QoSMOS-Partner forschen weiter an Zukunft des Mobilfunks

Vermietete Spektren und neue Modulationen sollen 5G antreiben

| Autor / Redakteur: Dirk Srocke / Andreas Donner

Bandbreite ist nicht alles. Das 5G Lab untersucht auch Anwendungen, bei denen es auf geringe Latenzen ankommt.
Bandbreite ist nicht alles. Das 5G Lab untersucht auch Anwendungen, bei denen es auf geringe Latenzen ankommt. (Bild: D. Öhmann, 5G Lab Germany)

Naturgemäß soll der kommende Mobilfunkstandard 5G deutlich leistungsfähiger werden als der Vorgänger LTE. Ermöglichen könnten das kurzfristig vermietete Spektren und neue Modulationsverfahren.

Etwas verspätet wirkte es schon, als die Europäische Union Ende Mai eine Mitteilung zum bereits 2013 abgeschlossenen Projekt QoSMOS herausgab. Dabei haben die Akteure des „Quality of Service and MObility driven cognitive radio Systems“ nicht nur einen Grundstein für die kommende Mobilfunkgeneration 5G gelegt, sondern arbeiten noch immer an einem praktikablen Standard.

Hintergrund: QoSMOS

Das Anliegen des QoSMOS-Projekts klingt vertraut: Begrenzte Funkspektren sollen effizienter genutzt werden, um auf wachsende Datenmengen und einem zunehmenden Preisdruck reagieren zu können. Die EU hat das Unterfangen mit 9,4 Millionen Euro aus dem 7. Rahmenprogramm gefördert. Am QoSMOS-Konsortium beteiligten sich 15 – fast ausschließlich europäische – Forschungseinrichtungen und Unternehmenspartner. Koordiniert wurde das Projekt von British Telecommunications (BT).

Projektkoordinator Michael Fitch von BT erklärte: „Das Ziel ist es, isoliert genutzte Bereiche abzubauen [...] Jeder neue Dienst und jede neue Technologie benötigt einen neuen Frequenzbereich, und wenn viele verschiedene Geräte jeweils über ihren eigenen Bereich verfügen, entstehen solche isoliert genutzten Bereiche.“

Vision vom Mikro-Handel mit Frequenzbereichen

Diese Bereiche sollen künftig deutlich flexibler als bisher genutzt werden. Das könne sogar soweit gehen, dass Besitzer von Frequenzbereichen diese Spektrumressourcen für kurze Zeiträume an andere Teilnehmer vermieten.

Hierfür hat QoSMOS folgende technische Grundlagen entwickelt:

  • einen zentralen Manager, der das „Portfolio“ des Spektrums einer Region oder eines Landes in Echtzeit steuert,
  • eine Ressourcenverwaltung, die das Spektrum einzelnen Systemen zuweist und die Umgebung überprüft,
  • ein Terminal für kognitiven Funk.

Zudem ist dem Projekt der Prototyp eines Sende-Empfängers entsprungen, der FBMC-Wellenformen (Filter Bank Multicarrier) erzeugt. Begründung: FMBC teile das Spektrum so in rechteckige Blöcke ein, dass es dicht gepackt ist und effizienter genutzt werden könne. Damit sei das Verfahren der aktuell weit verbreiteten, und für LTE-Netze verwendeten OFDM-Technologie (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) überlegen und werde diese ersetzen.

Ausgangspunkt für weitere Forschungen

Das französische Commissariat à l’Energie Atomique führt aktuell die Entwicklung des FBMC-Sende-Empfängers weiter. Zudem prognostiziert die oben erwähnte Mitteilung: „Mehrere Konsortiumsmitglieder werden die Technologie für das Spektrummanagement wahrscheinlich vermarkten. Darüber hinaus ist die britische Behörde Ofcom laut Fitch bereit, die TV-White Spaces ab 2015 zu kommerzialisieren.“

Lage in Deutschland

Die Bundesnetzagentur (BNetzA) bremst die vollmundigen Ankündigungen derweil etwas aus. Bevor für Mobilfunk in Frage kommende Spektren für eine parallele Nutzung durch mehrere Teilnehmer freigegeben und lizenziert werden könnten, müsste die Internationale Fernmeldeunion (ITU) zunächst einmal den Frequenznutzungsplan für die Region 1 anpassen – und davon hat die BNetzA bislang keine Kenntnis.

Auch das als OFDM-Nachfolger gesetzte Modulationsverfahren FMBC ist keineswegs ohne Konkurrenz. QoSMOS-Partner Alcatel-Lucent präsentierte kürzlich etwa die Wellenform Universal Filter Orthagonal Frequency Division Multiplexing (UF-OFDM) als „führende[n] Anwärter für die Standardisierung“ von 5G-Netzen. Die Funkwellenform sei ideal für die Kombination von Datenverkehr von Smartphones und dem hohen Volumen von Daten, die von Sensoren erzeugt werden.

Am Potenzial der Luftschnittstelle wollen die zu Alcatel-Lucent gehörenden Bell Labs künftig mit dem 5G Lab Germany forschen, das an der TU Dresden angesiedelt ist. Die TU-Dresden war übrigens ebenfalls am QoSMOS-Projekt beteiligt und koordiniert ein Mobilfunk-Testbed im Rahmen des CREW-Projekts.

Steffen Watzek, Programm-Manager am Vodafone Stiftungslehrstuhl Mobile Nachrichtensysteme der TU Dresden, gibt zu bedenken: „Funksysteme der Zukunft müssen flexibel sein, um unterschiedlichste Übertragungssituationen zu erfüllen.“ Watzek skizziert dabei folgende drei Szenarien:

  • Mobile Breitbandkommunikation mit sehr hohem Datendurchsatz, beispielsweise für HD-Video;
  • M2M-Kommunikation mit kurzen Datenpaketen und sehr vielen Teilnehmern, etwa für autonome Verkehrsmittel;
  • Echtzeit-Anwendungen (Taktiles Internet) mit geringen Latenzen, etwa für telemedizinische Einsatzgebiete.

Pro und Kontra einzelner Modulationsverfahren

Gerade für die zuletzt genannten Anwendungen dürfte FBMC kaum die erste Wahl darstellen. Watzek erklärt: „FBMC (Filterbank Based Multi Carrier) wendet einen Pulsformungsfilter auf jeden einzelnen Unterträger an. Die Außerbandstrahlung wird dadurch erheblich reduziert. Je nach Wahl des Filters, verlängert sich die zeitliche Länge eines Datenpaketes. Um eine möglichst niedrige Außerbandstrahlung zu erreichen, muss das Filter zeitlich sehr lang ein- und ausschwingen. Scharfe Filterflanken und ein Abstand von mindestens einem Unterträger zwischen verschiedenen Nutzern erlauben nicht-synchronisierte Übertragungen zwischen mehreren Teilnehmern. FBMC eignet sich für Mobile Breitband Kommunikation, da lange, kontinuierliche Datenströme zu erwarten sind. Latenzkritische oder Datenübertragungen mit kurzen Paketen werden durch die Filter verlangsamt. FBMC ist nicht kompatibel zu OFDM basierenden Systemen, denn die Daten werden ohne zyklisches Präfix, Streaming-artig übermittelt.“

Bei UF-OFDM/UFMC (Universal-Filtered Multi-Carrier) werde ein Pulsformungsfilter derweil auf mehrere Unterträger angewendet. Die – verglichen zu FBMC – höhere Filterbandbreite führe zu kürzeren Auf- und Abschwingzeiten. Damit ließen sich auch kürzere Datenpaketen effizient übertragen. Um zeitliche Überschneidungen zu vermeiden, müsse allerdings Synchronisation zwischen mehreren Teilnehmern beachtet werden. Ähnlich wie bei FBMC werde kein zyklisches Präfix verwendet.

Möglicher Mittelweg

GFDM (Generalized Frequency Domain Multiplexing) bildet laut Watzek einen Mittelweg zwischen OFDM und FBMC. Jeder Unterträger wird gefiltert, um die Außerbandstrahlung zu reduzieren, das zyklische Präfix werde allerdings beibehalten. Je nach Wahl des Pulsformungsfilters und anderer Parameter könne eine OFDM oder FBMC-kompatible Wellenform erzeugt werden.

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