Definition Was ist Dynamic Spectrum Sharing (DSS)?
Von Dipl.-Ing. (FH) Stefan Luber tutanch
Dynamic Spectrum Sharing ist ein vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standardisiertes Verfahren zur parallelen Nutzung eines Mobilfunkfrequenzbands mit LTE und 5G. Das Verfahren arbeitet dynamisch und teilt die verfügbare Bandbreite abhängig von der Anzahl der Endgeräte verschiedener Mobilfunktechnologien auf. In Deutschland machen Vodafone und die Telekom ausgiebig Gebrauch von DSS.
Die Abkürzung DSS steht für Dynamic Spectrum Sharing. Es handelt sich um ein vom 3rd Generation Partnership Project erstmals im 3GPP Release 15 standardisiertes Verfahren, mit dem sich ein Mobilfunkfrequenzband gleichzeitig für LTE (4G) und 5G verwenden lässt. Je nach Anzahl an Endgeräten wird die Bandbreite dynamisch und in Echtzeit zwischen den beiden Mobilfunktechnologien aufgeteilt.
Für den Mobilfunknetzbetreiber ergibt sich der Vorteil, dass er sich bei einem bestimmten Frequenzbereich nicht mehr für eine der Mobilfunktechnologien entscheiden muss, sondern gleichzeitig LTE und 5G bereitstellen kann. Der Rollout der Mobilfunktechnik der fünften Generation wird beschleunigt, ohne die 4G-Funktionalität in einzelnen Frequenzbändern abschalten zu müssen.
Typischerweise kommt DSS in den niederfrequenten, bisher für LTE verwendeten Funkbändern mit Frequenzen von 700 MHz oder 2,1 GHz zum Einsatz. DSS ist ein technisches Verfahren, das netzseitig realisiert ist und keine speziellen Endgeräte notwendig macht. Je nach Endgerät und unterstützter Mobilfunkgeneration oder kompatiblem Frequenzbereich nutzt dieses 4G oder 5G zur Kommunikation. In Deutschland machen die Mobilfunkanbieter Vodafone und Deutsche Telekom ausgiebig von Dynamic Spectrum Sharing Gebrauch.
Die Motivation für die Standardisierung und den Einsatz von Dynamic Spectrum Sharing
In der Vergangenheit war die Einführung einer neuen Mobilfunkgeneration immer mit dem Einsatz eines neuen Frequenzbands oder mit der Umwidmung eines vorhandenen Frequenzbands für eine neue Mobilfunkgeneration verbunden. Die Mobilfunkbetreiber mussten sich für eine bestimmte Mobilfunkgeneration im jeweiligen Frequenzbereich entscheiden. Neue Frequenzbänder sind aber knapp und teuer. Der Aufbau neuer Antennentechnik für diese Frequenzbänder ist kostspielig und zeitaufwendig.
Ohne Dynamic Spectrum Sharing sind für die Mobilfunkprovider enorme Anstrengungen und Investitionen in den Aufbau der neuen Netze notwendig. Darüber hinaus lassen sich die vorhandenen Frequenzbereiche nicht einfach umwidmen, da ältere Mobilfunkgeräte unter Umständen unbrauchbar würden. Diese Einschränkungen haben zur Folge, dass sich das Innovationstempo im Mobilfunk verringert. DSS schafft einen Ausweg aus diesem Dilemma, indem sich in den vorhandenen Frequenzbereichen sowohl 4G- (LTE-) als auch 5G-Endgeräte verwenden lassen. Das Verfahren ist vollständig innerhalb des Mobilfunknetzes realisiert und benötigt keine neuen Endgeräte. Lediglich die entsprechenden Frequenzbänder und die zu nutzenden Mobilfunkgenerationen müssen unterstützt werden. Provider erreichen sehr schnell eine hohe 5G-Netzabdeckung, ohne 4G abzuschalten, und erfüllen die Versorgungsauflagen der Bundesnetzagentur mit geringerem Aufwand.
Dynamic Spectrum Sharing – die prinzipielle Funktionsweise
Dynamic Spectrum Sharing basiert unter anderem auf der technischen Grundlage, dass sowohl LTE als auch 5G Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) einsetzen. Auf Basis der gleichen physikalischen Schicht werden den unterschiedlichen Mobilfunkgenerationen dynamisch die Zeit- und Frequenzressourcen zugewiesen. 4G und 5G lassen sich innerhalb des Frequenzspektrums nahezu beliebig mischen. Die Funktion ist rein netzseitig implementiert und erfordert keine neuen Endgeräte.
Unterstützt ein 4G- oder ein 5G-Endgerät das DSS-Frequenzband, ist es mit der jeweiligen Mobilfunkgeneration nutzbar. Für 5G-Endgeräte ist zu beachten, dass derzeit eine LTE-Ankerzelle benötigt wird und Carrier Aggregation für die Ankerzelle zu unterstützen ist. Der parallele Betrieb von Mobilfunk der vierten und fünften Generation im gleichen Frequenzband benötigt einen höheren Anteil der Bandbreite für die Signalisierung. Dieser steht für den Nutzdatenverkehr nicht zur Verfügung.
DSS – die Situation in Deutschland
In Deutschland setzten die beiden Mobilfunkbetreiber Deutsche Telekom und Vodafone Dynamic Spectrum Sharing großflächig für den 5G-Ausbau ihrer Mobilfunknetze ein. Ziele der beiden Provider sind, den 5G-Ausbau zu beschleunigen, schnell eine große Flächendeckung zu erreichen und "alte" LTE-Geräte weiterhin zu unterstützen. Dank DSS verwenden die Telekom und Vodafone ihre vorhandene Antennentechnik- und -standorte weiter. DSS kommt bevorzugt in niederfrequenten Funkbändern mit hoher Reichweite zum Einsatz, die sich vor allem für den Netzausbau in der Fläche eignen. Die Telekom nutzt DSS im Band 1 beziehungsweise n1 mit der Frequenz von 2,1 GHz. Vodafone implementiert Dynamic Spectrum Sharing im Band 28 beziehungsweise n28 mit der Frequenz von 700 MHz. Durch die Abschaltung von 3G (UMTS) im Jahr 2021 werden sukzessive mehr Frequenzbereiche für den potenziellen Einsatz von Dynamic Spectrum Sharing frei.
Typische Vorteile durch den Einsatz von Dynamic Spectrum Sharing in Mobilfunknetzen
Der Einsatz von von Dynamic Spectrum Sharing in Mobilfunknetzen bietet zahlreiche Vorteile. Netzbetreiber müssen sich bei bestimmten Frequenzbändern nicht mehr für eine Mobilfunkgeneration entscheiden, sondern können LTE und 5G parallel betreiben. Sie erreichen dank der Verwendung der bestehenden Antennentechnik- und -standorte schnell eine gute Netzabdeckung mit der Mobilfunktechnik der fünften Generation und erfüllen die Netzversorgungsauflagen der Bundesnetzagentur leichter. Gleichzeitig bleiben die "alten" LTE-Endgeräte der Kunden weiterhin nutzbar. Weitere Vorteile sind:
- effiziente Ausnutzung der bestehenden Netzinfrastruktur
- keine komplette Umwidmung einzelner Frequenzbereiche für eine bestimmte Mobilfunkgeneration notwendig
- zusätzliche Frequenzspektren und Bandbreiten auch für LTE-Geräte (unter anderem durch die 3G-Abschaltung)
- dynamische und flexible Aufteilung der Ressourcen zwischen 4G und 5G
- niedrigere Netzausbaukosten für die Betreiber
Die möglichen Nachteile für den weiteren Netzausbau durch den Einsatz von DSS
Neben diesen Vorteilen bringt DSS einige Nachteile mit sich. Ein Nachteil ist beispielsweise, dass die maximal erreichbaren Nutzbandbreiten in einem Frequenzband durch den Parallelbetrieb von zwei Mobilfunkgenerationen sinken, da ein bestimmter Teil der Bandbreite für die Signalisierung benötigt wird. Da die Provider durch DSS relativ schnell die Versorgungsauflagen der Bundesnetzagentur erfüllen, verzögert sich unter Umständen der weitere Ausbau nativer 5G-Netze. Für den Verbraucher ergeben sich hinsichtlich der erzielbaren maximalen Datenraten und der Latenzzeiten durch DSS kaum Vorteile gegenüber LTE. Viele Vorzüge der Mobilfunktechnik der fünften Generation werden erst durch Standalone-5G-Netze und die Nutzung von höheren Frequenzbereichen beispielsweise im 3,6 GHz oder im mmWave-Bereich realisiert. Daher ist es nicht ausreichend, in den bestehenden LTE-Frequenzbändern DSS einzusetzen. Neue Standorte und neue Antennentechnik müssen früher oder später von den Netzbetreibern installiert werden, um 5G nativ für die Kunden bereitzustellen.
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