichtung – eine wichtige politische sind die, die die Netze aufbauen und die öffentlich-rechtlichen Rundfunkanstalten Deutsch-
Frage? Dienste anbieten. Und die wollen 5G auch lands, Österreichs und der Schweiz mit Sitz in
München-Freimann und ein weltweit renommier-
Mezger: Natürlich, denn bei 5G ist eine haben, weil sie im Wettbewerb stehen.
tes Kompetenzzentrum für Rundfunk- und Me-
Flächenversorgung im Gigahertz-Bereich Am Ende wird man die Frage stellen, wo dientechnik. www.irt.de/home/
richtig schwer und richtig teuer. Wir kön- wird 5G gebaut, wie tragfähig sind die Ge-
Technik in Bayern 05/2018 11Abbildungen: Rohde & Schwarz
5G-Basisstationen und -antennen werden
in solchen elektromagnetisch abgeschirm-
ten Messkammern getestet (Over-the-Air-
Messtechnik).
Messtechnik für 5G-Mobilfunk
Den Weg für die nächste Generation ebnen
Nachdem im Dezember 2017 Dabei ist sie auf spezielle Messtechnik entsprechenden Geräte heißen Vektor-
eine Teilversion des neuen angewiesen. Denn digitale Mobilfunksys- Signalgenerator bzw. Signalanalysator.
teme sind extrem komplex. Diese Geräte sind in der Lage, die sehr spe-
Standards 5G New Radio
zifischen Funksignale eines Standards
seitens der Standardisierungs- Ohne Messtechnik keine akkurat zu erzeugen bzw. bis ins Detail
organisation 3GPP veröffent- Mobilfunkprodukte zu analysieren. An der Luftschnittstelle,
licht worden war (für den Non- Eine Vielzahl von Hard- und Software- also den Systemkomponenten, die un-
komponenten arbeitet eng verzahnt und mittelbar für die Aussendung und den
Stand-Alone-Betrieb, der einen
in gegenseitiger Abhängigkeit. Damit das Empfang der Funksignale zuständig sind,
4G-Unterbau voraussetzt), Ganze funktioniert, müssen sämtliche interessieren vor allem die physikalischen
folgte im Juni 2018 der Stand- Einzelteile betriebsfähig sein. Das ist am Signalparameter (Frequenz-, Pegel- und
Alone-Release (SA 15) für den Beginn einer Neuentwicklung naturge- Phasen genauigkeit), für die sehr enge
mäß nicht der Fall. Die Entwickler der HF- Toleranzen gelten. Nur wenn sich der
unabhängigen 5G-Betrieb. Funktechnik arbeiten unabhängig von den Funkkanal spezifikationsgemäß aufbau-
Signalverarbeitungsexperten und Proto- en lässt, kann das System im Einsatz die
Ü
blicherweise vergehen nach einem kollentwicklern, die ihrerseits erst einmal angepeilte Datenrate erzielen.
Release aber immer noch eini- getrennt unterwegs sind. Um zu Resulta-
ge Monate mit Feinarbeiten, be- ten zu gelangen und die einzelnen Kom- Höher, schneller, weiter
vor ein vollständiges Spezifikations- ponenten testen zu können, werden an Wie bisher noch jede neue Mobilfunk-
Fundament vorliegt. Dann kann die In- den zunächst unbesetzten Schnittstellen generation, so geht auch 5G mit seinen
dustrie nun die finale Produktentwick- zu den Nachbarkomponenten Ersatzin- Anforderungen wieder an die Grenze des
lung in Angriff nehmen (Vorentwick- stallationen benötigt. Diese Rolle neh- Machbaren und stellt so nicht nur die Ge-
lungen sind natürlich schon seit Längerem men Messgeräte und Simulatoren ein. So rätebauer, sondern auch die Messtechnik-
im Gange), sowohl der Infrastrukturkom- braucht der Empfängerentwickler einen hersteller vor größere Aufgaben.
ponenten wie der Basisstationen als auch Messsender als Gegenstück und der Sen- Denn generell gilt die Faustregel, dass ein
der Endgeräte für den Consumermarkt. derentwickler einen Messempfänger. Die Messgerät um mindestens eine Größen-
12 Technik in Bayern 05/2018SCHWERPUNKT
ordnung genauer arbeiten sollte als das sind erst zu entwickeln (OTA Over-the-air- Liegen alle Module eines neuen Mobil-
Messobjekt, damit es dessen Schwächen Messtechnik). Das Bild auf S. 12 zeigt eine funkprodukts fertig vor – für ein Smart-
und nicht seine eigenen zur Anzeige solche Messkammer, die speziell für 5G- phone im Wesentlichen das standardkon-
bringt. Da im Vergleich zu 4G bei 5G noch Anwendungen konzipiert wurde. Um aus- forme Chipset und das HF-Frontend – wer-
einmal alle performance-relevanten Stell- sagefähige Messungen an Antennen zu den sie zum fertigen Gerät integriert und
schrauben merklich angezogen wurden, bekommen, müssen diese im sogenann- dieses auf Herz und Nieren getestet, um
ist der Aufwand für die Messgeräteent- ten Fernfeld vorgenommen werden. Bei ein späteres funktionales Versagen aus-
wicklung entsprechend groß. Verschärft größeren Antennen herrschen Fernfeld- zuschließen. Das geschieht im Rahmen
wird die Situation bei 5G noch dadurch, bedingungen aber erst im Abstand von der Typprüfung, die der Produktion vor-
dass erstmals im Mobilfunk auch Milli vielen Metern (die Antennengröße geht ausgeht. Hierbei wird das Endgerät an ei-
meterwellenfrequenzen (z.B. 28 GHz) quadratisch in die Fernfelddistanz ein), nen Netzsimulator angeschlossen, der es
zum Einsatz kommen werden, die sehr sodass konventionelle Messkammern programmgesteuert eine Vielzahl von
viel schwieriger zu handhaben sind, vor dafür sehr groß ausfallen. Mit aktueller Betriebszuständen einnehmen lässt und
allem dann, wenn man sie nicht durch- Technik kann man sie deutlich kompakter es dabei messtechnisch überwacht. Erst
gängig in hochintegrierten Bauteilen ver- gestalten. wenn alle obligatorischen Test Cases von
arbeiten kann, wie das bei Consumer-End- Das gelingt durch Beamforming. Das okto- 3GPP erfolgreich absolviert sind, kann die
geräten der Fall ist, sondern die Technik gonale Antennen-Array links im Bild be- Produktionsfreigabe erfolgen. Auch in der
auf größere Baugruppen verteilen muss, steht aus 156 Vivaldi-Antennen, die durch Fabrik geht es dann nicht ohne Messtech-
wie es in hochwertigen Messgeräten not- passend dimensionierte Verzögerungslei- nik. Angesichts der riesigen Stückzahlen
wendigerweise geschieht. Die Millimeter- tungen so angesteuert werden, dass sich darf es später im Einsatz keine nennens-
wellenphysik fordert ein Höchstmaß nicht am Ort des Messobjekts (die weiße Fla- werten Ausfälle aus technischen Gründen
nur an elektronischer, sondern auch an chantenne rechts) ein ebenes (Fern-)Feld geben, die sofort negativ auf das Marken-
mechanischer und fertigungstechnischer ausbildet. Der Abstand zwischen Mess- image des Herstellers durchschlagen wür-
Präzision, was sich unweigerlich in den objekt und Messantenne lässt sich so auf den und hohe wirtschaftliche Schäden zur
Gerätepreisen widerspiegelt. 1,50 m reduzieren, was eine Installation im Folge hätten. Daher werden wichtige tech-
Labor oder in einer Fertigungsumgebung nische Parameter bei jedem Exemplar ge-
Hochintegration bedingt ein neues zulässt. messen und Feinjustagen vorgenommen.
Messparadigma Was für die Endgeräte gilt, gilt gleicherma-
Eine konstruktive Folge der hohen Fre- Messtechnik in allen Stadien der ßen für die Infrastrukturkomponenten in
quenzen ist die weiter zunehmende Ver- Entwicklung, Produktion und Installation der Fläche, und zwar von deren Entwick-
dichtung und Integration der Komponen- Der Consumermarkt wartet natürlich in er- lung und Fertigung über die Installation
ten. Eine 5G-Basisstationsantenne wird ster Linie auf die Endgeräte. In ihrer Leis- bis zur Wartung und Optimierung: Jeder
anders aussehen als die bekannten läng- tung zeigt sich unmittelbar, wie viel „PS“ Schritt erfolgt unter enger messtechni-
lichen Sektorantennen an den Mobilfunk- ein neuer Standard auf die Straße bringt. scher Begleitung, denn für Trial-and-Error-
masten. Man wird hier flächige Gebilde Methoden ist die Technik viel zu komplex
sehen, die dutzende von Antennenele- und anspruchsvoll.
menten mit integrierter Elektronik bein- Der in München ansässige Technologie-
halten, sogenannte Massive-MIMO-Arrays konzern Rohde & Schwarz begleitet die
(MIMO = Mehrantennentechnologie). An Entwicklung des Mobilfunks seit Jahr-
solche hochintegrierten Gebilde lassen zehnten mit seiner marktführenden Mess-
sich Messgeräte nicht mehr über Kabel an- technik. Wie die ganze Branche, so arbei-
schließen, was aus verschiedenen Grün- ten auch die Münchner Experten derzeit
den vorzuziehen wäre, sondern man muss mit hohem Ressourcenaufwand an der
das Signal über Antennen einfangen und Entwicklung der 5G-Technik.
an die Messtechnik weiterleiten. Der Bildschirm eines Signalanalysators zeigt
Diese Methode ist prinzipiell ungenauer alle wichtigen physikalischen Parameter eines Volker Bach
und aufwendiger, die Einrichtungen dafür 5G-Signals auf einen Blick. Rohde & Schwarz, München
Technik in Bayern 05/2018 13Agile Antennen für 5G
Hohe Richtwirkung und adaptive Strahlsteuerung
Ein Kernthema um hohe gung solch hoher Datenraten einhergehen. Die Wellenausbreitung erfolgt quasi-
Ein Kernthema von 5G ist dabei die optisch, das bedeutet, dass möglichst
Datenraten zu erreichen ist die
Antennentechnologie: Zur Übertragung der eine Sichtverbindung zwischen Sender
Antennentechnologie. extrem hohen Datenraten sind besondere und Empfänger gegeben sein sollte,
Antennenkonzepte erforderlich: Die physi- andernfalls sinkt die Datenrate deutlich
kalischen Randbedingungen und ent- ab. Gebäudewände und dichte Vegeta-
G
erade erst wurde und wird der sprechend erforderliche Technologien tion stellen praktisch unüberwindliche
Mobilfunk der 4. Generation, ge- hierfür werden im Folgenden erläutert. Übertragungshindernisse dar.
nannt LTE (Long Term Evolution) Die Streckendämpfung ist bei hohen Fre-
in Europa ausgerollt, da diskutieren so- Übertragung mittels ‚Millimeterwellen‘ quenzen deutlich erhöht. Die am Emp-
wohl die Fachwelt als auch die breite Öf- Eine technische Besonderheit an 5G be- fänger in einer Distanz von R zur Verfü-
fentlichkeit bereits intensiv die Chancen, steht darin, dass – neben den klassischen gung stehende Leistung PE ergibt sich
Möglichkeiten und Perspektiven der zu- Trägerfrequenzen um 2 GHz – auch sehr aus der Sendeleistung PS, den Gewin-
künftigen 5. Generation, kurz ‚5G‘. hohe Trägerfrequenzen um 30 GHz und nen der Sende- und Empfangsantenne
Zeitpunkt und Intensität der Diskussion höher verwendet werden. Diese werden GS und GE sowie der Wellenlänge λ
sind auf den ersten Blick erstaunlich, lassen auch als ‚Millimeterwellen‘ bezeichnet. wie folgt (Friis-Gleichung):
sich aber erklären: In Richtung der Nutzer Einen Grund für die Nutzung dieser Fre-
sind es die angekündigten extrem hohen quenzbänder liefert das Shannon-Hart- 2
Datenraten von einigen Gigabit/s pro Link, ley-Kriterium: Es beschreibt das theo- λ
PE = GE GS PS
die die Faszination hervorrufen, in Rich-
tung der Techniker sind es die besonderen
retische Limit der Kanalkapazität C in
Abhängigkeit von der Bandbreite B und
4π R
Herausforderungen, die mit der Übertra- dem Signal-zu-Rauschverhältnis S/N
Der Wert der Klammer in obiger Gleichung –
auch Freiraum-Verlustfaktor genannt – re-
B ⋅ log 2 (1 + S / N ) . *) S. 15
C= duziert sich bei gegebenem R, wenn die
Frequenz steigt. Dieser Effekt kann und
muss durch entsprechend höhere Gewin-
Im LTE-Standard wurden bereits große ne der verwendeten Antennen kompen-
Anstrengungen unternommen, um sich siert werden. Das bedeutet allerdings,
diesem theoretischen Limit anzunähern, dass man keine rundstrahlenden Anten-
insbesondere durch Verwendung höher- nen verwenden kann, sondern stark bün-
wertiger Modulationsverfahren sowie delnde Antennen sowohl auf der Sende-
durch Mehrantennensysteme und MIMO. als auch auf der Empfangsseite benötigt.
Um – ausgehend von LTE – eine weitere
signifikante Steigerung der Kapazität zu Agile Antennen mit elektronischem
erreichen, bietet die Bandbreite B die be- Beamforming
ste Möglichkeit; hohe Bandbreiten von Die Verwendung von Antennen mit starker
mehreren Gigahertz stehen jedoch nur Richtwirkung ist also sehr hilfreich und
im Bereich der Millimeterwellen zur Ver- wichtig für Millimeterwellenapplikationen.
fügung. Der Grund für die Wahl der Milli- Eine starke Richtwirkung bedeutet jedoch
meterwellenbänder ist also die dort gege- automatisch, dass die Richtdiagramme
bene Verfügbarkeit von sehr hohen Band- jeweils eine schmale Hauptkeule aufwei-
breiten, die die gewünschten hohen Da- sen und dass die beiden Hauptkeulen der
Abb. 2: Millimeterwellen-Antenne mit elektroni- tenraten ermöglichen. Die Nutzung solch Sende- und Empfangsantennen genau auf-
scher Strahlsteuerung als Mehrlagen-Keramik-
hoher Trägerfrequenzen wird jedoch – einander ausgerichtet sein sowie – z.B. bei
modul (entwickelt für Beam Semiconductor).
Oben: Simulation, Unten: realisiertes Modul in neben hohen Technologiekosten – durch Bewegung des Mobilfunknutzers – nach-
Meßhalterung. zwei Randbedingungen erschwert: geführt werden müssen.
14 Technik in Bayern 05/2018SCHWERPUNKT
innerhalb dessen Millimeterwellen-Basis-
stationen an die Flutlicht-Masten mon-
tiert werden. Mobile Endgeräte im In-
nenraum des Stadions haben dann eine
gute Sichtverbindung zur Basisstation,
so dass hohe Datenraten – z.B. für Video-
Streaming – für viele Nutzer gleichzeitig
realisierbar sind.
Es bleibt also spannend bei 5G: Sowohl
hinsichtlich der technischen Herausfor-
derungen und der Realisierung als auch
Quelle: IMST
hinsichtlich der zukünftigen Implementie-
rung und Nutzung. Und die Entwicklung
Abb. 1: Prinzip einer vertikal montierten Antennengruppe mit elektronischer Strahlsteuerung von leistungsfähigen agilen Antennensys
mittels Phasenbelag (links) sowie Visualisierung der Wellenfront über 3D-Simulation (rechts) temen mit elektronischem Beamforming –
unter den strengen Kosten-, Platz- und
Performance-Anforderungen des Mobil-
Aus Aufwands- und Verschleißgründen spiel einer Antenne für Gigabitübertra- funks – spielt dabei eine Schlüsselrolle.
kann eine solche Nachführung im Mobil- gung bei 60 GHz: Sie wurde in einer
funkszenario nicht mechanisch erfolgen, Mehrlagen-Keramik in Hohlleiter-Technik Prof. Dr. Matthias Geissler
sondern wird elektronisch vorgenommen. („Substrate-Integrated-Waveguide“)auf- IMST GmbH, Kamp-Lintfort
Abbildung 1 illustriert das Grundprinzip hier- gebaut und ermöglicht eine elektronische
für: Eine Gruppe von Einzelstrahlern im Strahlsteuerung. Sie wird zur Multimedia
Relativabstand d wird mit einem elektro- anbindung von Geräten im Konsumer *) Die Gleichung gilt strenggenommen nur
nischen Phasenbelag � beaufschlagt, wo- segment verwendet. für den SISO-Fall, also ‚Single-Input-Single-
durch sich eine Wellenfront unter einem Output‘. Für den MIMO-Fall also ‚Multiple-
Abstrahlwinkel α bildet. Durch elektroni- Ausblick auf 5G Input-Multiple-Output‘ erhöht sich die
sche Änderung des Phasenbelags ändert Die Antennen-Technologie für zukünftige Kapazität, was man beispielsweise durch
sich der Abstrahlwinkel. Diese Technik ist Millimeterwellen-Kommunikation in 5G ist einen zusätzlichen Faktor k auf der rech-
als ‚Phased Array‘ bekannt oder allgemei- also verfügbar und bereit für die Imple- ten Seite der Gleichung darstellen kann.
ner als ‚elektronisches Beamforming‘. mentierung. Aufgrund der oben beschrie-
benen besonderen physikalischen Rand-
Realisierung von 5G-Antennensystemen bedingungen wird der Einsatz von Millime- Literatur
Die Realisierung von 5G-Antennensyste- terwellen allerdings genau auf vorgese- [1] R. Gabriel and M. Geissler, „Antenna Systems
for Cellular Base Stations” Chapter in the Hand-
men mit elektronischem Beamforming ist hene Szenarien abgestimmt werden. Ein book of Antenna Technologies, p.2271 ff, Sprin-
eine herausfordernde Ingenieursaufgabe: mögliches Szenario ist die ‚letzte Meile‘, ger Science+Business Media Singapore, 2016
Es ist nicht nur eine sehr gute Effizienz also die Anbindung von Gebäuden an eine [2] „Cisco visual networking index: global mobile
data traffic forecast”, 2009-2014 reports, CIS-
und Performance erforderlich, sondern Hub-Station mittels Funk. Durch agile An- CO, USA, 2014
andere Aspekte wie Kosten, Gewicht, Leis- tennensysteme kann man hierbei kleine [3] B. Sanadgol, S. Holzwarth, A. Milano, R. Popo-
vich, M. Geissler, „An LTCC Substrate Inte-
tungsverbrauch und Wärmeabfuhr müs- Ausrichtfehler in der Installation kompen-
grated Waveguide Phased Array for 60 GHz
sen im Design berücksichtigt werden. sieren oder kleine Vibrationen des An- Wireless”, 2010 IEEE International Symposi-
Besonders anspruchsvoll ist die Entwick- tennenmastes durch Wind ausgleichen. um on Phased Array Systems & Technology,
Boston, USA; Oktober 2010
lung von Antennensystemen für mobile Ggf. kann man innerhalb des Gebäudes [4] J.H. Winters, „On the Capacity of Radio Commu-
Geräte: diese müssen sehr kompakt und dann auf tiefere Mobilfunkbänder bzw. nication Systems with Diversity in a Rayleigh
Fading Environment” IEEE journal on selec-
leicht sein und trotzdem eine exakte elek- auf WLAN umsetzen. Ein mögliches Sze-
ted areas in Communications, Vlo.Sac-5,
tronische Strahlschwenkung ermöglichen. nario zur direkten Anbindung von mobilen No.5, June 1987
Abbildung 2 zeigt ein Realisierungs bei- Endgeräten ist das ‚Stadion-Szenario‘,
Technik in Bayern 05/2018 15Fahrzeuge werden
kommunikativ
Quelle: Deutsche Telekom
Abb. 2: Mobilfunk
am Testfeld Auto-
bahn A9
Automatisierter Straßenver- im Mai 2018 veröffentlichten EU-Strate- einen sicheren Verkehrsfluss unter Ein-
kehr und fahrerloses Fahren gie für die Mobilität der Zukunft hervorge- beziehung aller Verkehrsteilnehmer ge-
hoben, dass sie einen integrierten Ansatz währleisten.
sowie neue kombinierte Mo- von Automatisierung und Vernetzung ver- Heute sind bereits Millionen Fahrzeuge
bilitätskonzepte stehen mehr folgt [1]. über Mobilfunknetze mit der Netzwerk-
denn je im Mittelpunkt öffent- Automatische Fahrzeuge brauchen nicht Cloud der Fahrzeughersteller verbunden.
zwingend Konnektivität und vernetzte Es wird erwartet, dass ab 2022 alle neuen
licher, technischer, rechtlicher
Fahrzeuge brauchen nicht unbedingt Au- Fahrzeuge vernetzt sind. Einige Hersteller
und ethischer Diskussionen. tomatisierung, aber es ist inzwischen all- haben dieses Ziel für ihre Flotten prak-
5G eröffnet dafür die zukunfts- gemein anerkannt, dass die Vernetzung tisch heute schon erreicht. Dabei werden
sichere, schnelle und zuver- von Fahrzeugen eine wichtige Voraus- bereits verkehrssicherheitsrelevante In-
setzung für automatisches Fahren und formationen zwischen Fahrzeugen über
lässige Kommunikation.
fahrerlose Fahrzeuge sind. Damit können das Mobilfunknetz ausgetauscht. Beispie-
Verkehrsicherheit und -effizienz sowie le hierfür sind Unfall-Warnungen oder War-
A
utomatisierter Straßenverkehr ist Fahrkomfort wesentlich erhöht werden. nungen über akute Wetterbedingungen.
heute keine ferne Zukunftsvision Dabei geht es um Fahrzeugkommuni-
mehr – neue Technologien wie kation (V2X) zwischen: Einstieg in das vernetzte Fahren mit LTE
Sensortechnik und Künstliche Intelligenz Fahrzeugen (V2V: vehicle-to-vehicle) Mit der im Jahr 2017 verabschiedeten Ver-
sowie die rasant zunehmende digitale Fahrzeugen und Straßeninfrastruktur sion 14 des Mobilfunkstandards steht
Vernetzung bringen uns dem Ziel sicherer, z.B. Ampeln und dynamischen Wechsel- nun erstmals eine LTE-Mobilfunktechno-
komfortablerer und wesentlich effiziente- schildern (V2I: vehicle-to-infrastructure) logie der 4. Generation zur Verfügung,
rer Mobilität immer näher. Dieses Thema Fahrzeugen und dem Netz bzw. der die auch die direkte Kommunikation zwi-
ist nicht zuletzt auch Teil des globalen Cloud (V2N: vehicle-to-network) schen Fahrzeugen untereinander (V2V)
technologischen Wettbewerbs zwischen Fahrzeugen und Fußgängern, allgemei- und von Fahrzeugen mit der Straßenin-
Ländern und Regionen. Die Kommunika- ner als Vulnerable Road User bezeich- frastruktur (V2I) mit sehr kurzen Latenz-
tion und Vernetzung der Fahrzeuge, so- net (V2P: vehicle-to-pedestrian). zeiten von unter 50ms unterstützt. Der in-
wohl untereinander als auch mit Straßen- itiale Fokus liegt dabei auf Anwendungen,
infrastruktur und Netzwerkapplikationen, Vernetzung heute und morgen die die Verkehrssicherheit erhöhen. Die
spielen dabei eine wichtige Rolle. Durch die Vernetzung können Fahrzeuge Zuverlässigkeit wird dadurch verbessert,
ihr Fahrverhalten koordinieren und ein in- dass die direkte Kommunikation sowohl
Automatisierung und Vernetzung telligentes Verkehrsmanagement wird er- innerhalb als auch außerhalb der Mobil-
Die Europäische Kommission hat in ihrer möglicht. Weiterhin kann die Vernetzung funknetz-Abdeckung funktioniert.
16 Technik in Bayern 05/2018SCHWERPUNKT
Damit steht erstmals eine einheitliche triebereiche wie Halbleiterhersteller, Fahr- gründet. Inzwischen hat diese Organisa-
Netztechnologie C-V2X (Cellular V2X) zur zeughersteller und ihre Technologie-Lie- tion über 80 Mitgliedsunternehmen, die
Verfügung, die die wachsenden Kommu- feranten, Mobilfunknetz-Betreiber und sich das Ziel gesetzt haben, Automotive-
nikationsanforderungen des automati- deren Infrastruktur-Hersteller sowie Stra- und Telekommunikations-Industrien zu-
sierten Straßenverkehrs und des fahrer- ßenbetreiber und Straßeninfrastruktur- sammenzubringen, um die Nutzung intelli-
losen Fahrens erfüllt. Dies gilt sowohl für hersteller zusammenbringen. genter Transport- und Kommunikations-
die Direktkommunikation über maximal Eine bedeutende Rolle spielt hier das Lösungen zu beschleunigen und die Kon-
mehrere hundert Meter (short range) als „Digitale Testfeld Autobahn“ auf der A9 zepte Cooperative Intelligent Transpor-
auch für die Kommunikation über Netze zwischen Nürnberg und München. Auto- tation Systems (C-ITS) erfolgreich und
und mit der Cloud (long range). Die Fahr- mobilhersteller und ihre Zulieferer können nutzbringend zu verwirklichen.
zeugindustrie und C-V2X profitieren dabei hier z.B. mit Hilfe von Nokia Technik erste Hierbei geht die 5GAA davon aus, dass
von den großen Dimensionen des „Mobil- Anwendungen des vernetzten Fahrens im die 5. Mobilfunk-Generation (5G) die ulti-
funk-Ecosystems“ (eine Wortfindung, die Produktionsnetzwerk der Deutschen Te- mative Plattform für C-ITS ist, um sicher-
das Gesamtsystem aller Mobilfunknetze lekom testen (Abb. 2). heitskritische Kommunikation für höhere
Verkehrssicherheit und fahrerloses Fahren
zu ermöglichen. Mit der inhärenten Evolu-
tion von C-V2X von der 4. zur 5. Mobilfunk-
Generation werden kurze Latenzzeiten bis
in den Bereich von 1ms und größere Über-
tragungskapazitäten möglich. Außerdem
wird mit neuen 5G Funktionalitäten wie
Network-Slicing und Edge Computing die
Zuverlässigkeit der Kommunikation we-
sentlich erhöht. Das ermöglicht neue An-
wendungen wie z.B. hochverdichtete Fahr-
zeugkolonnen (High-Density Platooning),
Quelle: 5GAA
ferngesteuerter Fahrzeugbetrieb (Tele-
Operated Driving), der Austausch von Sen-
sordaten zwischen den Fahrzeugen (Sen-
Abb 1: Eindrücke von den erstmals öffentlich gezeigten Tests der neuen Technologie mit Fahrzeu- sor Sharing), die für kooperatives automa-
gen von Audi und Ford tisches Fahren im breiten Maßstab not-
wendig sind.
sowie aller Firmen, die diese zum Ge- Ein weiteres Beispielprojekt wird derzeit
schäftszweck nutzen, bedeutet), und den von AT&T, Ford, McCain, Nokia und Qual- Martin Beltrop und Dr. Uwe Pützschler
umfangreichen Investitionen, die jährlich comm in San Diego durchgeführt [2]. Die Nokia Solutions and Networks
in den Bereich der Mobilfunknetze, End- Anzahl der zusammenwirkenden Bereiche
geräte und Applikationen fließen. Dieses in diesen Projekten zeigt die Komplexität
Ecosystem hat schon über fast 3 Jahr- der Aufgaben, die nur gemeinsam gelöst
zehnte hohe Innovationsraten gezeigt, die werden können. Informationen
nun zukünftig auch von der Mobilitätsin-
dustrie genutzt werden können. Abb. 1 In der 5G Automotive Association [1]
European Commission, „On the
zeigt Eindrücke von den erstmals öffent- (5GAA) kommen die Automobil- und die road to automated mobility: An EU
lich gezeigten Tests der neuen Techno- Telekommunikationswelt zusammen strategy for mobility of the future”,
logie mit Fahrzeugen von Audi und Ford. Aus diesem Grund haben führende Fahr- 17.5.2018, http://easyurl.netf9ef4
In den wichtigen Automobil-Regionen der zeug- und Kommunikationstechnologie- [2] Q
ualcom Press Release,
Welt finden vielfältige C-V2X Tests statt, Hersteller 2016 die „5G Automotive http://cd5a2.easyurl.net
die die verschiedenen betroffenen Indus- Association“ (5GAA: www.5gaa.org) ge-
Technik in Bayern 05/2018 17Sie können auch lesen
