Zur Ökonomie gemeinsamer Ressourcennutzung in 5G Netzen

by
Zoraida Frias, Volker Stocker
My articles My booksMy videos
Follow on:

Dieser Beitrag diskutiert Chancen und Herausforderungen der gemeinsamen Ressourcennutzung in Mobilfunknetzen der 5. Generation.

5G steht für die neueste Generation mobiler Kommunikationstechnologien und gilt als ultimativer Wegbereiter einer digitalen Revolution. Es soll über die Bereitstellung zahlreicher neuartiger Anwendungen und Geschäftsmodelle hinaus eine disruptive Transformation von Gesellschaften und Ökonomien vorantreiben. So verspricht die Technologie etwa Mobilität durch vernetzte Fahrzeuge effizienter, nachhaltiger und sicherer zu machen, verbesserte öffentliche Dienstleistungen durch die Vernetzung städtischer Infrastrukturen zu ermöglichen, den Gesundheitssektor zu revolutionieren sowie Fabriken und Produktionsprozesse intelligenter und effizienter zu machen.

Ein wachsendes Dienstespektrum bringt neuartige Herausforderungen

5G-basierte, innovative Anwendungen und Anwendungsfälle erweitern das Dienstespektrum von Mobilfunknetzen erheblich. Deren Bereitstellung ist zudem mit ausgesprochen dynamischen, heterogenen und komplexen Anforderungen an die Konnektivität verbunden, insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Dienstgüte (oder Quality of Service, QoS). Während einige Anwendungen extrem hohe Datenraten oder extrem niedrige Latenzzeiten erfordern, stellen andere außerordentlich hohe Anforderungen an die Energieeffizienz. Hier gilt zu beachten, dass das für Mobilfunkdienste bereitgestellte Frequenzspektrum – obwohl es in den letzten Jahren deutlich erweitert wurde – nach wie vor eine begrenzte, und vor allen Dingen knappe, Ressource darstellt. Dies scheint wenig überraschend, berichtet Cisco^{[ a ]} doch, dass sich der mobile Datenverkehr in den letzten fünf Jahren um das 18-fache erhöht hat und sich zwischen 2019 und 2024 weiter versiebenfachen dürfte. Lokale Nachfragevariationen führen dabei zu unterschiedlicher Frequenzknappheit. Obwohl das Spektrum welches für Mobilfunkdienste bereitgestellt wird in der Regel in verschiedenen geografischen Gebieten innerhalb einzelner Länder gleich ist, kann zum Beispiel in großen Städten oder Ballungszentren eine größere Rivalität über die verfügbaren Frequenzressourcen erwartet werden als in dünn besiedelten Gebieten. Wie aber können diese Rivalitäten (möglichst) effizient adressiert werden?

Mobilfunknetzbetreibende Unternehmen, die über langfristige Lizenzen für die Nutzung von Funkfrequenzen verfügen, haben bis dato die Rivalität um knappe Frequenzressourcen durch die Kombination zweier komplementärer Strategien adressiert. Zum einen wurde die Dichte der Basisstationen in Gebieten mit hoher Nachfrage erhöht. Zum anderen wurden Strategien der physischen Separierung verfolgt. Diese implizieren die Bereitstellung mehrerer (physisch getrennter, aber überlappender) Mobilfunknetze, die wiederum für spezifische Dienstanforderungen optimiert sind. Etliche mobilfunknetzbetreibende Unternehmen nutzen etwa 3G-basierte Netze für die Bereitstellung von Sprachtelefonie und 4G-basierte Netze für die Bereitstellung von breitbandbasierten Datendiensten. Auf diese Weise können nicht nur Rivalitäten zwischen Sprach- und Datendiensten um knappes Spektrum vermieden werden, sondern auch wechselseitige Funktionseinschränkungen der jeweiligen Dienste vorgebeugt werden. Abgesehen von technologischen und wirtschaftlichen Ineffizienzen, die sich aus dem Betrieb paralleler Netze ergeben, sind weder 3G- noch 4G-basierte Netzzugangstechnologien dafür geeignet, der zunehmenden Vielfalt und Stringenz der Anforderungen hinsichtlich Mobilität, Latenzzeiten, Datenraten und Energieeffizienz gerecht zu werden. Was macht 5G also so besonders?

Ein neues Paradigma für die gemeinsame Ressourcennutzung

5G verwirft die Idee der physischen Separierung durch parallele Netze. Diese Idee wird vielmehr ersetzt durch ein neues Paradigma für die gemeinsame Ressourcennutzung. So soll eine sich evolutorisch wandelnde Menge von Anwendungsdiensten über gemeinsam genutzte Infrastruktur- und Netzressourcen bereitgestellt werden. Die effiziente Realisierung dieses Paradigmas fußt auf drei Eckpfeilern. Erstens, die Erhöhung verfügbarer Infrastrukturressourcen. Dies wird erreicht durch (i) Strategien zur enormen Erhöhung der Zell- und Glasfasernetzdichte; (ii) den Einsatz von Multifunk-Zugangstechnologien; (iii) die Nutzung von Millimeterwellenspektrum; und (iv) die Erhöhung der Anzahl paralleler Kommunikationsströme durch massive MIMO (Multiple Input Multiple Output)-Technologien (Andrews et al. 2014). Zweitens, die Erhöhung der Kapazität verfügbarer Netzressourcen und eine Verringerung der Netzwerklatenzzeiten. Dies wird erreicht durch die Bereitstellung hochgradig verteilter Cloud-Computing-Ressourcen, sodass Datenverarbeitung und -speicherung lokal, d.h. in unmittelbarer Nähe von EndnutzerInnen oder Geräten, erfolgen kann. Drittens, flexibles und dynamisches Ressourcensharing. Bausteintechnologien wie Software Defined Networking (SDN) und Network Function Virtualization (NFV) machen Netze programmierbar, flexibler und agiler und ermöglichen die granulare Steuerung und Orchestrierung verschiedener (virtualisierter) Netzwerkressourcen und -funktionen.

Auf der Basis gemeinsam genutzter physischer Ressourcen können so verschiedene virtuelle Netze, sogenannte „Network Slices“, aufgebaut werden. Dabei ist entscheidend, dass Network Slices nicht nur dynamisch erstellt, angepasst und unabhängig voneinander gemanagt werden können; sie können vielmehr so maßgeschneidert werden, dass sie die Kapazitäts- und QoS-Anforderungen verschiedenster Anwendungen oder Anwendungsfälle erfüllen (Shukla & Stocker 2019, Lehr 2019). So liegt jedem Network Slice ein optimierter Einsatz komplementärer Inputs – d.h. Netzwerkfunktionen, Infrastruktur- und Netzressourcen, sowie Funkzugangstechnologieeinstellungen – zu Grunde. Die notwendige Orchestrierung und Allokation (virtualisierter) Netzressourcen wird in der Regel von einer zentralen Einheit vorgenommen, die über eine „Ende-zu-Ende-Sicht“ des Netzwerks verfügt.

Dieses neue Paradigma entpuppt sich jedoch als zweischneidiges Schwert. Während der Grad zu welchem sich die geografische Abdeckung (bzw. Reichweite) verschiedener 5G-Anwendungsfälle überschneidet eine entscheidende Rolle bei der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit und Sicherstellung der erforderlichen Investitionen spielt, ergibt sich hieraus ein Trade-off: Vereinfacht gesprochen steigt das „Sharingpotenzial“ gemeinsam genutzter Ressourcen, je mehr Anwendungen auf der Basis der selben physischen Netzwerkressourcen bereitgestellt werden. Die daraus resultierende Rivalität bzw. entsprechende Allokations- und Koordinationsprobleme so zu lösen, dass Ressourcen in ökonomisch effizienter Weise geteilt werden, stellt eine komplexe Aufgabe dar.

Die Spektrumregulierung unterscheidet sich zwischen Ländern in Europa

Ein Blick auf die verschiedenen Ansätze europäischer Regulierungsbehörden bei der Gestaltung nationaler 5G-Frequenzauktionen ist insofern aufschlussreich, als dass sich deren Standpunkte darüber, wie die Bedarfe verschiedener 5G-Anwendungsfälle nach Frequenzen sowohl in öffentlichen als auch in privaten Netzen miteinander in Einklang gebracht werden sollen, deutlich unterscheiden.

In Italien^{[ b ]} oder Frankreich^{[ c ]} beispielsweise haben die Regulierungsbehörden neue Lizenzen bzw. Frequenznutzungsrechte mit „Use-it-or-lease-it“-Bestimmungen versehen. Diese schreiben es lizenznehmenden Unternehmen vor, angemessenen Anträgen auf Frequenzzugang von Unternehmen, die selbst über kein Frequenzspektrum verfügen, stattzugeben oder Frequenzen lokal zu angemessenen Preisen zu vermieten. Die deutsche Bundesnetzagentur^{[ d ]} (BNetzA) hingegen hat sich dafür entschieden, 100 MHz (d.h. das Frequenzband von 3,7 bis 3,8 GHz) der verfügbaren 400 MHz des Frequenzbereichs von 3,4 bis 3,8 GHz für lokale Zuteilungen beiseite zu legen und nicht zu versteigern. Dieses Band wird getrennt für den Aufbau privater und lokal beschränkter Netze verwendet.^[ 1 ]Ofcom^{[ e ]}, die britische Regulierungsbehörde, hat einen Weg eingeschlagen, der einen allgemeinen Rahmen für die gemeinsame Nutzung des Frequenzspektrums schaffen soll. Dieser ermöglicht lokale Lizensierungen, die außerhalb der 5G-Frequenzauktionen erfolgen und an keinerlei Versorgungs- oder Zugangsverpflichtungen geknüpft sind. Um den Aufbau lokaler 5G-Netze anzukurbeln und damit verbundene Innovationen zu erleichtern, werden die lokalen Lizenzen auf einer „first come, first served“ Basis vergeben. So können interessierte Parteien Zugang zu Frequenzabschnitten erlangen, die zwar an die großen mobilfunknetzbetreibenden Unternehmen lizenziert sind, aber innerhalb der 1800 MHz-, 2300-MHz- und 3,8-4,2-GHz-Bänder^[ 2 ] ungenutzt bleiben.

Fazit

Die Konzentration der Nachfrage nach 5G-Diensten in bestimmten geografischen Gebieten, z.B. in Ballungszentren, wird die Technologie- und Regulierungsdesigns von bzw. für 5G auf den Prüfstand stellen. Darüber hinaus wird es interessant sein zu sehen, wie sich die verschiedenen Regulierungsansätze auf die gemeinsame Ressourcennutzung und die Realisierung verschiedener 5G-Anwendungsfälle auswirken werden. 5G Basistechnologien wie Network Slicing und Edge Computing, zusammen mit entsprechender Spektrumregulierung und innovativen Ansätzen für lokale Lizensierung werden zu einer Lokalisierung von Netzwerkverkehr führen und die Rolle privater 5G-Netze hervorheben. In Kombination werden sich diese Entwicklungen nicht nur auf die „traditionelle“ Ökonomie gemeinsamer Ressourcennutzung („Ressourcensharing“) und Konventionen in Bezug auf das „Revenuesharing“ im Mobilfunk auswirken, sie könnten außerdem zu neuen (und unerwünschten) Formen der Fragmentierung führen.

 Andrews, J.G. et al. (2014). What will 5G be? IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 32(6), 1065-1082.

Lehr, W. (2019). 5G and the Future of Broadband. In: Knieps, G. & Stocker, V. (Hrsg.), The Future of the Internet: Innovation, Integration and Sustainability. Nomos: Baden-Baden, 109-150.

Shukla, A. and Stocker, V. (2019). Navigating the Landscape of Programmable Networks: Looking beyond the Regulatory Status Quo. In: TPRC 47, verfügbar unter: https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=3427455^{[ f ]}

©KOF ETH Zürich, 17. Apr. 2020