Funkzelle als Deckenlampe: Die Zukunft von 5G bietet viele Überraschungen

Einmal im Jahr lädt Huawei zu einem Forum ein, bei dem der chinesische Smartphone- und Netzwerk-Spezialist einer ausgesuchten Öffentlichkeit die neuesten Entwicklungen im Mobilfunk präsentiert. 2023 fand das Mobile Broadband Forum in Dubai statt und war eine beeindruckende Demonstration, wie weit sich 5G in den vier Jahren seit Einführung weiterentwickelt hat.

Zu den Trends dieses Jahres, das fast schon die Halbzeit zwischen dem 4G- und dem für 2028 erwarteten 6G-Standard markiert, gehört etwa der als 5.5G oder 5G Advanced deutlich erweiterte Funktionsumfang. Ins Spiel kommen um eine Größenordnung erhöhten Geschwindigkeiten um 10 Gbit/s im Down- und 1 Gbit/s im Uplink, und ähnlich große Steigerungen bei der Anzahl der möglichen Verbindungen, der Genauigkeit der Positionsbestimmung und der Zuverlässigkeit.

Dies geht einher mit erhöhter Intelligenz in Bezug auf autonomes Fahren, aber auch auf Netzwerkbetrieb und Management. Dies soll der in den 3GPP Releases 18 bis 20 beschriebene Standard bei einer um den Faktor 10 verringerten Latenz und einem ebenso stark verringerten Energieverbrauch in Bezug auf die übertragene Datenmenge erreichen.

Doch auch Trends wie FWA² (Fixed Wireless Access Squared), Red Cap (Reduced Capabilities), MetaAAU (Meta Active Antenna Units), durch den technischen Fortschritt mögliche Produkte wie Glass Free 3D, Displays die 3D-Bilder und Filme zeigen, die ohne Shutter- oder Farbfilter-Brillen sichtbar sind, und LampSite X, miniaturisierte, leistungsfähige Mobilfunkstationen für lokal begrenzte Versorgung präsentierte Huawei dem interessierten Publikum.

Mobilfunkzelle im Format einer kleinen Deckenlampe

Huawei zeigte unter dem Namen LampSite X Serie laufende quadratische und flache Mobilfunkstationen in mehreren Ausführungen. Diese sind mit einem Volumen von 1 bis 2 Litern und einem Gewicht von 1 bis 2 Kilo so klein und leicht, dass sie von „einer Person, mit einer Hand“ auf jeder flachen Oberfläche zu montieren sind.

Bei den Frequenzbändern sind zurzeit Kombinationen von Sub 1GHz (900 MHz), Sub 3GHz (1,8, 2,1 und 2,6 GHz), C-Band (um 3,6 Ghz) und mmWaves (24,5 bis 29,5 GHz) möglich. Live demonstriert wurde eine LampSite, die das C-Band mit Millimeterwellen kombinierte und so ein Huawei Mate 40 pro (hier unser Test)/CPE WIN mit über 10 Gigabit pro Sekunde versorgte.

Das X steht dementsprechend auch für eine deutlich erhöhte Übertragungskapazität, aber auch für erweiterte Fähigkeiten. So lassen sich mit LampSite’s auch Upload-Raten von 1 Gbit/s erreichen, 99,999 % sichere Übertragungen bei nur 4 ms Latenz und Positionsbestimmungen, die mit 90 % Sicherheit auf einen Meter genau sind.

Zudem verfolgt Huawei mit den LampSite’s ihre auch an anderer Stelle propagierte „0 Bit 0 Watt“-Strategie. Die besagt, dass der Verbrauch einer Box, die während der Stoßzeiten knapp 30 Watt betragen mag, bei fehlender Nutzung auf unter 1 Watt zurückgeht.

Zur Vorstellung wies Yang Chaobin, Mitglied des Huawei Vorstandes und Präsident für ICT Produkte & Lösungen bei Huawei zudem darauf hin, dass sich die Leistungsstarken LampSite-Boxen auch von mehreren Netzbetreibern gleichzeitig nutzen lassen.

Das ist ein enormer Vorteil beim Ausbau etwa von Bahnhöfen, Einkaufszentren, Flughäfen und anderen schwer auszubauenden Orten. Denn an solchen Plätzen können die Netzbetreiber den Ausbau unter sich aufteilen. Ein solches Teamwork, die Schweizer Bahn SBB hat es beim Tunnelausbau schon vor Jahrzehnten vorgemacht, reduziert die Kosten und beschleunigt den Ausbau enorm.

Doch auch für Campus-Netze, etwa in anspruchsvollen industriellen Fertigungsstätten, sind die LampSite’s mit ihrer einfachen Montage, ihrer hohen Geschwindigkeit, ihrer Genauigkeit bei der Lokalisierung, ihrer minimalen Latenz und hohen Zuverlässigkeit ein interessanter Baustein für die Fabriken der Zukunft.

Große Schritte in der Antennentechnik

Dem ständig steigenden Datenhunger der Mobilfunknutzer versuchten die Netzbetreiber bisher auf dreierlei Weise gerecht zu werden. Über sich von 2G bis 5G ständig verbesserte Mobilfunkstandards ließen sich immer mehr Daten mit dem zur Verfügung stehenden Spektrum übertragen.

Durch die ständig steigende Anzahl an Mobilfunkzellen, hat jede einzelne Zelle weniger Personen zu versorgen, was gleichbedeutend mit höheren Transferraten pro Person ist. Und über mehr zur Übertragung zur Verfügung stehendes Spektrum konnten sich die proportional zur Bandbreite entwickelnden Übertragungsgeschwindigkeiten steigern lassen.

Doch jeder zusätzliche Standort für eine Mobilfunkstation kostet die Betreiber zusätzliches Geld und auch die für zusätzliche Frequenzbänder nötigen Zusatzantennen überfordern manchen Mobilfunkstandort, sei es durch die Gewichts- und Windlast auf den Masten, sei es durch die durch Regularien begrenzte maximale Strahlungsleistung.

Diesen für Netzbetreiber in die Kosten gehenden Beschränkungen wirkt Huawei bei 5.5G mit einigen unter dem Oberbegriff MetaAAU zusammengefasste Techniken entgegen. Dabei steht AAU für Active Antenna Unit, meint die aus vielen Einzelelementen bestehende Antenne einer Mobilfunkzelle.

Als Alternative zu einer typischen 64T AAU, die mit 64 Sendern (T: Transmitter) und 192 Antennenelementen hat Huawei eine 128T MetaAAU mit über 500 wesentlich kleineren Antennenelementen realisiert. Dies sogenannte Extremely Large Antenna Array (ELAA) erzielt eine dreimal größere Richtwirkung.

Diese höhere Bündelung, die eine Ultra-High Resolution Beam Algorithm genannte Ansteuerung der Einzelelemente erfordert, hat den Vorteil, dass man eine größere Anzahl von Nutzern mit jeweils eigenen Datenströmen im gleichen Spektrum versorgen kann, was dem Einzelnutzer deutlich gesteigerte Bandbreite bringt. Das macht diese Form der Antennen gerade für Hotspots mit überdurchschnittlich vielen zu versorgenden Menschen interessant.

Die feiner gerichteten Strahlen sorgen zudem dafür, dass weniger Signal am Datenempfänger vorbei gestrahlt wird, was den Energieverbrauch der Mobilfunkzelle deutlich senkt. Und sie ermöglichen es, dass mit der maximal zur Verfügung stehenden Sendeleistung eine größere Fläche mit hohen Datenraten abgedeckt wird.

Wer jetzt mit einiger Berechtigung einwendet, dass solche ELAA-Zellen wohl hauptsächlich für stark besiedelte Innenstädte in Frage kommen, bei denen die Dichte der Mobilfunkstationen so hoch ist, dass weiträumige Abdeckung keine Rolle spielt, sollte auch die Indoor-Versorgung im Auge haben.

Denn auch die profitiert von den besser gerichteten, weiter reichenden Strahlen. Und um die Innenraum-Versorgung ist es auch in vielen Stadtwohnungen und gewerblichen Gebäuden nicht gut bestellt.

Die Extremely Large Antenna Arrays lassen sich noch auf andere Weise nutzen, etwa als Dual Band Fusion ELAA. Dabei werden gleich zwei Bänder über eine Antenne mit mehr als 500 Elementen übertragen. Tiefe Frequenzen nutzen einem Schaubild von Huawei zu Folge eher die oberen und unteren Bereiche und Teilbereiche weiter innen, während der verbliebene Teil der inneren Elemente für die höheren Frequenzen zuständig ist.

Der Verzicht auf eine zweite Antenne soll die Standort-Mietkosten um etwa 30 Prozent senken. Und auch die Energiekosten können durch das Team-Work gesenkt werden, da bei sehr geringem Datenverkehr nur das meist mit weniger Bandbreite ausgestattete untere Band laufen muss, bei steigendem Aufkommen das obere und in der Hauptnutzungszeit dann beide. Auch bei dieser Antennenform sieht Huawei Hotspots als eines der wichtigsten Anwendungsgebiete, doch auch für Fixed Wireless Access und andere Aufgaben bringt die Dual-Band-Fusion-Technik Vorteile.

Eine dritte Variante der neuen 5G-Advanced-Antennengeneration sind die Ultra-Wide Bandwidth MetaAAU. Damit sind Antennen-Arrays gemeint, die eine sehr große Bandbreite übertragen können, etwa die vollen 800 MHz von 3,4 GHz bis 4,2 Ghz im C-Band. Dabei hat Huawei die Möglichkeit geschaffen, einzelne, auch auseinanderliegende (fragmentierte) Teile des Spektrums gemeinsam zu nutzen, wenn dem Netzbetreiber nur diese zur Verfügung stehen.

Noch interessanter dürfte in vielen Fällen sein, dass sich die Netzbetreiber, die in vielen Ländern im C-Band nur jeweils einen Teil des Spektrums besitzen, sich die Ultra-Wide Band MetaAAU auch teilen können, was Energie- aber auch Aufbau- und Betriebskosten signifikant senkt. Es gilt das bei der Lamp-Site-X-Serie gesagte.

5G Advanced wird immer grüner

Zu den neuen Antennen präsentierte Huawei natürlich auch die passende Mobilfunkstations-Technik und die zugehörigen Kern-Netz-Elemente. Trends gehen auch hier in Richtung der Reduktion des Energieverbrauchs. So lassen sich etwa neue Leistungsverstärker, die zur Ansteuerung der Antennen nötig sind, mittlerweile auch für bis zu drei Bänder gleichzeitig nutzen, und auch das Abschalten von Außerhalb der Stoßzeiten nicht benötigten Ressourcen, siehe 0-Watt-0-Bit weiter oben, ist auch auf den signalverarbeitenden Ebenen von hoher Priorität.

Doch auch auf intelligentes Management und Betrieb mittels AI legt Huawei immer größeren Wert. Das führt letztlich über eine bedarfsgerechtere Ressourcen-Verwaltung zu weiteren Energieersparnissen. Green 5G schien auf dem Mobile Broadband Forum an allen Ecken hervor.

Kostengünstiger Ausbau unter schwierigen Bedingungen

Neben den unter ELAA und MetaAAU beschriebenen Antennen für den hochkapazitiven, aber dennoch energie- und ressourcensparenden Mobilfunkausbau hat Huawei auch für die ökonomische Versorgung dünnbesiedelter Gebiete eine Lösung, die schon beim Mobile World Congress in Barcelona in diesem Jahr einen Global Mobile Award gewinnen konnte.

Die RuralLink getaufte Mobilfunkstation ist eine All-In-One-Lösung um Mobilfunk auch dahin zu bringen, wo ein Netzausbau normalerweise unwirtschaftlich ist. Dafür braucht die RuralLink keine Netzversorgung, ihre Energie zieht sie aus zwei 540-Watt-Solarmodulen und einer Batterie, die mit 57 Volt und 100 Amperestunden auch lange Zeit ohne Sonne überbrücken kann. Die Anbindung an das Core-Netzwerk des Mobilfunkanbieters erfolgt über eine Richtfunkstrecke, so dass auch hier kein Kabel notwendig.

Die gesamte Basisstation soll von einer Person innerhalb eines Tages aufgebaut werden können und dann bis zu 5000 Menschen die Verbindung in die digitale Welt ermöglichen. Und das für eine lange Zeit, denn die Solar-Panel sind mit einer Lebensdauer von 25 Jahren angegeben, die Batterie mit 3500 Ladezyklen (0,5 C; 85 % Depth of Discharge) und die ganze Station ist mit einer intelligenten Diebstahlsicherung ausgestattet.

Reduzierte Möglichkeiten für erweiterte Einsatzgebiete

Doch neben dem immer besser, schneller, universeller und intelligenter werdenden Mobilfunkstandard spielen besonders auf der Endgeräteseite auch die Kosten eine Rolle. Hier ermöglicht es der auch als Lightweight 5G bezeichnete RedCap-Standard (Reduced Capabilities) zugunsten geringerer Preise für das Funk-Modem und eines geringeren Energieverbrauchs auf die vollumfängliche Ausnutzung aller Features der letzten Mobilfunkgeneration zu verzichten.

So kann bei der genutzten Bandbreite, der Anzahl der Sende- und Empfangskanäle und auch bei den Modulationsverfahren und damit bei den gleichzeitig zu übertragenden Bits gespart werden. Nichtsdestotrotz können Geräte nach dem RedCap-Standard, der etwa in China schon seit April 2023 in Pilot-Projekten bei allen Netzbetreibern in der Erprobung ist, sehr hohe Ansprüche erfüllen.

Für Industrie-Applikationen verbindet RedCap etwa die Kombination aus Slicing, dem Aufteilen des physikalischen Datenstroms in sich nicht gegenseitig beeinflussende virtuelle logische Übertagungskanäle mit extrem zuverlässigen Übertragungen sehr geringer Latenz (uRLLC: Ultra Reliable Low Latency Communications) und hochpräzisem Timing.

Für Drohnen, die etwa zur Inspektion von Industrieanlagen eingesetzt werden, ist die mögliche Kombination von uRLLC und niedrigem Energieverbrauch ein großer Vorteil von RedCap.

Für Wearables wie Smartwatches, smarte Brillen, Fitness-Bändern und ähnliches erweist sich der geringe Energieverbrauch von dafür optimierten RedCap-Modems als großes Plus. Auch die geringe Komplexität der Implementation und die mögliche Miniaturisierung dürften hier ein großer Vorteil sein, zumal Datenraten von bis zu 50 Mbit/s im Down- und bis zu 5 Mbit/s im Uplink auch mit RedCap möglich sind.

Festnetzzugang über 5G

Die Achilles-Ferse beim Festnetzausbau ist oft die sogenannte letzte Meile. Damit ist die Verbindung zwischen dem letzten Übergabepunkt und der Wohnung oder dem Haus gemeint. Denn die ehemals zur Telefonie genutzten Zweidraht-Leitungen werden modernen Ansprüchen an schnelles Internet kaum mehr gerecht. Und auch TV-Kabel sind mit ihrer Asymmetrie zwischen schnellem Down- und gemächlichem Upload zumindest für kreative Menschen oft keine echte Alternative. Das Ausheben eines Kabelschachts, um eine Anbindung ans schnelle Glasfasernetz zu schaffen, ist in der Regel jedoch mit sehr hohen Kosten verbunden.

Hier kann Fixed Wireless Internet (FWA), die Überbrückung der letzten Meile mit einer schnellen drahtlosen Verbindung, am besten nach dem 5G-Standard, eine willkommene Abhilfe schaffen. Das gilt besonders, wenn es als FWA Square (FWA²) als auf den Kunden zugeschnittenes Angebot daherkommt. Hier sieht Huawei die Möglichkeit mit FWA Pro und sehr hohen Datenrate High-End-Nutzer zu begeistern, mit HFWA BIZ und garantierten Up- und Download-Geschwindigkeiten die anspruchsvolle Business-Kundschaft zu überzeugen und mit FWA Lite eine preisgünstige Grundversorgung zu etablieren, die auch solchen Kunden entgegenkommt, die möglicherweise schon bisher mit 4G zufrieden waren.

3D-Genuss ohne Brille

Eine auch für Endverbraucher spannende Technik, die von den hohen Datenraten und geringen Latenzen der kommenden 5G-Ausbaustufen auch profitiert, präsentierte Zhang Jing, die für Stereoscopic Displays zuständige Projekt-Managerin von TCL CSOT unter dem Namen Glasses-free 3D. Ausgehend von natürlichen Objekten entsteht die räumliche Wahrnehmung durch die unterschiedlichen Blickwinkel der beiden Augen. Aus den hieraus resultierenden unterschiedlichen Bildern kann das Gehirn die Dreidimensionalität rekonstruieren. In der Optik nennt sich das Binokulare Raumwahrnehmung, die Ursache der unterschiedlichen Bilder ist die sogenannte Parallaxe.

Bisherige 3D-Displays erforderten Brillen mit Farbfiltern oder Blenden, um jedem Auge das für einen 3D-Effekt nötige leicht unterschiedliche Bild zu präsentieren. Da bei für solche Brillen aufbereiteten Bildern immer von einem festen Abstand der Augen zueinander und einer festen Position zur Leinwand oder zum Display ausgegangen werden muss, fügen sich die beiden Bilder praktisch nie hundert Prozent so wie bei einem natürlichen Objekt zusammen. Diese Unstimmigkeiten führen zu Ermüdungserscheinungen bis zu Schwindelgefühlen, wie sie viele Zuschauer bei 3D-Filmen schon einmal erlebt haben.

Um auf eine Spezialbrille verzichten zu können ist ein Display nötig, dass für die unterschiedlichen Blickwinkel der beiden Augen mindestens zwei unterschiedliche Bilder erzeugen kann. Ein Schritt zur besseren 3D-Widergabe ist es nun, die Position der Augen in die vom Display erzeugten Bilder miteinzubeziehen, um ein immer an den Zuschauer angepasstes Bild zu liefern.

Hierzu ist eine Kamera nötig, die die Augenposition jederzeit trackt und die nötige Aufbereitung der Bilder für die gemessenen Augenpositionen. Das gelang in einer Demonstration während des MBBF auch für einen sich bewegende Betrachter und Bewegtbilder sehr realistisch. Man fühlte sich versucht nach dem vor dem Display projizierten Objekten zu greifen.

China Star Optoelectronics Technology (CSOT) hat aber auch einen Weg gefunden um 3-dimesionales Bild- und Video-Material so aufzubereiten und darzustellen, dass für viele vor einem Display stehende Zuschauer ein jeweils angepasstes räumliches Bild erscheint.

Hier erzeugt das Display für sehr viele verschiedene Blickwinkel, von einer hohen zweistelligen Zahl war bei der Demo die Rede, jeweils eigene stereoskopische Bilder. Damit waren auch ohne Eye-tracking mehrere Personen und auch Bewegungen vor dem Display möglich, ohne dass die Illusion zusammenbrach.

Die als „Glasses-Free 3D“ bezeichnete Technik ist sicher neben Gaming, Sport-Übertragungen und Filmen auch für Gesundheitswesen, Ausbildung und generell die Kommunikation interessant. Doch wer jetzt an eine Telefonkonferenz in 3D denkt, sollte die nötigen hohen Übertragungsraten bedenken.

Womit wir wieder beim Mobilfunk wären. Ein 3D-Film in 4k Auflösung ließe sich mit geschätzten 24 Mbps gerade noch über eine konventionelle 5G-Verbindung übertragen, für plastisches Video in 8k Auflösung sind schon ungefähr 96 Mbps nötig. Hier kommt, wie wahrscheinlich oft in der Zukunft, 5.5G zum Zug.

Fazit

Wer geglaubt hätte, mit schnellem mobilem Internetzugang inklusive hochauflösender Videos würde sich die Entwicklung der Mobilfunknetze entschleunigen, wurde auf dem Mobile Broadband Forum in Dubai eines Besseren belehrt. Huawei hat gezeigt, dass sich Mobilfunk nicht nur in immer neuen Feldern vorteilhaft nutzen lässt, sondern dass auch die Nachhaltigkeit immer stärker in den Fokus tritt. Dabei kann sich der langjährige Beobachter der Entwicklung des Eindrucks nicht erwehren, dass die Entwicklung sich sogar beschleunigt, und dass betrifft sowohl die Produkte als auch die Verbreitung. Hier zeigen sich die Vorteile eines durch starke Teilnehmer getriebenen Innovativen Marktes.