Das Sub-6-GHz-Netz ist vollständig ausgebaut, warum entwickelt China immer noch 5G-Millimeterwellen?

Die globalen 5G-Netzfrequenzbänder lassen sich hauptsächlich in Sub-6-GHz- und Millimeterwellen-Frequenzbänder (mmWave) unterteilen. Das 5G-Millimeterwellennetz und das Sub-6-GHz-Netz stehen nicht in einem Konkurrenzverhältnis, bei dem man sich nur für eines von beiden entscheiden kann, sondern ergänzen sich. Die Entscheidung jedes Landes, welchen technischen Weg es zuerst einschlägt, hängt maßgeblich von den jeweiligen nationalen Gegebenheiten ab. Nachdem der Aufbau des 5G-Sub-6-GHz-Netzes in China ausgereift ist, steht nun auch der Aufbau von 5G-Millimeterwellennetzen auf der Agenda.

Im März 2020 veröffentlichte das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie die „Bekanntmachung zur Förderung der beschleunigten Entwicklung von 5G“. Darin wurde ausdrücklich darauf hingewiesen, dass „der Frequenznutzungsplan für bestimmte 5G-Millimeterwellenbänder zeitnah veröffentlicht und Millimeterwellengeräte sowie Leistungstests durchgeführt werden, um die kommerzielle Nutzung der 5G-Millimeterwellentechnologie vorzubereiten“. Am 30. April 2021 veröffentlichte das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie den Entwurf des „5G-Anwendungsaktionsplans ‚SAIL‘ (2021–2023)“ zur Kommentierung (im Folgenden „Entwurf“ genannt). Der Entwurf sieht vor, dass die Durchdringungsrate von 5G-Einzelnutzern in China bis 2023 40 % übersteigt und die Nutzerzahl 560 Millionen übersteigt. Gleichzeitig wird im Entwurf vorgeschlagen, „den 5G-Millimeterwellen-Frequenzplan zeitnah zu veröffentlichen und ein Bieterverfahren für 5G-Millimeterwellen-Frequenzlizenzen zu prüfen“. Dies bedeutet auch, dass nach dem vollständigen Ausbau des 5G-Sub-6-GHz-Netzes in China der Aufbau des 5G-Millimeterwellennetzes unmittelbar bevorsteht. Darüber hinaus betonte Tian Yulong, Chefingenieur des Ministeriums für Industrie und Informationstechnologie, auf einer Pressekonferenz des Informationsbüros des Staatsrats im März im Zusammenhang mit der Förderung einer qualitativ hochwertigen Entwicklung der Informations- und Kommunikationsbranche: „Der 5G-Netzausbau wird geordnet vorangetrieben und der Ausbau von 6G beschleunigt.“

5G-Millimeterwellen und Sub-6-GHz sind komplementär

Millimeterwellen sind elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen von 1 mm bis 10 mm und Frequenzen von 30 GHz bis 300 GHz. Im Bereich der Mobilkommunikation werden elektromagnetische Wellen zwischen 24 GHz und 100 GHz üblicherweise als Millimeterwellen bezeichnet.

Die Weltfunkkonferenz (WRC-19) der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) 2019 hat festgelegt, dass die Millimeterwellen-Frequenzbänder zwischen 24 GHz und 86 GHz für die internationale Mobilkommunikation (IMT) genutzt werden. Die Frequenzbänder 24.25–27.5 GHz, 37–43.5 GHz und 66–71 GHz sind die global integrierten IMT-Frequenzbänder.

Im Vergleich zum 5G-System im Sub-6-GHz-Bereich (Frequenzband unter 6 GHz) bietet die 5G-Millimeterwellenkommunikation eine extrem große Bandbreite von 24 GHz bis 100 GHz. Dies ermöglicht einzigartige Vorteile wie höhere Geschwindigkeit, geringere Latenz und eine flexible Konfiguration der Luftschnittstelle. Damit erfüllt sie effektiv die Anforderungen zukünftiger drahtloser Kommunikationssysteme hinsichtlich Systemkapazität, Übertragungsrate und differenzierter Anwendungen.

So zeigt beispielsweise die neueste Analyse von Ookla, die auf einer großen Menge gemessener Daten aus ihrer Speedtest-Anwendung basiert, dass das 5G-Millimeterwellen-Frequenzband die 16-fache Übertragungsrate des Sub-6-GHz-Frequenzbands erreichen kann.

Zweitens nutzt 5G die beiden Dimensionen von Subträgern und Zeitschlitzen zur Datenübertragung. Millimeterwellen zeichnen sich durch hohe Bandbreite, große Subträgerabstände und kurze zugehörige Zeitschlitze aus. Dadurch beträgt die Verzögerung bei 5G-Millimeterwellen nur etwa 25 % der Verzögerung im Sub-6-GHz-Frequenzband. Da Millimeterwellen zudem eine größere verfügbare Bandbreite und höhere Übertragungsraten bieten, ermöglichen sie auch eine höhere Kapazität für den Zugriff durch eine größere Bandbreite an Endgeräten.

Darüber hinaus ermöglicht die höhere Downloadrate von 5G-Millimeterwellen ein dichtes räumliches Multiplexing bei gleichzeitiger Reduzierung von Interferenzen. Dadurch lässt sich das Problem der Überlastung durch eine große Anzahl gleichzeitiger Internetnutzer im selben Gebiet besser lösen. Es eignet sich besonders für Anwendungen in dicht besiedelten Umgebungen wie Bahnhöfen, Flughäfen und Stadien.

In verwandten Anwendungsbereichen der Industrie, wie z. B. Live-Videoübertragungen in Ultra-HD-Qualität, Sicherheitsüberwachung, Telemedizin und einigen industriellen Anwendungen, bei denen hohe Anforderungen an die Upload-Geschwindigkeit und geringe Latenz gestellt werden, können die Eigenschaften der 5G-Millimeterwellentechnologie mit ihrer großen Uplink-Reichweite und geringeren Latenz diese Anforderungen besser erfüllen.

Es ist besonders hervorzuheben, dass 5G-Millimeterwellennetze ein Self-Backhaul realisieren können, ohne auf eine Verbindung zwischen Glasfasernetz und Kernnetz angewiesen zu sein. 5G-Netze im Sub-6-GHz-Band benötigen hingegen weiterhin herkömmliche Glasfaser-Backhaul-Lösungen. Das heißt, jede 5G-Basisstation muss über Glasfaser mit dem Kernnetz verbunden werden, was die Bereitstellungskosten erhöht. Die 5G-Millimeterwellen-IAB-Technologie (Integrated Access and Backhaul) ermöglicht es 5G-Millimeterwellen-Basisstationen, andere 5G-Millimeterwellen-Basisstationen als Relaisknoten zu nutzen und die Daten schließlich drahtlos über Multi-Hop-Funktionen an das Kernnetz anzubinden. Dies senkt die Bereitstellungskosten erheblich und ermöglicht einen kostengünstigeren und dichteren Netzausbau mit 5G-Millimeterwellen-Basisstationen.

Darüber hinaus kann die Millimeterwellentechnologie auch im 5G-Fahrzeug-zu-Allem-Bereich (V2X) eingesetzt werden, um Positionierungsdienste bereitzustellen, die die Genauigkeit von GPS und LTE bei weitem übertreffen (die Genauigkeit kann im Submeterbereich liegen).

Ma Hongbing, General Manager der Abteilung für Technologieinnovation von China Unicom, sagte: „Durch die Kombination von 5G-Millimeterwellen mit MEC- und KI-Technologien können Millimeterwellen maßgeschneiderte private Netzwerkdienste für Zielkunden bereitstellen und in Szenarien wie intelligenten Fabriken, intelligenten Parks und intelligenten Endgeräten breit eingesetzt werden.“

Obwohl Millimeterwellen im Vergleich zum Sub-6-GHz-Frequenzband Vorteile hinsichtlich Geschwindigkeit und Verzögerung bieten, weisen sie auch Einschränkungen auf. So sind Signale beispielsweise leicht zu dämpfen, haben eine geringe Eindringtiefe und werden leicht blockiert. Zwar gibt es mittlerweile Beamforming, Beam-Tracking und andere Technologien, die diese Probleme gut lösen können, doch bietet das Sub-6-GHz-Frequenzband nach wie vor größere Vorteile in Bezug auf Reichweite und Bereitstellungskosten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Ausbau von 5G-Millimeterwellennetzen und Sub-6-GHz-Netzen nicht miteinander konkurrieren oder sich ersetzen, sondern sich ergänzen. Sub-6-GHz ermöglicht eine flächendeckende 5G-Versorgung, während Millimeterwellensysteme die Abdeckung in Innenräumen (Sportveranstaltungen, Konzerte, Großkonferenzen), Verkehrsknotenpunkten (U-Bahn-Stationen, Hochgeschwindigkeitsbahnhöfen) und Bürogebieten sowie die Bereitstellung von Hotspots im Freien, drahtlosem Breitbandzugang usw. gewährleisten. Durch den koordinierten Einsatz von Millimeterwellen und Sub-6-GHz lässt sich eine optimale Kombination aus hoher Kapazität und flächendeckender Abdeckung erzielen.

Die Vorarbeiten für den Ausbau des 5G-Millimeterwellennetzes in China haben bereits begonnen und verlaufen reibungslos.

Wenn das Sub-6-GHz-Netzwerk das 5G-Abdeckungsproblem löst, dann kann das 5G-Millimeterwellennetzwerk die Vorteile von 5G maximieren und dadurch einen größeren Nutzen erzielen.

Meng Pu, Vorsitzender von Qualcomm China, sagte außerdem: „Um die ursprünglichen Designziele von 5G zu erreichen, müssen alle Spektrumressourcen genutzt werden. Die mittleren und niedrigen Frequenzbänder unter 6 GHz ermöglichen ein ausgewogenes Verhältnis von Abdeckung, Kapazität und Leistung, während die hochfrequenten Millimeterwellen über 24 GHz die ultimative 5G-Leistung und -Kapazität unterstützen und so ein drahtloses Verbindungserlebnis der nächsten Generation für viele Szenarien und Branchen sowie extrem zuverlässige und latenzarme mobile Kommunikation für vertikale Bereiche wie das industrielle Internet ermöglichen.“

Laut dem im September letzten Jahres von der GSMA veröffentlichten „5G Millimeter Wave Technology White Paper“ wird prognostiziert, dass 5G-Millimeterwellen bis 2035 565 Milliarden US-Dollar zum globalen BIP beitragen werden. Davon werden die wirtschaftlichen Vorteile, die sich direkt aus der Nutzung von 5G-Millimeterwellen-Frequenzbändern in China ergeben, vor 2034 etwa 104 Milliarden US-Dollar erreichen.

Aktuell haben die USA, Japan, Europa und Südostasien den Ausbau von 5G-Millimeterwellennetzen gestartet. Laut Daten der GSA vom März dieses Jahres investieren weltweit über 150 Netzbetreiber in die 5G-Millimeterwellentechnologie.

Gemäß dem Testplan für Millimeterwellen der China IMT-2020 (5G) Promotion Group begannen 2019 Millimeterwellentests zur Überprüfung der Schlüsseltechnologien und Systemmerkmale von 5G-Millimeterwellen. Ab 2020 werden die Funktionen, die Leistung und die Interoperabilität von Millimeterwellen-Basisstationen und -Endgeräten weiter verifiziert sowie die kollaborative Netzwerkfähigkeit im Hoch- und Niederfrequenzbereich getestet. Parallel dazu führte die China IMT-2020 (5G) Promotion Group zeitnah Verifizierungen typischer Anwendungsszenarien durch.

Im Oktober 2019 führten ZTE und Qualcomm unter der Organisation der IMT-2020 (5G) Promotion Group den ersten Smartphone-basierten 5G-Millimeterwellen-Interoperabilitätstest (IoDT) in China durch. Zwei Monate nach der Präzisierung der neuen Millimeterwellen-MIMO-OTA-Testmethode in der Anfang Juli 2020 veröffentlichten 3GPP-Version Rel-16 übernahm Qualcomm Ende September unter der Organisation der IMT-2020 (5G) Promotion Group die Führung bei der Durchführung des Millimeterwellen-Leistungstests auf Basis der 3GPP Rel-16 MIMO-OTA-Testmethode im MTNet-Labor der Akademie für Informations- und Kommunikationstechnologie. Damit war Qualcomm der erste Chiphersteller in China, der an allen zehn 26-GHz-5G-Millimeterwellen-Funkfrequenztests teilnahm und diese erfolgreich absolvierte.

Während die Tests im Millimeterwellenbereich planmäßig voranschreiten, werden die Eigenschaften der Chipprodukte kontinuierlich optimiert, um den Anforderungen des chinesischen Millimeterwellennetzes gerecht zu werden. Am 19. Mai 2021 kündigte Qualcomm die Einführung verbesserter Funktionen speziell für den Snapdragon X65 an, das weltweit erste 10-Gbit/s-5G-Modem und Funkfrequenzsystem, das im Februar auf den Markt kam: Es unterstützt eine Millimeterwellen-Bandbreite von 200 MHz und den Millimeterwellen-SA-Modus und erfüllt damit die wichtigsten Anforderungen für den Ausbau des Millimeterwellennetzes in China.

Angesichts der vielfältigen Anwendungsszenarien, in denen Millimeterwellen ihr Potenzial entfalten werden, unternehmen die Hersteller in Chinas Millimeterwellenindustrie große Anstrengungen. Am 21. Mai 2021 demonstrierten ZTE, Qualcomm und TVU Networks unter der technischen Leitung der IMT-2020 (5G) Promotion Group und China Unicom erfolgreich die weltweit erste 5G-Millimeterwellen-8K-Video-Backhaul-Dienstleistung auf Basis einer großen Uplink-Frame-Struktur im 26-GHz-Frequenzband (n258) in einer Laborumgebung.

In dieser Demonstration stellte ZTE eine 5G-Millimeterwellen-Basisstation bereit. Der 5G-Multi-Netzwerk-Aggregationsrouter von TVU Networks ermöglichte eine 5G-Millimeterwellenverbindung über ein CPE-Testgerät, das mit einem Qualcomm Snapdragon X55 5G-Modem und -HF-System sowie einem Qualcomm QTM527-Millimeterwellen-Antennenmodul ausgestattet war. Die in Echtzeit erfassten 8K-Videodaten wurden stabil über den 5G-Millimeterwellen-Uplink übertragen und konnten schließlich erfolgreich am Empfangsende wiedergegeben werden.

Gemäß dem 5G-Millimeterwellen-Testplan der IMT-2020 (5G) Promotion Group wird die Millimeterwellen-Uplink-Frame-Struktur 2021 eingeführt, um differenzierte Anwendungsszenarien zu unterstützen. Die Echtzeit-Rückführung von Ultra-HD-Videos, insbesondere 8K-Videos, stellt sehr hohe Anforderungen an die Uplink-Bandbreite des Mobilfunknetzes. Die in dieser Demonstration verwendete DSUUU-Frame-Struktur verdreifacht die maximale Uplink-Rate bestehender Millimeterwellen-Technologien durch die Zuweisung zusätzlicher Zeitschlitze für den Uplink. Die Demonstration bestätigte die hervorragenden Uplink-Fähigkeiten von 5G-Millimeterwellen, die für die Erfüllung der hohen Uplink-Bandbreitenanforderungen vieler 5G-Industrieanwendungen in Zukunft von großer Bedeutung sind.

Erwähnenswert ist, dass auf dem MWC Shanghai 2021 im Rahmen der von China Unicom und der GSMA veranstalteten und von Qualcomm unterstützten Ausstellung zum Thema 5G-Millimeterwellen 39 branchenführende Unternehmen präsentierten, die eine umfassende Auswahl an 5G-Millimeterwellen-Anwendungen und -Endgeräten vorstellten. Das vielfältige Angebot an 5G-Millimeterwellen-Endgeräten verschiedener Hersteller umfasste Module, Mobiltelefone, CPE (Customer Premises Equipment), PCs, AR- (Augmented Reality) und XR-Ausrüstung (Extended Reality), Live-Streaming-Rucksäcke, Roboter und weitere Produktkategorien.

Die vielfältigen Anwendungsszenarien, die durch 5G-Millimeterwellen unterstützt werden, umfassen: Wettkampferlebnisse für Athleten, intelligente 5G-Skigebiete mit Mixed Reality, 8K-Videoübertragung, 5G-Event-Service mit vollständiger Ansicht und Live-Übertragung von Events mit freier Ansicht, 5G-Millimeterwellen-Panoramaerlebnisse usw. Die auf Millimeterwellen basierende 5G-Multi-View-Live-Übertragungslösung erfasst das Gelände des Internationalen Langlaufzentrums Zhangjiakou direkt. Drohnen, am Kopf befestigte Kameras und professionelle Fotokameras kommunizieren drahtlos mit der Basisstation, und die beeindruckenden Posen der Athleten auf der Langlaufloipe werden in Echtzeit aus verschiedenen Blickwinkeln übertragen. So wird eine Multi-Augment-Live-Übertragung des Geländes ermöglicht und den Zuschauern vor Ort ein abwechslungsreiches Seherlebnis geboten. China Unicom ist derzeit der einzige offizielle Kommunikationspartner der Olympischen Winterspiele 2022 in Peking. Die ausgereifte Technologie von 5G-Millimeterwellen-Endgeräten und -Anwendungen wird dazu beitragen, bei den Olympischen Winterspielen 2022 in Peking verbesserte 5G-Dienste mithilfe von Millimeterwellentechnologie bereitzustellen.

Die 5G-Millimeterwellentechnologie entwickelt sich ständig weiter und könnte ein wichtiger Bestandteil von 6G werden.

Die Millimeterwellentechnologie entwickelt sich stetig weiter. Beispiele hierfür sind die oben erwähnte integrierte Zugangs- und Backhaul-Technologie (IAB), Breitband-Positionierungstechnologien für präzise Endgerätepositionierung, erweiterte Spektrumunterstützung (Frequenzbänder über 52.6 GHz und lizenzfreies Spektrum für lizenzierte Hilfs- und unabhängige Anwendungen), optimiertes Beam-Management (vollständige Beam-Optimierung und Unterstützung von Multi-Antennen-Panels für geringere Latenz, höhere Robustheit und bessere Leistung), optimierte Dual-Connect-Technologie (reduzierte Zugriffslatenz und verbesserte Abdeckung bei der Verbindung mehrerer Knoten) sowie Energiesparfunktionen (maximale Nutzung des Ruhezustands von Endgeräten für schnellere Verbindungsrückmeldung).

Die kontinuierliche Weiterentwicklung der 5G-Millimeterwellentechnologien eröffnet neue Möglichkeiten hinsichtlich Funktionalität, Effizienz, Frequenzspektrum und Einsatz. Darüber hinaus wird die 5G-Millimeterwellentechnologie voraussichtlich auch ein wichtiger Bestandteil der nächsten Generation, der 6G-Technologie, werden.

Laut dem von Samsung im letzten Jahr veröffentlichten 6G-Whitepaper „Next Generation Hyper-Connected Experience“ wird die Spitzendatenrate von 6G 1000 Gbit/s erreichen und die Latenz nur 100 µs betragen. Die Technologie könnte bereits 2028 fertiggestellt und kommerzialisiert sein, eine großflächige Markteinführung wird um 2030 erwartet. Andere Kommunikationshersteller teilen diese Einschätzung hinsichtlich der wichtigsten Kennzahlen und Zeiträume.

Samsung schlug außerdem Kandidatentechnologien vor, die im 6G-Standard verwendet werden könnten, wie das THz-Terahertz-Frequenzband, neue Antennentechnologien zur Verbesserung der Hochfrequenz-Signalabdeckung, fortschrittliche Duplex-Technologie, die Entwicklung der Netzwerktopologie und Spektrumsteilung zur Verbesserung der Netzwerkauslastung und zur Förderung der Anwendung von KI.

Das von UNISOC veröffentlichte Weißbuch „6G: Grenzenlos mit KI“ geht davon aus, dass die 6G-Kerntechnologien diversifiziert werden und dass Terahertz-Kommunikation, sichtbare Lichtkommunikation, fortschrittliche Modulation und Dekodierung sowie die kollaborative Satelliten-Boden-Übertragung zu 6G-Kerntechnologien werden könnten.

Qualcomm hob die Innovation verwandter Technologien hervor, wie z. B. datengesteuertes Design mit KI/ML, Vollduplex, höherfrequente Millimeterwellen, verbesserte Positionierung, Terahertz-Band, intelligente Schnittstelle, grünes Netzwerk, Hochfrequenzsensorik, neue Topologie, extreme Entkopplung, Suche nach Cloud-Neuronalnetzstrukturen, ultrasichere Kommunikation, neues Sharing-Paradigma usw.

Viele Hersteller sehen in der Terahertz-Kommunikationstechnologie eine der Schlüsseltechnologien für 6G. Das Terahertz-Frequenzband umfasst üblicherweise den Bereich von 300 GHz bis 10,000 GHz, wobei elektromagnetische Wellen um 300 GHz auch als Millimeterwellen im höheren Frequenzbereich betrachtet werden können. Nur durch die Beherrschung der Millimeterwellen-Kommunikationstechnologie lassen sich Durchbrüche in der Terahertz-Kommunikation erzielen.

Mitte 2020 gab Yang Tao, Vizepräsident der Abteilung für Mobilfunknetze bei Huawei in China, öffentlich bekannt, dass Huawei bereits an Vorstudien zu 6G beteiligt ist. Die bisherigen 6G-Vorstudien nutzen hauptsächlich Millimeterwellenbänder und befinden sich in der Phase der Szenarioanalyse und Technologiesuche.

Erwähnenswert ist, dass das Equipment Technology Laboratory der japanischen NTT Group Ende 2019 einen 6G-Ultrahochgeschwindigkeitschip aus Indiumphosphid (InP)-Halbleiter entwickelte und Hochgeschwindigkeits-Funkübertragungsexperimente im 300-GHz-Frequenzband durchführte. Mit 16QAM-Modulation erreicht er eine drahtlose Übertragungsrate von bis zu 100 Gbit/s. Durch die Kombination von räumlichen Multiplexing-Technologien wie MIMO und OAM wird eine drahtlose Übertragung mit hoher Kapazität von über 400 Gbit/s erwartet, was bereits nahe an der maximalen Datenrate für 6G liegt.

Darüber hinaus wird 6G ein integriertes Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetz in Luft, Himmel, Erde und Meer realisieren, und das Millimeterwellen-Frequenzband wird auch die erste Wahl für Verbindungen zwischen Satelliten, Benutzerverbindungen für die Satelliten-Abdeckung nach unten und Zuleitungsverbindungen von Satelliten zu Bodenstationen sein.

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