5G-Netz, Lichtwellenleiter oder Richtfunk?

Telekommunikationsnetze
Donnerstag, 14. Oktober 2021 - 16:38

Was ist Richtfunk?

Der Richtfunk ist ein Punkt-zu-Punkt (P2P) Funksignalübertragungssystem für die Übertragung mobiler Daten. Eine Richtfunkverbindung kann zwischen einem Sender und einem Empfänger eine Distanz von bis zu 150 Kilometern überbrücken. Ursprünglich für militärische Anwendungen entwickelt, wird es heute häufig in Mobilfunknetzen zur Verbindung von Standorten (Backhaul) eingesetzt.

Im Vergleich zum Lichtwellenleiter, die bedeutendste Alternative, hat der Richtfunk zwei wesentliche Vorteile:

  • Einfache und schnelle Installation: Eine Richtfunkverbindung ist in wenigen Wochen bereitgestellt und funktionsfähig
  •  Geringe Kosten: Durch die Verwendung der Luft erfordert die Richtfunkverbindung keine Bauarbeiten zwischen Sender und Empfänger. Ihre Kosten sind dadurch deutlich niedriger.

Diese Technologie garantiert jedoch keine unterbrechungsfreie Übertragung und ist daher nicht sicher. Das Signal ist empfindlich gegenüber:

  • Atmosphärischen Bedingungen: ein Feld, das frei bleiben muss, Wetterbedingungen
  • Interferenzen: elektromagnetische Störungen und potenzielles Hacking des Signals

Entwicklung zu 5G

In den traditionellen Frequenzbändern können Richtfunkverbindungen einen Durchsatz von 300 Mbit/s bis 1 Gbit/s erreichen. Durch die Nutzung neuer Frequenzbänder (V-Band und E-Band) wird der Richtfunk bis 2025 einen um das 10- bis 25-fache höheren Durchsatz erreichen können, allerdings über kürzere Entfernungen.

 

Frequency table

 

Richtfunk in Frankreich und der Welt

Heute hat das französische Netz fast 90 000 mobile Standorte. Mit der Einführung der neuen 5G-Technologien und den damit verbundenen Herausforderungen dürfte die Zahl der Standorte um das 6- bis 25-fache steigen und bis 2030 einige hunderttausend Standorte erreichen.

Heute gibt es in Frankreich mehr als 55 600 Richtfunk-Strahlenbündel mit einer durchschnittlichen Streckenlänge von 5 Kilometern.

International lag der Anteil der Richtfunkverbindungen 2017 bei 68 %, verglichen mit 26 % Lichtwellenleiter. Es wird geschätzt, dass dieser Anteil bis 2025 auf 57 % sinken wird, während Glasfaserverbindungen auf 40 % ansteigen werden.

 

Répartition technologie mobile

 

Der Anteil des Richtfunks steigt von 57,1 % auf 62 %, unter Ausschluss von Nordostasien, einem Gebiet, in dem das Fasernetz bereits stark ausgebaut ist (China, Südkorea, Japan).

Die großen Herausforderungen von 5G: Welche Infrastruktur für die Mobilfunknetze von morgen wählen?

Aggregation der Ströme am Standort, unterschiedliche Bedürfnisse

Die Entwicklung der Nutzungen im Zusammenhang mit 5G (im Hinblick auf Anzahl und Qualität) erfordert eine ständige Erhöhung der Netzwerkdurchsatz-Kapazität.

Im Jahr 2025 wird der Kapazitätsbedarf mobiler Standorte in städtischen Gebieten im Bereich zwischen 5 und 20 Gbit/s liegen. Dieser Bedarf könnte im Jahr 2030 bis zu 100 Gbit/s betragen. In ländlichen Gebieten wird ein Mobiltelefonie-Standort aufgrund der geringeren Bevölkerungsdichte einen geringeren Durchsatz von 300 Mbit/s bis 2 Gbit/s erreichen.

Der Richtfunk wird technisch in der Lage sein, diese Ströme bereitzustellen, jedoch über viel kürzere Entfernungen (maximal 1 bis 3 Kilometer). Es ist daher wahrscheinlich, dass sie in ländlichen Gebieten, in denen die Nachfrage nach Durchsatz geringer ist, bevorzugt werden.

 

Backhaul capacity

 

Latenzzeit: ein Problem, das durch die Architektur behoben wird:

Neue Anwendungen wie Industrie 4.0, Telemedizin, vernetzte Fahrzeuge oder auch Gaming werden durch 5G-Technologie sukzessive vorangetrieben und erfordern eine möglichst geringe Latenzzeit. Bei der Monetarisierung von 5G-Netzen wird die Latenz eine wichtige Hebelwirkung zukommen.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle in der Luft ist die Lichtgeschwindigkeit. In einer Faser breitet sich die Lichtwelle hingegen mit 75 % dieser Geschwindigkeit aus. Der Richtfunk hat also einen inhärenten Vorteil in Bezug auf die Latenzzeit.

Die Latenzzeit sollte anhand der Architektur gemessen werden. Tatsächlich zentralisieren freistehende 5G-Netzwerke einen Teil der Rechenleistung vor den Funkstandorten, insbesondere in Edge-Rechenzentren. Diese lokalen Rechenzentren werden sich wenige Kilometer von den Funkstandorten entfernt befinden. Auf diesen Entfernungen wird der technische Vorteil der Richtfunkverbindung in Bezug auf die Latenz geringer und ist daher nicht unbedingt ein entscheidendes Kriterium. 

Absicherung von Mobilfunknetzen, ein zentrales Thema

Über die Latenz hinaus müssen Anwendungen mit hohem Mehrwert wie URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) äußerst zuverlässig sein. Sie erfordern ein hohes Maß an Netzsicherheit (Doppel-Versorgung, Verschlüsselung usw.), die heute nicht ausreichend ausgereift ist und dieser Herausforderung nicht gerecht wird.

Wie oben erwähnt, liegt der Hauptnachteil des Richtfunks in seiner Empfindlichkeit gegenüber seiner Umgebung und gegenüber Störungen. Somit sind optische Verbindungen für die Verbesserung der Sicherheit von Mobilfunknetzen günstiger.

Ihre Gesamtbetriebskosten bei der Bereitstellung mobiler Infrastrukturen optimieren

Die TCO (Total cost of ownership oder Gesamtbetriebskosten) entsprechen den Gesamtkosten des Netzes über seine gesamte Lebensdauer (Summe der Kosten von Netzinfrastruktur, Installation, Ausbau, Wartung, Betrieb usw.). Ihre Optimierung ist unabdingbar, um die Rentabilität der Investitionen sicherzustellen.

Über die Strecke einer Richtfunkverbindung sind die Kosten einer optischen Verbindung etwa 10-mal höher. Optische Verbindungen können daher teurer erscheinen. Bei Richtfunkverbindungen über immer kürzere Distanzen wird jedoch die Anzahl der Geräte steigen und die Gesamtkosten werden langfristig höher sein. Darüber hinaus sind optische Verbindungen, obwohl sie teurer in der Bereitstellung sind, über viel längere Entfernungen nutzbar, aber auch langlebiger und skalierbarer (unbegrenzte Bandbreite). Diese technologische Skalierbarkeit ist daher ein beträchtlicher langfristiger Vorteil, der bei der Bedarfsschätzung und der TCO-Berechnung berücksichtigt werden muss. Investitionen in diese optischen Infrastrukturen könnten vor allem für zukünftige Generationen mobiler Netze nützlich sein.

Lichtwellenleiter und Richtfunk, zwei sich ergänzende Technologien

Jede mobile Datenübertragungstechnik findet ihren Platz.

Der Lichtwellenleiter ist die Technologie der Zukunft, zuverlässiger, sicherer, in der Lage, mehr Daten zu übertragen, und skalierbarer. Es besteht kein Zweifel, dass er die Kerntechnologie der Mobilfunknetze sein wird und die Richtfunkverbindungen allmählich verdrängen wird.

Dennoch wird Richtfunk weiterhin in ländlichen Gebieten und/oder bei kurzen Reichweiten eingesetzt werden. Eine optimale technische und wirtschaftliche Antwort wird daher auf der Komplementarität dieser beiden Technologien beruhen.

 

Mobile backhaul technology trade-offs