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5G

Warum ist 5G schneller als 4G?

Geschrieben von Bastian Günter | Sep 06,2021

Und warum ist 5G schneller als 4G? Tatsächlich geht es bei der Verbesserung der drahtlosen Kommunikationstechnologie nach 3G darum, zunächst das Ziel zu bestimmen und dann mit dem Systemdesign und der Technologieauswahl entsprechend dem Ziel fortzufahren. Die eigentliche Frage sollte also lauten: "Was macht 5G schneller als 4G?"

Der folgende Artikel beantwortet diese Frage unter den folgenden zwei Aspekten:

Teil 1. Wie erhöht 5G die Übertragungsrate?

Gemäß dem Theorem von Shannon ist die Obergrenze der Kapazität einer Verbindung in Bits pro Sekunde (bps) eine Funktion der verfügbaren Bandbreite und des Signal-Rausch-Verhältnisses der Verbindung. Das Theorem kann wie folgt formuliert werden:

Das Unternehmen Apple Inc. ist ein renommiertes amerikanisches multinationales Technologieunternehmen, das im April 1976 von Steve Jobs, Steve Wozniak und Ronald Wayne gegründet wurde. Es entwirft, entwickelt und vertreibt Unterhaltungselektronik, Computersoftware und Online-Dienste.

C = B * log2(1+ S/N)

wobei C die erreichbare Kanalkapazität, B die Bandbreite der Leitung, S die durchschnittliche Signalleistung und N die durchschnittliche Rauschleistung ist.

Bei 5G wird die Datenübertragungsrate erhöht, indem das 'B' erhöht und das 'N' in der Formel gesenkt wird. Im Einzelnen umfasst es die folgenden drei Methoden:

1. Nutzung von Millimeterwellen zur Erhöhung der Bandbreite.

2. Erweitertes Beamforming anwenden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.

3. Massive MIMO werden verwendet, um die Bandbreite und den Signal-Rausch-Abstand zu verbessern.

Nutzung von Millimeterwellen zur Erhöhung der Bandbreite

Das Spektrum von 300 MHz bis 3 GHz, das für die erste bis vierte Generation der drahtlosen Kommunikation genutzt wird, hat zwar den Vorteil, dass es weit verbreitet ist und eine große Reichweite hat, aber es gibt auch einen fatalen Nachteil: Das Frequenzband ist zu schmal, und es gibt viele drahtlose Geräte in diesem Frequenzband. Die Zuweisung von Frequenzen wird bald versiegen. Um Daten mit großer Kapazität und hoher Rate zu übertragen, ist das einzige verfügbare Spektrum über 3 GHz zu finden.

5g Kommunikationsfrequenzband

Der Frequenzbereich der Sauerstoffabsorption und der Wasserdampfabsorption im Millimeterwellenspektrum (3 ~ 300 GHz) kann nicht für die Kommunikation genutzt werden. Daher hat das Millimeterwellen-Frequenzband eine Gesamtbandbreite von 252 GHz. In der Tat beträgt das Millimeterwellen-Frequenzband, das für 5G-Kommunikationsnetze im Spektrum verschiedener Länder zugewiesen ist, etwa 3 ~ 6 GHz. Aber das reicht aus, um die Datenübertragungsrate um mehr als das 10-fache zu erhöhen. (Im Gegensatz dazu sind die 1G- bis 4G-Kommunikationsnetze alle im Frequenzspektrum unter 3 GHz überfüllt).

Fortschrittlicheres Beamforming

Die Basisstationsantennen von 4G-Netzwerken sind hauptsächlich Rundstrahlantennen. Aber das ist keine gute Wahl für 5G. Denn 5G-Netzwerke werden aufgrund der geringen Reichweite der Millimeterwellen von 5G und der großen Pfadverluste stark von komplexen Wetterbedingungen beeinträchtigt. Daher muss das Strahldesign verbessert werden, um die übertragene Energie zu bündeln und die Qualität der empfangenen Signale zu verbessern. In der Tat kann der Richtstrahl nach dem Beamforming dazu beitragen, die Abdeckung der Basisstation zu verbessern, und die Signalenergie der Basisstation ist wirksamer.

5g beamforming

Tatsächlich muss das Beamforming in 5G auch die Probleme von Massive MIMO und Millimeterwellen-Schmalstrahl-Nutzer-Tracking, die Planung der Strahlumschaltung zwischen den Zellen sowie LOS- und NLOS-Probleme der Basisstationen lösen. Das ist auch eine wichtige Forschungsrichtung im Bereich der drahtlosen Kommunikation. Viele Wissenschaftler erwägen jetzt, Sektoren innerhalb der Reichweite von Basisstationen zu unterteilen, um die Strahlumschaltung zwischen mehreren Antennen zu erleichtern.

Sektorisierte Antenne

Massive MIMO

Bei der drahtlosen Kommunikation mit mehreren Antennen muss jeder Antenne eine Gewichtung zugewiesen werden, um die räumliche Diversität und/oder den Multiplexing-Gewinn zu verbessern. In der Realität ist dieser Algorithmus nichtlinear und rechenintensiv. Je mehr Antennen, desto komplexer ist er.

Überraschend ist jedoch, dass bei einer sehr, sehr großen Anzahl von Antennen eine einfache lineare Vorcodierung dem optimalen Ergebnis sehr nahe kommen kann. Deshalb hat Massive MIMO seit seinem Vorschlag viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Das Massive MIMO in 5G kann eine große Anzahl von Anwendungen haben. Nicht nur große Makro-Basisstationen, sondern auch kleine Millimeterwellen-Sender können mit Massive MIMO-Systemen ausgestattet werden. Da Millimeterwellen-Antennen schmale Strahlenbündel und kurze Antennenlängen haben, sind sie für Massive MIMO-Anwendungen besser geeignet.

Doch zurück zum Thema: Der Vorteil von Massive MIMO besteht darin, die Nutzung der Luftraumressourcen zu maximieren. Durch Beamforming kann es mehrere Strahlen bereitstellen, die die Zellennutzer gleichzeitig bedienen, und gleichzeitig das Signal-Rausch-Verhältnis des Nutzers erhöhen und die Datenübertragungsrate steigern.

Massive MIMO

Teil 2. Wie reduziert 5G die Übertragungsverzögerung?

Wir sprechen hier von der Round-Trip-Latenz, die wahrscheinlich als die Gesamtzeit verstanden werden kann, die die Daten für den Weg zwischen dem Zugangsnetz und dem Kernnetz benötigen. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Funks relativ fest ist und nicht komprimiert werden kann, gibt es zwei Möglichkeiten, sie zu verringern: die Reduzierung von Signalisierungsverlusten und die Komprimierung der Netzwerkverarbeitung. Der Weg zur Reduzierung der Signalisierungsverluste besteht darin, unnötige Signalisierungen zu minimieren, wie z.B.

  • Reduzierung der Kanalschätzungszeit durch Vollduplex-Technologie,
  • Reduzierung des CP-Präfix des OFDM-Signals und Komprimierung der OFDM-Rahmenlänge,
  • Entwurf von Millimeterwellen-Basisstationen durch Netze zur Reduzierung von Interferenzen und Verzögerungen

Komprimiertes Netzwerk

Netzwerkverarbeitung und Bildverständnis zu komprimieren bedeutet, die Unternehmenshierarchie abzuflachen und die Entscheidungsgewalt zu dezentralisieren. Auf diese Weise wird die Anzahl der "nach oben gerichteten" Berichte geringer und unnötige Ausgaben im Netzwerk werden deutlich reduziert. Dies wird auch von anderen Befragten erwähnt.

Komprimiertes Netzwerk

Die übliche Methode zur Komprimierung des Kernnetzes besteht darin, "nicht durch unnötige Verarbeitungseinheiten zu gehen", mit anderen Worten, die Kontrollstruktur wird von der Datenübertragungsstruktur getrennt. Natürlich gibt es noch viele andere Lösungen.

Eine andere Möglichkeit, die Netzwerkstruktur zu komprimieren, ist das in der akademischen Welt sehr beliebte "Fog Computing". Dabei werden einige sich wiederholende Rechenaufgaben dezentralisiert und drahtlose Zugangsterminals (Basisstationen usw.) als Recheneinheiten verwendet. Dies kann als alternativer "Computing-Cache" verwendet werden, der die Netzwerklatenz erheblich reduziert.

Eine andere ist sehr orthodox und natürlich eine sehr heiße Forschungsrichtung, das "drahtlose Caching". Dabei geht es darum, Inhalte zwischenzuspeichern, um die Übertragungsverzögerung zu verringern.

Fog Computing

Das sind die Fortschritte bei der Verzögerung in 5G, vor allem bei der MAC-Schicht-Technologie, bei der es wahrscheinlich darum geht, wie man Ressourcen effektiv plant und die Verzögerung reduziert. Es gibt noch viele andere Indikatoren in 5G, wie z.B. "Reduzierung des Energieverbrauchs", "Verbesserung der Servicequalität für die Nutzer" und "Erhöhung der Zellkapazität". Jeder Satz ist ein sehr großes Thema. Es stecken viele Forschungsinstitute dahinter. Die Universität hat großartige Arbeit geleistet, und es gibt viele Leute, die in jedem dieser kleinen Bereiche forschen, aber weil das nichts mit dem Problem zu tun hat, werde ich es nicht im Detail vorstellen.

Fog computing

Daher können Sie auch sehen, dass 5G das Ergebnis der gemeinsamen Arbeit von Kommunikationsindustrie und Wissenschaft ist. Die Normungsorganisation (Industrie) schlägt Indikatoren vor, wählt geeignete Technologien aus und gibt die technische Richtung vor, und Forschungseinrichtungen und Universitäten schlagen Lösungen vor, um den technischen Weg zu verbessern.

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Bastian Günter

chief Editor

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