Glasfasernetzwerke und 5G-Netze für neue Technologien

Inhaltsverzeichnis

1. Mobilfunkgenerationen: Ein Überblick
2. Die technischen Grundlagen von 5G
3. Drei Netze für unterschiedliche Anwendungen
4. 5G- und Glasfaser-Netzwerke: Komponentenübersicht
5. Ausbaustufen des Glasfasernetzes: Drei Wege führen (aktuell) zur Datenübertragung
6. Grundstein neuer Entwicklungen – mit „lahmen“ Leitungen entwickelt es sich schlecht
7. FAQ zum 5G-Mobilfunknetz

Neue Technik gründet auf neuen Technologien. Ob es hinsichtlich der Vernetzung von Maschinen in der Industrie (zum Beispiel IoT) oder für eine schnelle Datenübertragung ist. Das 5G-Netz bedingt neue Kommunikations- und Entwicklungsstandards. Um diesen Fortschritt zu realisieren, sind leistungsstarke Netzwerke nötig – beispielsweise auf Basis von Glasfasertechnologie.

Aktuell sind Glasfasernetzwerke die adäquate Technologie, um die notwendigen Übertragungsraten bereitzustellen. Und für den neuen technologischen Standard müssen bestehende Kupferleitungen sukzessive abgebaut und Glasfasernetze aufgebaut werden.

Mobilfunkgenerationen: Ein Überblick

Bei 5G handelt es sich bereits um die fünfte Mobilfunkgeneration. Einzig die erste war analog, ab der zweiten Generation wurde auf Digitaltechnik gesetzt. Wesentliches Merkmal jeder neuen Mobilfunkgeneration war die jeweils erhöhte Datenrate und die damit einhergehende Zunahme der Kapazität. Zudem verbesserten sich im Laufe der Zeit weitere technische Parameter wie etwa die Reaktionszeit des Gesamtsystems, wie die nachfolgende Tabelle zeigt:

Die technischen Grundlagen von 5G

Die Zahl der Mobilfunkstationen hing bei den Vorgängernetzen LTE (4G) und UMTS (3G) stark von der Besiedelungsdichte ab. Bei der Netzarchitektur der 5. Mobilfunkgeneration steht hingegen mehr der Nutzer mit seinen Wünschen vor Ort im Fokus. Dazu vielleicht ein paar Beispiele:

• In einem Gewerbegebiet braucht es ein Breitbandnetz mit hohen Datenraten.
• Auf einem Verkehrsweg ist ein schnelles und zuverlässiges Netz mit kurzen Antwortzeiten gefragt.
• In einer Werkshalle ist es entscheidend, dass eine Vielzahl von Geräten und Menschen miteinander vernetzt werden.

Was zudem aus technischer Sicht beim Netzausbau zu berücksichtigen ist: die Versorgungsauflagen der Frequenzbereiche. Denkbar sind zunächst flächendeckende Teilverbesserungen von 5G, die auf 4G-Netzen aufbauen. Ein paralleler Betrieb von 4G- und 5G-Netzen ist unumgänglich, da der Ausbau stufenweise erfolgen wird.

Drei Netze für unterschiedliche Anwendungen

Beim 5G-Netz wird zwischen drei Anwendungsbereichen unterschieden, die konkrete Herausforderungen und technische Rahmenbedingungen mit sich bringen:

1. Ultra-schnelles mobiles Breitband: Im Hinblick auf die mobile Internetnutzung kommt es vor allem auf hohe Datenraten und große Kapazität an.
2. Kommunikation zwischen Maschinen: Bei der Machine-to-Machine-Kommunikation (MGM) steht ein geringer Energieverbrauch im Fokus.
3. Hoch-Zuverlässigkeitsnetz: Weil sie als ultraschnell und zuverlässig gelten, werden zum Beispiel Entwicklungen hin zu vernetztem Fahren oder zu autonom fahrendem, öffentlichem Personennahverkehr vorangetrieben.

Was bedeutet das? Um die genannten Anforderungen zu erfüllen, wurde mit 5G ein hochflexibles Mobilfunknetz der Zukunft entwickelt.

So verändert 5G das Mobilfunknetz

Klassische Dachstandorte für Funkstationen und freistehende Masten charakterisierten bis jetzt die Mobilfunknetze. Sie bieten Flächenabdeckung und liefern auch die Netzkapazität für bestimmte Gebiete. Was wird sich daran durch 5G ändern? Der neue Mobilfunkstandard resultiert in …

• mehr und leistungsstärkeren Basisstationen, die unauffälliger sind als bisher.
• einer weiter ausgebauten kleinzelligen Netzarchitektur, zusätzlich zu den weiterhin benötigten Dachstandorten.
• vielen individuellen und virtuellen Spezialnetzen, welche an die erwähnten Anwendungen angepasst sind.
• einer Art „5G-Dach“, das diesen Spezialnetzen als gemeinsame physische Infrastruktur dient.

Interessant: Alles neu? Von wegen! Die bestehenden Standorte dienen dem neuen 5G-Netz als Grundgerüst. Sie werden nach und nach mit der neuen Technologie ausgestattet.

Ausbaustufen des Glasfasernetzes: Drei Wege führen (aktuell) zur Datenübertragung

Unterschieden werden drei Ausbaustufen des Glasfaseranschlusses: Vereinfacht dargestellt, führt die Glasfaserverbindung ausgehend von einer Vermittlungsstelle (des jeweiligen Netzbetreiber) in Richtung des Empfängers (zum Beispiel Endverbraucher / Kunde). Die Verteilung des Glasfaseranschlusses kann auf unterschiedlichen Wegen geschehen – der Überbegriff dafür lautet FTTx.

FTTC-Glasfaseranschluss: 5G vom Server bis zur Haustüre

FTTC-Anschlüsse sind mit rund 80 Prozent (noch) die verbreitete Ausbaustufe von Glaserfasernetzwerken in Deutschland. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass weniger als 20 Prozent der Glasfaserleitungen bis in die eigenen vier Wände reichen.

Bei Fibre-to-the-Curb-Netzwerken führen die Glaserfasern beziehungsweise Lichtwellenleiter-Kabel von einer Ortsvermittlungsstelle (OVSt) bis zur Grundstücksgrenze der Immobilie. An dieser Stelle muss das Signal der Glasfasertechnologie auf ein Kupferkabel transferiert werden – wie funktioniert das? Durch einen Lichtwellenleiter-Medienkonverter (LWL-Medienkonverter) werden die optischen Lichtsignale umgewandelt, um über Kupferleitungen übertragen werden zu können.

Zusatz: Durch die Integration eines LWL-Umsetzers können auch andere Netzwerkkomponenten miteinander verbunden werden (zum Beispiel Router, Switches oder Ethernet).

FTTB-Glasfaseranschluss: 5G bis in das Wohnhaus

Bei FTTB-Anschlüssen reichen die Glaserfaserleitungen (LWL-Kabel) bis ins Wohnhaus – im Gebäude werden dann wieder die vorhandenen Kupferkabel genutzt. Meist befindet sich das Verteilungssystem dann im Keller beziehungsweise Untergeschoss des Wohnhauses. Von dort aus führen die Leitungen in die einzelnen Wohneinheiten.

FTTH-Glasfaseranschluss: 5G-Netz in den eigenen vier Wänden / am Arbeitsplatz

Die dritte Ausbaustufe reicht bis ins Eigenheim. Von der Vermittlungsstelle aus führen die LWL-Kabel jedoch nicht direkt in die Wohnung oder in jeden einzelnen Raum. Über den jeweiligen Kabelzweiger oder über ein Multifunktionsgehäuse werden die Glasfasern in den entsprechenden Bereich der Immobilie verlegt. Dabei verkürzen optische Netzwerkeinheiten (ONU) in den Multifunktionsgehäusen die Datenübertragung über das leistungsschwächere Kupfernetz.

Zusatz: Wenn das Glasfasernetzwerk bis in die Wohnung oder an den jeweiligen Einsatzort reicht, ist die Anwendung eines Glasfasermodems vonnöten. Die LWL-Verkabelung führt dann von der Vermittlungsstelle in eine Glasfaserdose.  An diese wird das Modem über ein Glasfaserkabel angeschlossen. Das Glasfasermodem wird über ein LAN-Kabel abschließend mit dem Router verbunden.

Grundstein neuer Entwicklungen – mit „lahmen“ Leitungen entwickelt es sich schlecht

Die Entwicklung von Netzwerktechnologien und deren Integration im Alltag ist ein essenzieller Faktor für den weiteren Ausbau moderner Technologien und innovativer Technik. Bereits seit Jahrzehnten ist bekannt, dass herkömmliche Kupferleitungen den Ansprüchen an eine leistungseffiziente Daten-Infrastruktur nicht gerecht werden können.

Um den steigenden Datenaustausch bewältigen zu können, ist der flächendeckende Aufbau eines fortschrittlichen und erweiterbaren Glasfasernetzwerkes notwendig. Für den Aufbau der Netzwerke werden zahlreiche Komponenten benötigt – bei Bürklin Elektronik finden Sie die verschiedensten Produkte (LWL-Bauteile) der führenden Hersteller für den Aufbau moderner Glasfasernetzwerke!

FAQ zum 5G-Mobilfunknetz

Wie groß sind die neuen Basisstationen? Werden die Funkzellen kleiner? 

Die bisherigen großen Mobilfunk-Türme werden nach und nach diversen Antennen für kleine Zellen weichen. 5G-Mobilfunkanbieter setzen in diesem Zusammenhang vor allem bei den sehr hohen Frequenzen auf mehr, aber dafür kleinere Installationen an mehr Standorten. Die Kleinzellen haben in etwa die Größe einer Pizzaschachtel.

Welche Frequenzbereiche und welche Modulationsarten werden verwendet?

Die Frequenzbereiche zwischen 700 Megahertz und 2,6 Gigahertz wurden bereits für den Mobilfunk der dritten und vierten Generation genutzt – das funktioniert grundsätzlich auch für 5G. Allerdings erfordern die hohen Bandbreiten einiger 5G-Anwendungen zusätzliche Frequenzen:

• 3,4 bis 3,7 Gigahertz für die bundesweite Nutzung durch öffentliche Mobilfunknetze
• 3,7 bis 3,8 Gigahertz für örtliche nichtöffentliche Mobilfunknetze mit Anwendungen in Land- und Forstwirtschaft, Wirtschaft und Industrie
• 24,25 bis 27,5 Gigahertz für Kleinzellennetze oder stark gerichtete Funkverbindungen zwischen zwei Stationen (speziell für Deutschland)
• 71 bis 76 und 81 bis 86 Gigahertz für ergänzendes E-Band

Dabei kommen vor allem die beiden folgenden Modulationsarten zum Einsatz:

• Quadratur-Phasenumtastung: Dieses Modulationsformat niedrigster Ordnung liefert den langsamsten Datendurchsatz. Dafür bietet es aber die robusteste Verbindung. Ideal bei niedrigen Signalpegeln oder bei hoher Interferenz.
• Quadratur-Amplitudenmodulation: Mit dieser Modulationsart kann der Datendurchsatz erhöht werden. Für 5G-Mobilkommunikationssysteme werden die Formate 16QAM, 64QAM und 256QAM verwendet.

Reduziert sich die Sendeleistung der Basisstationen?

Das kommt ganz auf die jeweilige Anwendung an. Die Millimeterwellenfrequenz erfordert in diversen Bereichen den Einsatz kleiner Zellen. Während die Frequenz insgesamt höher ist als jemals zuvor, sind die Signale dieser Millimeterwelle schwächer und reichen demnach auch nur über kürzere Distanzen. In 5G-fähigen Gebieten müssen daher häufig Kleinzellenstationen platziert werden, damit die Signale die Benutzer überhaupt erreichen.

Wie hoch ist die Datenrate? 

Bei idealen Bedingungen werden mit 5G künftig in der Datenübertragung Geschwindigkeiten bis zu zehn Gigabits pro Sekunde erreicht. Zwanzig mal mehr als mit LTE.

Welche Anforderungen werden an Komponenten wie Koaxialsteckverbinder oder Antennen gestellt?

Es gibt spezifische Aspekte, die diverse Komponenten im Sinne der Mobilfunktechnik aufweisen sollten:

• eine kompakte Bauform für Platz- und Gewichtseinsparungen
• Kontaktflächen, die auch im ungesteckten Zustand vor Beschädigung geschützt sind
• ein robustes Design, das selbst rauen Umgebungsbedingungen standhält

Produkttipp: Die Steckverbinder der IQ-Familie von Telegärtner sind für verschiedene Wellmantelkabel optimiert. Sie liefern unabhängig von Drehmoment und Kupplungsmechanismus sehr gute PIM-Werte. Zudem bieten sie mit derselben Buchse Optionen für Screw, Hand-Screw und Push-Pull-Variante.

Gibt es neue Bauformen für die Antennen?

Die neuen Heptaband-Antennen gleichen vielleicht äußerlich ihren Vorgängern. In ihrem Inneren hat sich allerdings technisch eine Menge getan. Bisherige Rundantennen strahlten ihr Signal wenig zielgerichtet im Bereich von 360 Grad ab. Die Heptaband-Anlagen hingegen bilden Sektoren für bestimmte Bereiche und ermöglichen es, Nutzern verschiedene Dienste gezielt zur Verfügung zu stellen.

Übrigens: Das Gehäuse besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff und wird als Radom (engl.: Radome = Radio Dome) bezeichnet. Zudem können die neuen Antennen sieben Frequenzbänder auf einmal abdecken und sind damit bestens für künftige Anforderungen gerüstet.

Wie erfolgt die Standortauswahl für die Basisstationen?

Basisstationen für den Mobilfunk müssen schon allein aus wirtschaftlichen Gründen sehr sorgfältig geplant werden. Noch dazu sollten neben technischen und baulichen Rahmenbedingungen auch der Schutz des Ortsbildes und der Natur berücksichtigt werden.

Ziel der Betreiber ist es, Gebiete gleichmäßig und gleichzeitig optimal mit Leistung zu versorgen. Rein aus funktionstechnischen Gründen macht daher zum Beispiel in kleineren Gemeinden eine einzelne Basisstation im Zentrum häufig am meisten Sinn.

Am Ortsrand würden die Basisstationen vielleicht weniger auffallen. Sobald durch die Platzierung aber nicht mehr das gesamte Gebiet mit gleicher Leistung versorgt werden kann, bedarf es vielleicht sogar weiterer Stationen. Ob diese Vorgehensweise auf mehr Akzeptanz stoßen und gleichzeitig wirtschaftlich sein würde, sei dahingestellt.