Reichweite von 5G-Basisstationen (Technik)

H. Lamarr @, München, Sonntag, 02.12.2018, 15:07 (vor 1150 Tagen)

In der Theorie ist der Sachverhalt klar: Mit zunehmender Trägerfrequenz sinkt infolge zunehmender Pfadverluste die Reichweite einer Mobilfunkbasisstation. Einflussgrößen sind die Freiraumdämpfung sowie die Dämpfung im Ausbreitungsmedium Luft. So weit so gut.

Die Planungen für 5G sehen erstmals im Mobilfunk die Erschließung von Frequenzbändern oberhalb von 3 GHz vor, bislang war bei 2,6 GHz Schluss. Dies wirft die Frage auf, wie die Netzbetreiber 5G-Basisstationen in die vorhandene Infrastruktur ihrer Mobilfunknetze einbinden werden, wenn doch offensichtlich die Reichweiten bei 5G physikalisch bedingt kürzer sind als bei LTE, UMTS und GSM. Eine naheliegende Lösung ist die strukturelle Netzverdichtung. Doch es gibt technische Alternativen, die bis zu einem gewissen Grad die mit der Frequenz zunehmenden Pfadverluste kompensieren können.

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Reichweitenwunder mit Beamforming

H. Lamarr @, München, Sonntag, 02.12.2018, 15:15 (vor 1150 Tagen) @ H. Lamarr

Auszug aus teletarif.de vom 5. März 2017:

[...] erstaunlicher­weise empfiehlt der chinesische Mobilfunk-Ausrüster Huawei, 5G bei 3,5 GHz mit demselben Sendernetzwerk zu betreiben wie UMTS bei 2,1 GHz. Trotz des deutlichen Frequenz­unterschieds sei bei beiden Technologien eine ähnlich gute Abdeckung zu erwarten! Ob das sein könne, haben wir bei einem anderen Ausrüster nachgefragt, nämlich bei Ericsson. Dort bekamen wir die Antwort, dass das Ziel, die Reichweite von UMTS-2100 mit 5G-3500 zu erreichen, zwar sehr ambitioniert sei. Die erwartete Antwort: "Das geht nicht", blieb aber aus. Auch Ericsson geht also davon aus, dass 5G ein kleines Reichweiten­wunder vollbringt.

Die Maßnahmen, die die wundersame Vermehrung der Reichweite bringen sollen, sind vielfältig. Eine davon ist die laufende Verbesserung der Sender- und Empfängertechnik, so dass das Signal präziser ausgesendet und rauschärmer empfangen wird. Die Zahl der dauerhaft ausgesendeten Referenzsignale wurde drastisch reduziert, um die Störungen zwischen benachbarten Basisstationen (und den Stromverbrauch bei ruhigem Netz) zu reduzieren. Der Hauptteil des Reichweiten­gewinns soll aber mit Beamforming erzielt werden: Dabei werden viele kleine Antennen in der Basisstation elektronisch zu einer großen, gerichteten Antenne zusammengeschaltet. So kommt wesentlich mehr Nutzsignal beim Endgerät an, weil deutlich weniger Energie in die falsche Richtung gesendet wird.

Beamforming, von den Ausrüstern tendenziell etwas irreführend meist als Massive MIMO bezeichnet, war überhaupt so etwas wie der Star des diesjährigen Mobile World Congress. Gaben die Ausrüster vor zwei Jahren noch an, damit die Kapazität einer Zelle bei unveränderter Frequenz­ausstattung verdreifachen zu können, so sind sie inzwischen beim Faktor sechs angelangt. Denn mit einer Massive-MIMO-Antenne kann eine Basisstation nicht nur einen Strahl formen, sondern viele gleichzeitig. Im Optimalfall "fühlt" sich dann jedes Endgerät wie in einer leeren Zelle. Die Gesamtkapazität steigt dadurch drastisch: Beim Faktor sechs ist vermutlich noch nicht das Ende der Möglichkeiten erreicht.
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Beamforming

Mit Uplink-Downlink-Entkopplung weniger 5G-Antennen

H. Lamarr @, München, Sonntag, 02.12.2018, 15:38 (vor 1150 Tagen) @ H. Lamarr

Auszug aus golem.de vom 21. November 2018:

Ein Problem bei 5G, das gelöst werden muss, ist die geringe Reichweite bei 3,5 GHz, wodurch sehr viele neue Sites notwendig werden. Das sagte Ryan Ding, President der Carrier Business Group, am 21. November 2018 in London auf dem MBBF 2018 von Huawei. Laut Ding ist eine Lösung hier Uplink-Downlink-Entkopplung. Im Downlink setzt man weiterhin auf Massive-MIMO bei 3,5 GHz. Der Uplink aber erfolgt beispielsweise bei 1.800 MHz.

"Dadurch ist eine Abdeckung und Reichweite wie bei 1.800 MHz erreichbar. Dann müssen weniger Sites neu gebaut werden", erklärte Ding. Huawei arbeitet daran, dass dies in den 5G-Standard aufgenommen wird. Das Thema ist jedoch nicht ganz neu und wurde bereits auf dem Mobile World Congress in Barcelona im Winter 2018 diskutiert.

Ein breites 5G-Netz in Deutschland bei 3,5 GHz würde laut Angaben der Telefónica pro Netzbetreiber über 200.000 neue Mobilfunkstandorte in Deutschland erfordern. Andere Berechnungen gehen bei einem flächendeckenden Ausbau von rund 190.000 neuen Sites pro Betreiber aus.

Weitere Probleme bei 5G seien die schwierige Installation von Massive MIMO und das Platzproblem an den vorhandenen Mobilfunkstandorten. Ding sagte: "Existierende Sites sind stark überfachtet. 70 Prozent haben nicht genug Platz für Massive MIMO." [...]

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Massive Mimo: weniger Basisstationen, weniger Mietkosten

H. Lamarr @, München, Dienstag, 04.12.2018, 19:03 (vor 1148 Tagen) @ H. Lamarr

Auszug aus 5G-OTA-/Massive-MIMO-Tests von Rohde&Schwarz:

5G-Netze sollen mehr Kapazität und Flexibilität bieten, allerdings zu möglichst niedrigen Betriebskosten. Die naheliegendste Methode zur Steigerung der Kapazität wäre die Erhöhung der Anzahl der Basisstationen im Netzwerk. Da diese Strategie jedoch mit hohen Miet- und Energiekosten verbunden wäre, ist sie für die Netzbetreiber wenig attraktiv. Ein vielversprechenderer Ansatz ist die Verwendung einer großen Zahl von Sende- und Empfangsantennenelementen mit Amplituden- und Phasensteuerung. Diese werden als Massive-MIMO-Systeme bezeichnet. Solche Systeme können auf verschiedene Weise betrieben werden. Sie können eingesetzt werden, um über Raummultiplexbetrieb mehrere vorcodierte Datenströme zuzulassen, um die Verstärkung mittels Strahlformung zu erhöhen oder für eine Kombination beider Techniken.

[image]In dem etablierten Sub-6-GHz-Frequenzspektrum verwenden die Basisstationen in der Regel eine große Zahl von Sende-/Empfangsantennenelementen, um mit parallelen Datenströmen mehrere Benutzer zu versorgen. Diese Technologie wird als Multi-User MIMO (MU-MIMO) bezeichnet. Demgegenüber macht die hohe Funkfelddämpfung im Zentimeterwellen- und Millimeterwellenspektrum hohe Antennengewinne notwendig, die durch dynamische Strahlformung realisiert werden. Indem einzelne Endgeräte mittels speziell zugeordneter Signale adressiert werden, reduziert sich der Energieverbrauch erheblich. Sowohl MU-MIMO als auch Beamforming erhöhen die Zellkapazität, ohne dass dazu zusätzliche Basisstationen installiert werden müssen.

Bildtext: Die Absorption durch Sauerstoff und Wasser in der Atmosphäre führt im Millimeterwellenbereich zu einer wesentlich stärkeren Signaldämpfung. Bild: Rohde&Schwarz

[...] Bei der Entwicklung eines aktiven Massive-MIMO-Antennensystems stehen die Ingenieure neuen Herausforderungen gegenüber – beispielsweise Phasenschiebertoleranzen, thermische Effekte der Leistungsverstärker und Frequenzdrift zwischen verschiedenen Modulen – die das gewünschte Strahlungsmuster beeinträchtigen können. In einem aktiven Antennensystem sind die Transceiver-Frontends in die Gruppenantenne integriert, was bedeutet, dass die herkömmlichen HF-Ausgänge nicht mehr erreichbar sind. Darüber hinaus ersetzt eine Glasfaserschnittstelle die herkömmlichen HF-Eingänge für digitale I/Q-Daten. Folglich werden Funktests (OTA, Over-the-Air) bei Massive-MIMO-Systemen zum Regelfall, auch für die Modellierung der räumlichen Eigenschaften des Übertragungskanals. Aufgrund der unterschiedlichen Größen von Massive-MIMO-Systemen sind für Tests unter Fernfeldbedingungen verschiedene Abschirmumgebungen notwendig.
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Hintergrund
Millimeter-Wave Beamforming: Antenna Array Design Choices & Characterization (White Paper)

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Millimeter-Wellen

5G reicht nur für einen Kilometer

H. Lamarr @, München, Samstag, 05.01.2019, 00:00 (vor 1117 Tagen) @ H. Lamarr

Auszug aus FAZ vom 03.01.2019:

Die Regierung will die schlechte Mobilfunkabdeckung in Deutschland mit dem superschnellen neuen Standard 5G lösen – ein utopisches Vorhaben sagt der Digitalverband Bitkom: Die Reichweite sei viel zu gering.

Die Mobilfunkfrequenzen, die im Frühjahr für den neuen Mobilfunkstandard 5G versteigert werden, können aus grundlegenden technischen Gründen keine flächendeckende 5G-Versorgung in Deutschland gewährleisten. Darauf hat der Mobilfunkexperte des Digitalverbands Bitkom am Donnerstag im Deutschlandfunk (DLF) hingewiesen.

„Die Frequenzen, die jetzt zur Verfügung gestellt werden, haben keine großen Reichweiten“ sagte Nick Kriegeskotte, Bereichsleiter Telekommunikationspolitik beim Bitkom, im DLF. Mit dem Spektrum könnten realistischerweise Entfernungen von einem Kilometer pro Antennenmast überbrückt werden. „Das heißt, man kann damit keine großen Flächen versorgen.“ [...]

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