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Technik – Mobilkommunikation

Mobilfunkgenerationen

Allgemein

Der Mobilfunk hat sich rasant entwickelt und die Dynamik wird weiter anhalten. Inzwischen unterscheidet man 5 Technikgenerationen. Während die erste Generation noch analog arbeitete, setzten alle Nachfolgetechnologien auf digitale Signalverarbeitung. Das wesentliche Merkmal der jeweils neueren Generationen war die erhöhte Datenrate um mehr Kapazität bereitstellen zu können. Zur Steigerung der Datenraten und anderer technischer Parameter wie die Reaktionszeit des Gesamtsystems (Latenzzeit), hat man die Bandbreiten vergrössert, die Modultionsverfahren effizienter gemacht und auch die Techniken des Zugriffs auf das Signal verändert. Diese Verbesserungen waren teilweise nur möglich, weil sich die Hardware dramatisch entwickelt hat. Die Signalverarbeitung erbringt heute Leistungen, die vor 10 oder 15 Jahren undenkbar waren.  Untenstehende Tabelle gibt einen Überblick über die vier digitalen Generationen, wobei jede Generation jeweils mit diversen „internen“ upgrades aufgerüstet wurde. In der Tabelle sind einige solche Aufrüstungen enthalten. Der erstgenannte Begriff jeder Generation – GSM, UMTS, LTE und NR (New Radio) – entspricht der „landläufigen“, also der gebräuchlichsten, Bezeichnung der unterschiedlichen Mobilfunktzechnologien. Erklärungen zu den technischen Begriffen finden sich andernorts bei den entsprechenden Themen. GSM ist der einzige in der Tabelle gelistete Standard der leitungsbasiert (kanalbasiert) ist (als Kunde zahlt man die Verbindungszeit), alle anderen Standards sind datenbasiert (paketbasiert; als Kunde zahlt man das genutzte Datenvolumen).

Die neueste Generation: 5G oder New Radio

Die fünfte Mobilfunkgeneration, die gegenwärtig (Anfang 2018) noch nicht standardisiert ist, soll 2020 bereits in Betrieb sein. Erste Endgeräte werden per 2019 erwartet.  Bei anhaltend stark wachsendem Datenvolumen wird die 4. Generation in einigen Jahren an Kapazitätsgrenzen stossen. Sodann zeichnen sich neue Anwendungen ab, die kürzere Latenzzeiten notwendig machen werden (etwa in der Mobilität selbstfahrende Fahrzeuge). Weiter wird der zunehmende Einsatz von Sensoren und intelligenten Geräten (Stichwort: Internet der Dinge), die aus Kostengründen drahtlos ans Internet angebunden sein werden, es nötig machen, dass das System viele tausend Verbindungen bewältigen kann. LTE ist nicht auf solche massenhaften Anbindungen optimiert. Aus diesen und weiteren Gründen wurde die 5. Generation Mobilfunk entwickelt. Sie soll die Digitalisierung der Gesellschaft unterstützen und vorantreiben. Die von 5G oder New Radio (NR) angestrebten Kennzahlen der oben erwähnten Anforderungen finden sich mit Vergleich zu den entsprechenden Leistungen bei LTE in der Tabelle.

Die Technik hinter 5G wurde an verschiedener Stelle im Vergleich mit den bisherigen Mobilfunkgenerationen dargestellt. Hier seien zusammenfassend für die schnelle Leserin nochmals einige wichtige Element erwähnt:  New Radio wird vorerst die bisherigen Frequenzen nutzen. Ab 2019/2020 werden Bänder im Bereich 3.4 – 3.8 GHz hinzukommen. Die hohen Frequenzen im zweistelligen GHz Bereich werden erst in den frühen 20er Jahre aktuell sein. Ein in Diskussion befindliches Band für die Millimeterwellen liegt um 26 GHz (24.25 – 27.5 GHz).

Die neueste Mobilfunkgeneration wird funktechnisch wie LTE aufgebaut sein (u.a. OFDMA, QAM und Kanalbündelung), allerdings mit mehr Bandbreite senden können. Ebenfalls wie LTE werden Mehrfachantennen (MIMO, siehe dort) eingesetzt. Im 26 GHz Band (wenn dieses denn für 5G reserviert wird) und bei noch höheren Frequenzen ist auch massive MIMO (siehe dort) für das Beamforming vorgesehen. Ob und wann dieses auch für mobile Nutzer eingesetzt wird, ist noch nicht klar absehbar. Ein weiteres Charakteristikum von New Radio ist das sog. Slicing: auf derselben Hardware können softwarmässig Subnetze mit ausgewählten Eigenschaften (Quality of Service) definiert werden. Das macht einen vom „restlichen“ Verkehr unabhängigen Netzbetrieb möglich, der festgelegte Qualitäten störungsfrei garantiert. So können kritische Anwendungen in Industrie, Mobilität, bei den Infrastrukturen oder in der Sicherheit (Blaulichtdienste) ohne eigene Hardeware über das 5G-Netz abgewickelt werden.  So gesehen ist 5G mehr als nur ein schnelles 4G. Es ist in quantitativer und in qualitativer Hinsicht ein Quantensprung, was der Vergleich mit den Vorgängertechnologien in der Tabelle unten zeigt.

FSM-Forschungsprojekte zum Thema Mobilfunkgenerationen

Ökobilanz Mobilfunksystem UMTS im Hinblick auf öko-effiziente Systeme

Rolf Frischknecht, Markus Stutz
ESU-services, Uster

Technologie & angewandte Forschung (Abgeschlossen)

Das Projekt ermittelt die umweltbezogene Nachhaltigkeit des UMTS-Mobilfunksystems (Mobiltelefon, Antennen, Basisstationen, Switches, Netzzentralen etc.) unter Berücksichtigung des Lebensweges (Ressourcenentnahme,Herstellung, Betrieb, Demontage und Entsorgung).

Publikation/en:
Faist Emmenegger, M., Frischknecht, R., Stutz, M., Guggisberg, M., Witschi, R., Otto, T., (2004) Life cycle assessment of the mobile communication system UMTS towards eco-efficient systems, in: Int J LCA 2004, OnlineFirst.  Peer reviewed

Faist Emmenegger, M., Frischknecht, R., Stutz, M., Guggisberg, M., Witschi, R., Otto, T., (2004) Ökobilanz deckt Optimierungspotenzial auf, in: Umwelt Focus, 1, 35-37.

Faist, M., Frischknecht, R., Jungbluth, N., Guggisberg, M., Stutz, M. Otto, T. Witschi, R. (2003) LCA des Mobilfunksystems UMTS. Schlussbericht, Uster: ESU-services.

Stutz, M., Faist, M., Frischknecht, R., Guggisberg, M. Witschi, R., Otto, T. (2003) Life cycle assessment of the mobile communication system UMTS: towards eco-efficient systems, in: Proceedings of the IEEE International Symposium on Electronics and the Environment, Boston, May, 2003, 141–146.

Abstract zum Download
Abschlussbericht zum Download

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