Mouser German Blog

Die Vermarktung von 5G-Mobilfunknetzen erfolgt mit dem Versprechen, aufregende neue Anwendungen wie Augmented Reality, autonome Fahrzeuge und Teleoperationen zu ermöglichen. Den größten frühzeitigen Nutzen werden jedoch die eher praktischen Einsatzmöglichkeiten der Technologie bringen, wie z. B. die Bereitstellung zuverlässiger Breitbandverbindungen für den ländlichen Raum.

In einer Umfrage vom Februar 2021, die Molex in Zusammenarbeit mit dem Marktforschungsunternehmen Dimensional Research unter Fachleuten für 5G-Carrier-Netzwerke durchgeführt hat, die in den Bereichen Forschung und Entwicklung, Produkte oder Technik tätig sind, gaben 43 % der befragten Führungskräfte an, dass ihrer Meinung nach die Verbraucher als erstes von 5G profitieren werden, gefolgt von Industrie und industriellen IoT-Anwendungen. Danach folgten Strategien für drahtlose Festnetzanschlüsse, wie z. B. der drahtlose Breitbandzugang im ländlichen Raum. Es ist zu erwarten, dass diese Early Adopter von 5G bereits Jahre vor den aufsehenerregenden Anwendungen wie autonomen Fahrzeugen und Fernmedizin von den Vorteilen profitieren werden.

5G verspricht wesentlich höhere Datenübertragungsraten, wesentlich mehr Verbindungen pro versorgter Fläche und wesentlich geringere Latenzen als frühere Generationen von Mobilfunktechnologien. Die Herausforderung für die Hersteller von 5G-Equipment und die Netzbetreiber besteht darin, alle diese Vorteile gleichzeitig in einem einzigen HF-Band zu erreichen. Netzwerk-Equipment und mobile Endgeräte benötigen daher komplexere Funkschnittstellen und Basisstationen, als dies bisher für 4G-Netze notwendig war.

Warum ist das so? Die Antwort liegt zum Teil in den physikalischen Gegebenheiten der Funkübertragung: Höhere Funkfrequenzen können mehr Daten übertragen als niedrigere Frequenzen, aber da die realen Ausbreitungsdistanzen in umgekehrtem Verhältnis zur Signalfrequenz stehen, reichen sie nicht so weit. Die 5G-Spezifikation begegnet diesem Problem durch die Definition von zwei sich überschneidenden Frequenzbändern, FR1 und FR2. FR1 deckt den Sub-6GHz-Bereich ab, mit einem Spektrum von 410 MHz bis 7125 MHz. Die Signale im FR1-Band erreichen eine gute Abdeckung, wie die Verbreitung der heutigen 4G-Basisstationen zeigt, von denen viele auf den FR1-Frequenzen im mittleren Bandbereich arbeiten. Allerdings unterstützen FR1-Signale nicht die höheren Datenübertragungsraten, die mit Millimeterwellen-Frequenzen (mmWave) möglich sind. Ein weiterer Nachteil der FR1-Bänder besteht darin, dass diese Frequenzen bereits mit konkurrierenden Signalen von WLAN-, GPS-, Bluetooth- und Zigbee-Signalen sowie mit elektromagnetischen Störungen aus anderen Quellen stark ausgelastet sind.

Das FR2-Band der 5G-Technologie ermöglicht die Nutzung von mmWave-Frequenzen im Bereich von 24 bis 52,6 GHz. Diese Frequenzen bieten mehr Bandbreite und höhere Datenraten als die FR1-Frequenzen, allerdings auf Kosten viel kürzerer Ausbreitungsdistanzen und eines verstärkten Einsatzes von Small-Cell-Basisstationen, um den Benutzern in dicht besiedelten Gebieten, wie z. B. in Stadtzentren, eine direkte Netzanbindung zu ermöglichen.

Für die Entwickler von Netzwerktechnik und Mobiltelefonen besteht die Herausforderung bei der Implementierung von 5G daher in der Entscheidung, welche Bänder unterstützt werden sollen (nicht alle Bänder werden in allen Regionen implementiert) sowie in der Entwicklung der dafür erforderlichen komplexen HF-Schnittstellen. Viele Gerätehersteller müssen für die Unterstützung des mmWave-Spektrums neue Kompetenzen entwickeln, da Signale im Mikrowellenbereich im Vergleich zu Lösungen für niedrigere Frequenzen empfindlicher auf Faktoren wie Leiterplatten-Routing, Impedanzanpassung in Steckern, Antennendesign und -abstimmung, Materialauswahl und vieles mehr reagieren. Bei vielen 5G-Implementierungen werden außerdem MIMO- (Multiple-Input, Multiple-Output), Beamforming- und Beamsteering-Strategien zum Einsatz kommen, um das verfügbare Spektrum optimal zu nutzen. Dafür müssen effiziente mmWave-Arrays mit mehreren Antennen entwickelt werden, die häufig mit separaten Antennen-Arrays für FR1-Band-Signale nebeneinander betrieben werden müssen. Die Entwickler müssen außerdem Kompromisse zwischen der Effizienz und der Bandbreite der HF-Leistungsverstärker eingehen, die für die Ansteuerung dieser Antennen notwendig sind. Und all dies muss mit hoher Signalintegrität, geringer gegenseitiger Beeinflussung und effektivem Wärmemanagement auf engstem Raum in einem Mobiltelefon oder Small-Cell-Gehäuse umgesetzt werden. Das ist nicht einfach.

Was sagt uns das alles über die Möglichkeiten von 5G im ländlichen Raum? Die Herausforderung im ländlichen Raum ist klar: Es ist häufig schwierig, die Vorteile einer Breitbandverbindung in den ländlichen Gemeinden zu nutzen, weil die Kosten für die Verteilung der Bandbreite von einem zentralen Punkt an weit verteilte Benutzer einfach zu hoch sind. Die Einnahmen aus Gebühren können niemals die Kosten für das Ausheben von Gräben und die Verlegung von Kabeln decken.

5G kann diese Probleme lösen, denn es bietet einen festen drahtlosen Breitbandzugang mit einer Strategie, die als integrierter Zugang und Backhaul bekannt ist. Dabei wird eine zentrale Basisstation über eine unterirdische Glasfaser- oder Mikrowellen-Punkt-zu-Punkt-Verbindung oder sogar nur über eine dedizierte 5G-Verbindung mit dem gesamten Mobilfunknetz verbunden. Die von dieser Verbindung zur Verfügung gestellte Bandbreite wird dann über 5G an feste drahtlose Endgeräte in den Wohnungen der Teilnehmer weiterverteilt. Die Verwendung von FR1-Mittelband-Frequenzen ermöglicht dabei eine gute geografische Reichweite, wobei Beamforming-Strategien und High-Gain-Antennen in den Endgeräten gleichzeitig dazu beitragen, das verfügbare Spektrum optimal zu nutzen. Der Wechsel zu mmWave FR2-Frequenzen bietet höhere Datenübertragungsraten über kürzere Entfernungen und kann daher in ländlichen Clustern oder bebauten städtischen Gebieten sinnvoller sein. In jedem Fall deuten Untersuchungen von Ericsson darauf hin, dass diese integrierte Zugangs- und Backhaul-Strategie eine Konnektivität bieten kann, die gut genug ist, um 4k-Videos zu streamen. In vielen Fällen werden sogar höhere Datenübertragungsraten erzielt als bei kabelgebundenen Breitbandangeboten für Privathaushalte.

Somit lassen sich ganze Ökosysteme aus Endgeräten, Repeatern, Small Cells und Basisstationen aufbauen, die 5G zu vernünftigen Kosten in räumlich weit verteilte Gemeinden bringen können. Für die OEMs stellt dies eine doppelte Herausforderung dar: Zum einen müssen sie die entscheidenden Rahmenbedingungen verstehen, wie z. B. die potenziellen Märkte für solche Geräte, die Verfügbarkeit von Frequenzen und die Fortschritte bei der Regulierung. Zum anderen müssen sie sich den technischen Herausforderungen stellen, die mit der Entwicklung und dem Bau solcher hochentwickelten mmWave-Geräte zu relativ geringen Kosten für einen langfristigen Einsatz unter allen erdenklichen Bedingungen weltweit verbunden sind.

Molex analysiert seit Jahrzehnten die ständig wachsenden Anforderungen des globalen und regionalen Mobilfunkmarktes und entwickelt entsprechende Lösungen. Wir beherrschen Themen wie die Entwicklung von Hochfrequenz-Mikrosteckverbindern, das Design von mmWave-Antennen und die Auswirkungen von physikalischen Konfigurationen und Materialwahl auf die HF-Leistung. Molex hat außerdem effektive Teststrategien für Low-Band-, Mid-Band- und mmWave-Geräte entwickelt und verfügt über eine Absorberkammer, in der wir überprüfen können, ob unsere 5G-Lösungen die erforderlichen Spezifikationen erfüllen. Unsere Teams setzen außerdem verschiedene hochentwickelte Simulationssoftwares für unterschiedliche Designaufgaben ein, um Zeit und Kosten in der Entwicklung zu sparen. Darüber hinaus verfügen wir über spezielle Produktionsanlagen, die eine enge Integration komplexer elektrischer und mechanischer Strukturen in drei Dimensionen ermöglichen und somit die Leistungsfähigkeit optimieren und gleichzeitig Platz sparen.

Die 5G-Technologie bietet hochinteressante neue Möglichkeiten für die mobile Kommunikation, aber eine der wichtigsten Anwendungen ist wahrscheinlich die Bereitstellung von Breitbandnetzen für Gemeinden, die ansonsten keinen solchen Zugang hätten. Für Familien, die sich für ein Leben auf dem Land entscheiden, und für Fertigungsbetriebe an abgelegenen Standorten, die Automatisierungssysteme und Robotik benötigen, um den Fertigungsprozess schneller und präziser zu gestalten, ist 5G die Zukunft.