5G – DER NEUE

5G – DER NEUE

MOBILFUNKSTANDARD

25.06.2020

Georg Neubauer

INHALT

• Grundlegendes zu 5G

• Anwendungen von 5G

• 5G im Vergleich zu Vorgängertechnologien

• Wozu dient MIMO?

• Gedanken zu Diskussionen in den nächsten Jahren

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GRUNDLEGENDES – DAS

ELEKTROMAGNETISCHE SPEKTRUM

Feldtyp Frequenzbereich Wellenlänge Photonenenergie (eV) Wirkung Radiofrequenzen 10 kHz – 1 GHz 30 km – 0,3 m 41,4*10^-12 – 4,1*10^-6 Erwärmung Mikrowellen 1 GHz – 300 GHz 0,3 m – 1 mm 4,1*10^-6 – 1,24*10^-3 Erwärmung Infrarot 300 GHz – 384 THz 1 mm – 780 nm 1,24*10^-3 – 1,59*10⁰ Erwärmung,

photochemische Effekte Licht 384 THz – 769 THz 780 nm – 390 nm 1,59*10⁰ – 3,18*10⁰ Photochemische

Schädigung, Verbrennung UV 7,7*10¹⁴ Hz – 3*10¹⁷ Hz 390 nm – 1 nm 3,18*10⁰ – 1,24*10³ Photochemische

Schädigung, Verbrennung Röntgenstrahlung 3*10¹⁷ Hz – 5*10¹⁹ Hz 1 nm – 6 pm 1,24*10³ – 206,8*10³ Veränderung

molekularer und atomarer Strukturen g- Strahlung 5*10¹⁹ Hz – 10²² Hz 6 pm – 0,03 pm 206,8*10³ – 413,5*10⁶ Veränderung

molekularer und atomarer Strukturen

13.01.2020

GRUNDLEGENDES – DAS

ELEKTROMAGNETISCHE SPEKTRUM

• Grenze zur Ionisierung bei ca. 100 nm bzw. ca. einer Photonenenergie von 12,4 eV

• Elektronenladung 1,602*10-19 C

• Planksches Wirkungsquantum h=6,625*10-34 Js

q E

f h E

* F

=

*

=

Wirkungsquantum oder Ladung und Potential

Eindringtiefe

Abfall auf 1/e (ca. 37%)

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5G: DEFINITIONEN UND HINTERGRUND

5 G Standard: seit 2016 vom 3rd Generation Partnership Project entwickelt

• Einsatzbereich: Nicht nur Kommunikation von Menschen untereinander, sondern auch mit und zwischen Sensoren und Geräten (Machine to

Machine Communication (M2M), Internet of Things (IoT), man erwartet bis 10-100 x mehr Geräte)

• Ziele:

• Hohe Datenraten

(>10GBit/s Peak, 100 Mbit/s Standard)

• Hohe Batterielaufzeiten = Energieeffizienz (10 Jahre Batterielaufzeit bei M2M)

• Latenzzeit (geringe Signallaufzeit, 1 ms und darunter)

• Hohe Verfügbarkeit

13.01.2020

5G: ZEITLICHER HORIZONT

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BIS ZU 4G…

Von Markus Riederer, Workshop LTE, December 2010

13.01.2020

ÜBER LTE HINAUS – WAS BRINGT 5G?

• Maximal erreichbare Datenrate 20 Gbit/s (eMBB)

• Für den User verfügbare Datenrate 100 Mbit/s

– 1 Gbit/s (eMBB)

• Mobilität: maximale Geschwindigkeit für Handoff

und QoS: 500 km/h

IMT Vision – Framework and overall objectives of the

5G

1GBit/s 20GBit/s

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INHALT

• Grundlegendes zu 5G

• Anwendungen von 5G

• 5G im Vergleich zu Vorgängertechnologien

• Wozu dient MIMO?

• Gedanken zu Diskussionen in den nächsten Jahren

13.01.2020

5G: DEFINITIONEN UND ANWENDUNGSBEREICH

• eMBB – Enhanced Mobile Broadband:

hohe Datenrate & geringe Signallaufzeit

• mMTC – Massive Machine-type

Communication: sporadische, geringe Datenmengen, lange Batterielaufzeit

• URLLC - Ultra Reliable and Low Latency Communication: sehr hohe

Systemverfügbarkeit, Zuverlässigkeit, geringe Signallaufzeit bei hohem

Datenaufkommen G. Fettweis, S. Alamouti, 5G Personal mobile Internet beyond what cellular did to telephony, IEEE Commun.

Mag, Feb 2014

11 25.06.20

Image Source: https://www.triad.de/de/themen/schwerpunkte/industrie-40/

ANWENDUNGEN:

WIRELESS NETWORKS FOR I4.0

node 1

node 2

node 3 (relay) controller / 5G gateway

ULTRA-RELIABLE LOW-LATENCY WIRELESS LINKS

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ANWENDUNG: TRANSPORT

Aus Zemen 2018, OVE Vortrag European and National 5G Research Projects

13.01.2020

ANWENDUNG:

KOMMUNIKATION AUTONOMER FAHRZEUGE

Aus Zemen 2018, OVE Vortrag European and National 5G Research Projects

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INHALT

• Grundlegendes zu 5G

• Anwendungen von 5G

• 5G im Vergleich zu Vorgängertechnologien

• Wozu dient MIMO?

• Gedanken zu Diskussionen in den nächsten Jahren

13.01.2020

MODULATIONSVERFAHREN UND DATENRATEN IM VERGLEICH

100 Mbps immer, 10 – 20 Gbps Peak

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FREQUENZBÄNDER, SENDELEISTUNG UND ZUGRIFFSVERFAHREN IM VERGLEICH

13.01.2020

ZUGRIFFSVERFAHREN IM VERGLEICH

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BEISPIEL GSM (2G)

13.01.2020

BEISPIEL UMTS (3G)

• Das WCDMA Signal besteht aus vielen Daten und Kontrollkanälen, es werden Spread Spectrum

Technologie und Scrambling Codes verwendet. Die Stärke des HF-Signals hängt vom Verkehrsaufkommen ab.

• Nur der Common Pilot Channel (CPICH) hat eine vom Verkehr unabhängige, konstante

Leistung (typisch 10% der maximalen Signalleistung)

• Leistung variiert sehr stark

(Leistungsänderung alle 0,667

Spektrum eines UMTS HF-Signals a…nur CPICH

b…CPICH + alle Kontrollkanäle c…maximales Signal (höchster

Verkehr)

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5G: INFORMATIONEN ZUM PHYSIKALISCHEN KANAL (REL. 16)*

OFDMA als Zugriffsverfahren

• Maximale Bandbreite eines Trägers 400 MHz (max. 16 Träger)

• Maximale Anzahl von Subträgern 3300

Skalierbare 5G NR OFDM Numerologie (Frequenzbereich)

*Designing 5G NR, Qualcomm 2018 13.01.2020

5G: INFORMATIONEN ZUM PHYSIKALISCHEN KANAL (REL. 16)*

Skalierbare 5G NR OFDM Numerologie (Zeitbereich)

*Understanding the 5G NR Physical Layer, Campos 2017

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5G: KELLER 2019 (STUDIE 29)

Überlegungen zur Expositionserfassung von 5G Signalen - Vorschlag von 2 Extrapolationsmethoden

• Grundsätzliches: Wahl geeigneter Filter (möglichst wenig Beiträg^{e von}

Nebenkanälen), hochselektive Filter anstelle von gaußförmigen Filtern, geeignete Mittelungszeit des rms Detektors

• Wie auch bei anderen Technologien hängt die Signalstärke stark vom Nutzerverhalten und den Datenraten ab

• Gibt es Signalkomponenten die über der Zeit konstant und auf deren Erfassung man durch Extrapolation eine Extrapolation

durchführen kann? – nur Sync-Kanäle und PBCH erfüllen diese Kriterien

13.01.2020

5G: KELLER 2019 (STUDIE 29) – TEIL 2

Überlegungen zur Expositionserfassung von 5G Signalen - Vorschlag von 2 Extrapolationsmethoden

• IEC 62232: in 95% der Fälle liegt die tatsächliche Exposition um einen Faktor 4 unter der theoretisch maximalen Exposition – Die Definition von Reduktionsfaktoren ist eine politische Entscheidung

• Ein SS/PBCH Burst kann im Frequenzbereich von 3 bis 6 GHz 8 SS/PBCH Blocks in einem Halbrahmen von 5 ms enthalten

• Ansatz 1: Frequenzselektive Extrapolation (Entspricht Methode zur Erfassung von LTE nach IEC, Annahme: es gibt keine Signalanteile die stärker als der SS/PBCH sind und das alle SS/PBCH Elemente mit konstanter Leistung übertragen werden

• Ansatz 2: Demodulationsbasierte Extrapolation Idee: PSS und SSS werden für jede Zelle separat gemessen – sollte in der Praxis eher zutreffen

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INHALT

• Grundlegendes zu 5G

• Anwendungen von 5G

• 5G im Vergleich zu Vorgängertechnologien

• Wozu dient MIMO?

• Gedanken zu Diskussionen in den nächsten Jahren

ABSTRAHLCHARAKTERISTIK NICHT

DYNAMISCHER SENDEANLAGEN (TYPISCH 2G, 3G)

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MIMO – MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT

• Übertragungsverfahren unter Nutzung mehrerer Sende – und Empfangsantennen

• Es kann nicht nur die zeitliche, sondern auch die räumliche Dimension zur Informationsübertragung genutzt (Space-Time Coding) werden – Datenrate als auch Qualität werden dadurch verbessert

• Zwischen jeder Empfangsantenne und Sendeantenne entsteht

jeweils ein Kanal (gleiche Frequenz!) – entweder erhöhte Datenrate

oder mehrere Benutzer gleichzeitig oder Kombination

VERWENDUNG VON ANTENNEN - ARRAYS

• Über alle Antennen gleiches Signal ausschicken – starke Bündelung

• Über alle Antennen gleiches Signal,

aber phasenverschoben: Ausrichtung des Strahls

• Über Antennengruppen unterschiedliche Signale ausschicken – Kommunikation

mehrerer Nutzer gleichzeitig (räuml. Multiplexing)

• Oder gleiches Signal in unterschiedliche Richtungen schicken, gleicher Nutzer kann von Mehrwegausbreitung profitieren (NLOS)

• Ab ca. 64 Antennenelementen kann man von Massive MIMO sprechen

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INHALT

• Grundlegendes zu 5G

• Anwendungen von 5G

• 5G im Vergleich zu Vorgängertechnologien

• Wozu dient MIMO?

• Gedanken zu Diskussionen in den nächsten Jahren

13.01.2020

MÖGLICHE DISKUSSIONEN DER NÄCHSTEN JAHRE – WAS IST ANDERS IM VERGLEICH ZU 2-4G? (1)

• Die Signale?

• Die Modulations- und Zugriffsverfahren sind nahezu ident wie bei 4G

• Die Datenraten sind wesentlich höher, die Latenzzeiten signifikant kürzer – das war aber bei jedem Generationswechsel so

• Die Frequenzbänder sind teilweise wesentlich höher (~25 GHz)

• Die Art der Anwendungen?

• Enhanced Mobile Broadband: die Evolution zu höheren Datenraten, kürzere Signallaufzeit – in der Entwicklung nicht wirklich neu, mMIMO verursacht potentiell andere Expositionsmuster

• Massive Machine Type Communication: Neu, aber für die Exposition der Bevölkerung vermutlich selten relevant

• Ultra Reliable and Low Latency Communication: Neu,

möglicherweise bei autonomen Fahren die Exposition von Interesse

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MÖGLICHE DISKUSSIONEN DER NÄCHSTEN JAHRE – WAS IST ANDERS IM VERGLEICH ZU 2-4G?

• Die biologischen Auswirkungen?

• Die Eindringtiefe (Signalabnahme auf 37%) liegt bei 25 GHz je nach Gewebeart im Bereich von wenigen mm

Die Exposition der Haut und Auge und deren Modellierung gewinnen an Bedeutung

13.01.2020

DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT!

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ABSORPTION ELEKTROMAGNETISCHER HOCHFREQUENZFELDER

Anteil, der reflektiert / absorbiert / transmittiert wird abhängig von:

§ Eigenschaften der einfallenden Welle (Polarisation, Frequenz, Feldstärken)

§ Eigenschaften des Körpers (Materialeigenschaften, Orientierung relativ zu Feld, Größe)

einfallende EM-Welle reflektierter Anteil

transmittierter Anteil absorbierter Anteil

Temperaturerhöhung durch Absorption

absorbierender Körper

13.01.2020

EINDRINGTIEFE IN UNTERSCHIEDLICHE GEWEBE

Eindringtiefe:

des ursprünglichen Wertes abnimmt

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SPEZIFISCHE ABSORPTIONSRATE SAR (1)

v Absorption von Strahlungsenergie führt zu Gewebserwärmung v Körpergewebe sind empfindlich gegenüber zu starker Erwärmung

® Thermoregulation in engen Grenzen (Normaltemperatur 36^° - 37^°C)

v Biologisch relevant ist daher der Temperaturanstieg im Gewebe

v Problem: Temperaturanstieg abhängig von der Durchblutung (Wärmeregulation des Körpers) ® Durchblutung von Gewebe zu Gewebe stark unterschiedlich

® Temperaturanstieg als allgemein gültige dosimetrische Größe daher nicht geeignet

Þ Spezifische Absorptionsrate SAR (Einheit: W/kg)

s ^E r

SAR = ×

SPEZIFISCHE ABSORPTIONSRATE SAR (2)

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BASIS DER GRENZWERTE

13.01.2020

RELEVANTE DOKUMENTE ZUR BEURTEILUNG DER EXPOSITION

• Die ICNIRP Richtline aus dem Jahr 1998 (siehe nächste Seiten, Guidelines for limiting exposure to time varying electric, magnetic and and electromagnetic fields up to 300 GHz)

• Die EU Ratsempfehlung aus dem Jahr 1999 (1999/EG/519 Council

Recommendation on the limitation of exposure of the general public to electromagnetic fields - 0 Hz to 300 GHz)

• Die Arbeitnehmerschutzrichtlinie aus dem Jahr 2013 (Directive 2013/35/EU – electromagnetic fields of 26 June 2013 on the minimum health and safety requirements regarding the

exposure of workers to the risk arising from physical agents (electromagnetic fields)

• Die VEMF Verordnung 2016 (Verordnung des BM für Arbeit, Soziales und

Konsumentenschutz über den Schutz der Arbeitnehmer/innen vor der Einwirkung durch elektromagnetische FelderBGBl. II Nr. 179/2016)

• Die OVE-Richtlinie 23-1 2017 (Elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder im Frequenzbereich von 0Hz bis 300 GHz Teil 1: Begrenzung der Exposition von Personen der

Allgemeinbevölkerung)

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DISKUSSION – EINIGE FRAGEN

• Gibt es Studien über biologische Effekte zu 5G?

• Es gibt einige dosimetrische Studien speziell zu 5G

• Spezielle Studien über biologische Wirkungen zu 5G gibt es (noch) nicht, aber die Modulation & Übertragungsverfahren sind sehr ähnlich denen von LTE, man kann z.B. durchaus Studien zu LTE heranziehen

• Was ist bei 5G anders als bei vorhergehenden Mobilfunkstandards im Hinblick auf biologische Wirkungen?

• In Zukunft vor allem zum Teil das Frequenzband im höheren GHz Bereich (in Österreich Group 30, 26 – 28 GHz, zur Zeit noch keine Ausschreibung geplant) – geringere Eindringtiefe, Oberflächeneffekte

• Vorteile von 5G im Vergleich zur Glasfaser?

• Ca. gleiche oder höhere Datenraten (DSL~16 Mbit/s, VDSL~100 Mbit/s (typisch 50 Mbit/s), FTTB Glasfaser~1000 Mbit/s, 5G~1000 Mbit/s)

13.01.2020