Dynamic Spectrum Sharing als 5G-Beschleuniger DSS macht 5G in vorhandenen LTE-Netzen möglich

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Bislang mussten sich Netzbetreiber entscheiden, welche Frequenzbereiche für eine neue Mobilfunkgeneration genutzt werden sollten. Eine innovative Technologie soll das künftig ändern: Dynamic Spectrum Sharing (DSS) ermöglicht den parallelen Betrieb von 5G im selben Netz und im selben Frequenzbereich wie LTE.

Im Frühjahr 2019 wurden in Deutschland die ersten Frequenzen für die neue Mobilfunkgeneration 5G versteigert. Seither wird der Netzausbau konsequent vorangetrieben, verspricht der neue Standard doch weitaus mehr als nur schnelles Internet. Tatsächlich ermöglicht 5G mit Datenübertragungsraten in Beinahe-Echtzeit und Latenzzeiten von teilweise unter einer Millisekunde einen technologischen Quantensprung.

Erzielt wird die enorme Leistungssteigerung in erster Linie durch die Erschließung höherer Frequenzbereiche bis hin zu mmWave. Während LTE ausschließlich im Sub-6-GHz-Bereich übertragen wird, umfasst 5G NR (New Radio) Frequenzen von 1 GHz bis zu 100 GHz. Diese höheren Frequenzbereiche ermöglichen deutlich mehr Bandbreite und höhere Datenübertragungsraten. Ein Nachteil ist allerdings die geringe Reichweite: Ein LTE-Mast kann beispielsweise 2 bis 3 Kilometer funken – eine 5G-Station im mmWave-Bereich nur wenige hundert Meter. Das stellt Netzbetreiber beim Roll-out von 5G vor zwei wesentliche Herausforderungen: Zum einen müsste für eine ausreichende 5G-Versorgung eine hohe Zahl neuer Basisstationen errichtet werden. Zum anderen sind niedrige Bänder, die eine höhere Reichweite ermöglichen würden, bereits weitestgehend von LTE belegt.

Wie kann unter diesen Umständen die 5G-Bereitstellung sinnvoll beschleunigt werden? Üblicherweise wird beim Roll-out ein statischer Ansatz verfolgt, der grundsätzlich zwei Optionen bietet: Netzbetreiber können das Spektrum bestehender Mobilfunkgenerationen neu besetzen (Refarming) oder Lizenzen für ungenutzte Spektren erwerben – die Umsetzung beider Methoden ist jedoch langwierig und teuer. Zudem besteht bei der Neuvergabe von LTE-Frequenzen das Risiko, dass die Verfügbarkeit von 4G eingeschränkt wird, Kapazitätsengpässe auftreten und Interferenzen entstehen.

Da die Zahl der Netzteilnehmer ohne 5G-fähige Endgeräte in den nächsten Jahren noch überwiegen wird, müsste also die Mehrheit der Nutzer mit einer verminderten Netzperformance auskommen. Der statische Ansatz ist zur Einführung von 5G daher nur begrenzt sinnvoll.

DSS ermöglicht Einführung von 5G in vorhandenen LTE-Netzen

Deutlich effizienter lässt sich der Übergang von 4G zu 5G mit Dynamic Spectrum Sharing (DSS) realisieren. Die dynamische Methode erlaubt den parallelen Betrieb beider Funkstandards im selben Frequenzbereich (Non-Standalone). Hierzu ist lediglich ein Software-Upgrade notwendig – anschließend können bestehende LTE-Antennen auch 5G aussenden.

Die DSS-Technologie entscheidet dabei in Echtzeit, welche Kanalressourcen im jeweiligen Frequenzband für LTE oder 5G genutzt werden, sodass das Netz flexibel auf die Anforderungen der Nutzer reagieren kann. Ist beispielsweise eine hohe Zahl 5G-fähiger Endgeräte in der Funkzelle aktiv, werden entsprechende Bandbreitenkapazitäten bereitgestellt und die Ressourcen für LTE reduziert. Erhöht sich hingegen der Anteil an 4G-Geräten, kann umgedreht mehr Bandbreite für LTE verwendet werden.

Da DSS typischerweise im niedrigen 6-GHz-Bereich eingesetzt wird, steigt zugleich auch die Reichweite der 5G-Signale, wovon insbesondere der ländliche Raum profitiert. Auf diese Weise kann der 5G-Netzausbau erheblich beschleunigt werden, ohne dass kostenintensive Investitionen für die Aufrüstung oder den Neubau von Basisstationen und Funkmasten anfallen.

Beachtet werden sollte allerdings, dass mit diesem Ansatz nicht so hohe Geschwindigkeiten wie mit Standalone-5G erzielt werden können. Abhängig von der Nachfrage bietet es sich daher an, in Arealen mit hohem Teilnehmeraufkommen – wie Innenstädten, Flughäfen und Einkaufszentren – 5G zusätzlich über höhere Frequenzbereiche auszusenden, die deutlich mehr Bandbreite ermöglichen.

Funktionalitätssicherung bei DSS-Aktivierung unverzichtbar

Damit LTE- und 5G- Signale gleichzeitig ausgesendet werden können, nutzt DSS komplexe Algorithmen zur Aufteilung der Kanalressourcen. Bereitet dabei nur eine der Teilfunktionen Probleme, können Fehler in der Kapazitätsverwaltung sowie Interferenzen und Signalstörungen auftreten. Um die reibungslose Funktionalität der DSS-Technologie sicherzustellen, sind Netzbetreiber bei der Aktivierung und im laufenden Betrieb daher an umfangreiche Tests der Funkzugänge gebunden. Unterstützung bietet hierbei etwa der CellAdvisor 5G von Viavi Solutions, ein tragbarer Analysator für Mobilfunk-Basisstationen. Die Testlösung identifiziert durch Over-the-Air-Messungen spektrale sowie signaltechnische Probleme und validiert die Leistung von LTE- und 5G-Netzen.

Insgesamt kann mit der zuverlässigen Einführung von DSS der Ausbau von 5G-Netzkapazitäten erheblich beschleunigt werden. Langfristig wird auf diese Weise zudem die Grundlage für die schrittweise Einführung von Standalone-5G-Netzwerken geschaffen.

Über den Autor

Christian Orphall ist Solution Engineer bei Viavi Solutions in Berlin. Dort ist er Ansprechpartner für alle Fragen zu Mobility sowie 5G Lab- und Fieldtests.

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