5G FDD & TDD

Was hat es mit den Abkürzungen auf sich?

Im Zusammenhang mit Mobilfunksystemen über LTE und 5G tauchen nicht selten die Kürzel „FDD“ und „TDD“ auf. Wir zeigen, was sich dahinter verbirgt und welche Vorteile bzw. Nachteile beide Systeme haben.

Mobilfunk = Zwei-Wege-Kommunikation

Wenn man sein Smartphone oder Router im 5G-Netz nutzt, findet stets eine Kommunikation in zwei Richtungen statt – senden und empfangen. In der Fachsprache heißt das übrigens „Duplex“. Ohne Duplexverfahren würden wir bei einem Telefonat immer entweder nur jemand hören oder selber sprechen wie mit einem Funkgerät. Selbiges gilt natürlich gleichsam für die Datenübertragung. Schließlich muss Ihr Handy z.B. der Newsseite mitteilen, welcher Artikel angeklickt wurde.

Nun gibt es wiederum zwei Möglichkeiten für diese 2-Wege-Kommunikation: Entweder man funkt gleichzeitig auf verschiedenen Frequenzen (Frequenz-Duplex) oder aber zeitversetzt abwechselnd auf einer Frequenz (Zeit-Duplex).

Frequenzduplex

Der englische Fachtermini hierfür ist Frequency Division Duplex, kurz FDD. Wie schon angedeutet, verwenden Mobilfunknetze wie 4G oder 5G verschiedene, getrennte Frequenzbandbereiche zum Senden (Uplink) und Empfangen (Downlink) von Daten. Man spricht dann auch von Vollduplex.

Nehmen wir dazu ein Beispiel: Die Mobilfunkprovider in Deutschland können 5G bei 700 MHz im Bereich von 758 bis 788 MHz zum Downlink verwenden und von 703 bis 733 MHz wird gesendet (Uplink). Von 733 bis 758 klafft also zwischen den Sende- und Empfangsbereichen eine 25 MHz große Schutzlücke.

Zeitduplex

In diesem Fall lautet die gängige Abkürzung TDD für Time Division Duplex. Statt zweier Frequenzen, wird einfach zeitversetzt entweder gesendet oder empfangen. Als Ersatz für die Schutzbänder, gibt es zur eindeutigen Abtrennung beider Kommunikationswege hier Schutzzeiten, also Zeitschlitze ohne Datentransfer. Streng genommen handelt es sich bei TDD nicht um ein Voll- sondern Halbduplexsystem, da ja die Grundlage der Zeitgleichheit zumindest technisch nicht gegeben ist. In der Praxis funktioniert die Zwei-Wege-Kommunikation aber genauso gut wie FDD (die Latenzen sind für den Mensch nicht wahrnehmbar), so dass man auch im Fall von TDD von einem Vollduplex spricht.

Was wird am häufigsten eingesetzt?

Weltweit, vor allem aber in Deutschland, dominiert eindeutig FDD. Insbesondere bei älteren Standards wie 2G, 3G oder 4G. Das liegt daran, dass beide Verfahren natürlich jeweils Vorteile und Nachteile aufweisen. Welche das sind, zeigen wir gleich. Wichtig ist, dass mit 5G erstmals auch TDD verstärkt zum Einsatz kommen dürfte!

Wie der folgende Screenshot aus einer 5G Fritzbox zeigt, wird aber zumindest bei 3.6 GHz auch TDD verwendet. In diesem Fall mit einer Verbindung über O2.

Vorteile & Nachteile: Wann ist Frequenz- und wann Zeitduplex die bessere Wahl?

Mobilfunknetzbetreibe wie die Deutsche Telekom stehen also prinzipiell vor der Wahl, welches Verfahren sie beim Ausbau einsetzen. Auf den ersten Blick erscheint TDD die cleverste Lösung, da man so wertvolle Frequenzressourcen spart. Für die Nutzung der Funkbänder müssen bekanntlich die Anbieter Lizenzen ersteigern, deren Kosten in die Milliarden gehen. Allein für 5G zahlten die Provider 2019 dem Staat über 6 Mrd. Euro im Zuge einer Auktion.

Das bisher aber dennoch FDD dominiert, hat folgenden Grund: Für den Flächenausbau ist FDD nämlich viel besser geeignet. Denn TDD-basierte Netze benötigen mit steigender Entfernung zum Funkmast immer höhere „guard periods“ (Schutzzeiten), um die Signale für Up- und Down noch sauber trennen zu können. Damit sinkt natürlich die realisierbare Datenrate beim Nutzer rapide. Infolge dessen bräuchten die Anbieter beim Netzausbau deutlich mehr teure Funkmasten. Zudem ist FDD technisch viel einfacher aufgebaut.

Doch es gibt auch eine Schattenseite: Leider ist FDD aber eher für einen kontinuierlichen Datenfluss die ideale Wahl, genauer gesagt bei synchroner Auslastung. Also wenn gleichzeitig viele Daten gesendet und empfangen werden müssen. Beispielsweise bei Videotelefonie. Ansonsten liegen die Frequenzkapazitäten der Senderichtung überwiegend brach. Im Alltag der meisten Mobilfunknutzer herrscht aber genau diese Asynchronität. Die meiste Zeit werden viel mehr Daten empfangen als gesendet. Im Fall eines Downloads, sind weit über 90% mit dem Downstream belegt, ebenso beim normalen Browsen im Web. Dieser Tradeoff wurde aber aufgrund der Reichweitenproblematik bisher in Kauf genommen. Wie wir noch sehen werden, lässt sich mit 5G aber endlich beides vereinen …

Vice versa zu FDD, sind Time Division Duplex Kommunikationsnetze dann ideal, wenn die Auslastung für den Down- und Upload asymmetrisch ausfallen. Mit anderen Worten, im Schnitt deutlich mehr Daten in eine Richtung laufen. Beispielsweise während jemand ein Video streamt, ist der Downstream fast 100% gefragt, während der Upstream nahezu brach liegt.

TDD Revival dank 5G?!

Künftig könnte auch hierzulande viel häufiger TDD eingesetzt werden. Denn den Netzausrüstern Ericsson und Chipproduzent Qualcomm waren schon vor Jahren gelungen, die Vorteile von TDD und FDD miteinander zu kombinieren. Statt „entweder - oder“ gibt es also ein „sowohl - als auch“! Möglich macht das Carrier Aggregation von FDD & TDD.

Der Vorteil für die Verbraucher sind höhere Datenraten und bessere 5G-Abdeckung. Das funktioniert aber nur mit echtem 5G, also 5G standalone. Beide Unternehmen demonstrierten das Potenzial der Technik bereits im Jahr 2020 in Schweden, wo im 600 MHz Band (n71) 20 MHz per FDD mit 100 MHz über TDD auf 2.5 GHz aggregiert wurden. Dabei kam übrigens ein Qualcomm Snapdragon X60 Modem zum Einsatz. Die Technik findet sich also längst in modernen 5G-Smartphones wieder …[1]

Besonders in künftigen Highspeed 5G-Netzen dürfte die TDD/FDD Carrier Aggregation von höchster Bedeutung sein. Denn für richtig schnelle 5G-Datenraten deutlich über 2 Gbit/s benötigt man noch mehr Spektrum im mmWave-Bereich. Diese reichen allerdings leider nur wenige hundert Meter. Die Netze der Zukunft werden daher idealer Weise mmWave mit weitreichenden Mid- bzw. Low-Band Frequenzen für bessere Reichweite kombinieren.

Häufige Fragen zum Thema 5G FDD/TDD

Wann kommt das in Deutschland?
Wie oben bereits an einem Beispiel gezeigt, wird z.B. bei 3.6 GHz schon TDD 5G eingesetzt. Genaue Pläne zu dem Thema, liegen uns aber leider von keinem Netzprovider vor.

Brauche ich ein neues Smartphone?
Nicht zwingend! Man kann natürlich weiter jedes reguläre 5G-Smartphone einsetzen, aber dann eben nur konventionell über FDD. Sofern die Netzprovider künftig doch 5G TDD beim Netzausbau berücksichtigen, kommt man dann nur in den Genuss der Vorteile, falls das Endgerät die Technik unterstützt. Gerade im Falle von Carrier-Aggregation mit TDD/FDD sind das dann eher neuere Modelle seit 2023. Qualcomm stellte z.B. im Februar 2023 den Snapdragon X75 vor, der beides beherrscht.

Weiterführendes

» Auf welchen Frequenzen funkt 5G?
» Gibt es schon 5G mit unlimitiertem Volumen?
» Wie steht es um die 5G-Verfügbarkeit?
» Gegenüberstellung 5G NSA zu SA

Quellen:
[1] https://www.ericsson.com/en/news/2020/8/5g-carrier-aggregation
https://www.3gpp.org/