Round-up zu Status quo und Zukunft von 5G

5G – Die große Unbekannte
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Noch immer ist für viele User schneller Mobilfunk per LTE mehr frommer Wunsch denn Realität. Besonders in ländlichen Gegenden ist die Netzabdeckung gerade für das mobile Internet sehr rudimentär. Die Industrie ist aber schon längst auf der Suche nach dem Nachfolger des Mobilfunkstandards: 5G.

Nach 3G, der dritten Generation des Mobilfunks – unser UMTS-Standard –, und 4G, dem noch besseren LTE-Standard, hört man immer häufiger das Wort 5G. Doch um was genau handelt es sich dabei? Welche Spezifikationen sind nötig, welche Anwendungsfälle denkbar? Und wie sieht es mit der Realisierung dieser Technik aus? In diesem Artikel präsentieren wir ein Round-up zu Status quo und Zukunft des kommenden Mobilfunkstandards 5G.

Mobile communications From 1G to 5G

Mobilkommunikation: Von 1G zu 5G. Screenshot: http://bit.ly/1IyI8SX

Was ist 5G?

Eine allgemeingültige Definition, was 5G nun genau ausmacht, existiert noch nicht. Die fünfte Generation des Mobilfunks befindet sich gerade in der Entwicklung. Wissenschaft, Industrie und Politik arbeiten eng zusammen, um einen verbindlichen Standard zu entwickeln. 5G soll der wichtigste Baustein der digitalen Gesellschaft werden: Wired- und wireless-Kommunikation werden dieselbe Infrastruktur nutzen und Grundlage der vernetzten Gemeinschaft bilden. Mit der Schaffung von allgegenwärtiger, ultrahoher Bandbreite soll Konnektivität nicht nur Usern, sondern auch Applikationen und Diensten zur Verfügung stehen, beispielsweise im Gesundheits- und Transportwesen.

Die GSM Association (GSMA), eine Industrievereinigung der Mobilfunkanbieter, hat in einer Studie zum Thema 5G-Netzwerke erstmalig zentrale Kriterien für die kommende Mobilfunk-Generation definiert und zwei Punkte besonders herausgestellt: 5G soll eine Übertragungsrate von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde (entspricht ca. 1250 Megabyte) erreichen – das wäre etwa zwanzigmal so schnell wie der aktuelle LTE-Standard – und eine Latenz von höchstens einer Millisekunde aufweisen. Chris Cave, Director of Research and Development bei InterDigital, sieht nicht nur deshalb zwei unterschiedliche Einsatzszenarien für 5G. Einerseits ein hoher (Daten-)Durchsatz im mobilen Breitbandnetz (auch innerhalb von Gebäuden) und andererseits eine Vielzahl alternativer Konnektivitätsmöglichkeiten, vom kleinen Sensor bis hin zum selbstfahrenden Auto:

one of which is focused on very high throughput mobile broadband with a particular emphasis on indoor access, and one of which is designed to deliver a variety of alternative connectivities, whether ultra-low-power and low cost (think disposable sensors) or mission-critical/low latency (think self-driving vehicles).

what is 5g

Was ist 5G? Zusammenfassung der Möglichkeiten und Spezifikationen. Screenshot: http://bit.ly/1KdFzn3

Technische Anforderungen / Spezifikationen

Momentan sind rund sieben Milliarden Handys in Mobilfunknetzen registriert – laut Frank Fitzek, Professor für Kommunikationsnetze und Mitarbeiter des 5G-Lab der TU Dresden, müssen aber bald bis zu 500 Milliarden Geräte miteinander verbunden werden. Außerdem können zurzeit etwa 200 Teilnehmer über eine Funkzelle senden und empfangen. Mit 5G sollen es bis zu 10.000 Teilnehmer sein – und das auch noch in wesentlich kleineren Zellen. Zudem sollen die Netze deutlich schneller werden und die Kommunikation praktisch ohne Verzögerung ablaufen.

Speed

Maximale Downlink-Geschwindigkeit. Screenshot: http://bit.ly/1MXUY0W

Für die Gewährleistung von Übertragungsraten von 5 bis 10 Gigabit und einer gleichzeitigen maximalen Verzögerung von 1 ms nennt Peter Merz, Leiter der Radio-Systems-Research Abteilung von Nokia Networks, neben einer flexiblen Drahtlosschnittstelle folgende Punkte:

 

  • Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) und den Zugriff über ungepaarte Bänder
  • Frequenzbänder von 3 bis 40 GHz
  • Eine flexible Numerologie und dynamisches Time-Shifting, um flexible Up-/Downlinks zu ermöglichen
  • Control-Channels, die einem Terminal umgehend signalisieren, wenn Dienste mit niedriger Latenz benötigt werden

Außerdem sollte laut Merz das Netz fortwährend kompatibel bleiben, denn man möchte sich schließlich nicht selbst mit einmal getroffenen Entscheidungen einschränken.

Anwendungsfälle: IoT, IoT und IoT

Videostreaming, Messaging, Telefonie und mobiles Websurfen sind Anwendungsfälle, die sich bereits mit 4G und sogar 3G lösen lassen. Wo liegen also bei 5G die Stärken, die neue Geschäftsmodelle ermöglichen könnten? 5G soll es ermöglichen, immer und überall mit dem Internet verbunden zu sein – selbst in Flugzeugen, Hochgeschwindigkeitszügen oder Menschenmassen. Konkrete Anwendungsfälle für 5G sieht die GSMA in Augmented Reality, Hologramm-TV oder der Möglichkeit, extrem große Datenmengen schnell zu übertragen. Besonders für das IoT und die damit verbundenen Dienste wie Gesundheitswesen, Smart Cities und Smart Homes stellt 5G einen großen Vorteil dar. Denn in Zukunft werden nicht nur Mobiltelefone im 5G-Netz kommunizieren, sondern auch intelligente Geräte wie selbstfahrende Autos, Roboter, smarte Thermostate oder Herzschrittmacher. 5G soll die Technologie für das Internet of Things werden.

bandwith

Bandbreite und Latenz. Screenshot: http://bit.ly/1MXUY0W

Ohne 5G wird es auch keine Industrie 4.0 geben – zumindest nicht so schnell und in dem Maße, wie man es sich landläufig vorstellt. Den Nutzen für Privatpersonen beschreibt Fitzek folgendermaßen:

Wenn Sie Ihrer Liebsten mit der Drohne ein Paket von Düsseldorf nach Hamburg schicken wollen, brauchen Sie ein Netz, über das Sie die Drohne zuverlässig steuern können.

Der neue Mobilfunkstandard soll außerdem bis zu 80 Prozent weniger Energie verbrauchen und zudem die Ausbreitung von mobilen (Internet-)Verbindungen in ländlichen Gebieten und Entwicklungsländern fördern.

Realisierung & Status quo

Für konkrete Aussagen über technische Details ist es noch zu früh. Die notwendige Standardisierung hat gerade erst begonnen. Außerdem sind einige grundsätzliche Fragen noch nicht geklärt: So ist in Deutschland und Europa noch nicht einmal der 4G-Standard überall verbreitet. Auch die Kapazität in Glasfaser-Hauptleitungen muss gewährleistet sein, damit alle Daten schnell genug zu den Funkzellen übertragen werden können. Im Juni 2015 wurden in Deutschland Mobilfunkfrequenzen versteigert: Vodafone, Telefónica und Deutsche Telekom ersteigerten neue Frequenzen für den Ausbau des schnellen mobilen Internets. Erstmalig wurden Frequenzen aus dem Bereich 700 Megahertz zum Kauf angeboten – diese Frequenzen eignen sich besonders für den Einsatz in ländlichen Regionen. Ein Teil der Auktionserlöse in Höhe von 1,33 Milliarden Euro fließt in den Breitbandausbau, sodass hier ein erster Schritt in Richtung 5G getan wurde.

Auch die Verzögerung in der Datenübermittlung ist von zentraler Bedeutung: Aktuelle Technik weist eine Latenz von bis zu 25 Millisekunden auf. Diese Zeit soll auf eine Millisekunde gesenkt werden, da es sonst gefährlich werden könnte: Denn selbstfahrende Autos und OP-Roboter müssen schnell reagieren, damit es nicht zu Unfällen kommt. Samsung hat bereits Anfang 2013 verlautbart, dass unter Laborbedingungen 5G-Datenübertragungen gelungen seien. Ericsson startete in diesem Jahr erste Versuche und Messungen unter realen Outdoor-Bedingungen und arbeitet im METIS-II-Projekt mit der EU zusammen, um Vorschläge zur Standardisierung für den 5G-Mobilfunk zu entwickeln. Dem Projekt gehören neben europäischen Netzbetreibern und Forschungseinrichtungen auch solche aus Japan, Südkorea, den USA und China an.

Ein weiteres Projekt der EU ist die 2015 gestartete „5G Infrastructure Public-Private-Partnership (PPP)“. Über 800 Mitglieder – Forscher, Entwickler, Unternehmen und Organisationen – zählt das Projekt, die gemeinsam die Standardisierung voranbringen sollen. Die EU fördert den mehrjährigen Prozess mit 700 Millionen Euro. Die Industrie bringt den gleichen Betrag ein und will außerhalb der Partnerschaft mehrere Milliarden investieren, um die Ziele der PPP zu erreichen. So sollen europäische Unternehmen mindestens jedes fünfte Patent des neuen weltweiten Standards entwickeln. Da Europa beim Ausbau des LTE-Netzes gegenüber den USA oder Südkorea hinterherhinkt, bietet dieser Zusammenschluss eine gute Möglichkeit diesmal vielleicht die Nase vorne zu haben.

Ausblick

Es reicht nicht aus, sich nur auf ein Detail zu konzentrieren – etwa nur hochleistungsfähige Mikrochips zu konstruieren oder das bestehende Glasfaserkabelnetz auszubauen. 5G muss als System entwickelt werden – und dazu müssen Industrie, Forschung und Politik Hand in Hand gehen. Technik muss erforscht und weiterentwickelt, Funkfrequenzen müssen freigegeben werden – allerdings halten sich bei Aussagen zur Realisierung die meisten Anbieter noch zurück. Konkreter wird da die GSMA-Studie: Vor allem in hochfrequenten Bereichen oberhalb von sechs Gigahertz bis rund 300 GHz wird zurzeit nach Lösungen gesucht. Das stellt neue Ansprüche an die Netzwerkinfrastruktur, da die Reichweite geringer ist, je hochfrequenter der Bereich ist. Die GSMA bringt „beam-forming“ ins Spiel: Diese Technik erhöht die Reichweite, indem Frequenzen gebündelt werden, um eine bessere Abstrahlung des Mobilfunksignals in Richtung des Endgeräts zu ermöglichen. Ein weiterer Diskussionspunkt ist die bereits von WLAN bekannte Antennentechnik Multi-User-Multiple-Input-Multiple-Output, die die Übergabe von mehreren Datenströmen durch den Einsatz von Antennenbündeln ermöglicht.

Wie stehen Sie der Entwicklung eines neuen Mobilfunkstandards gegenüber? Wo sehen Sie die Chancen und Risiken? Ist 5G eine notwendige Entwicklung oder würde LTE ausreichen? Nutzen Sie unsere Kommentarfunktion, um uns Ihre Gedanken mitzuteilen!

Aufmacherbild: 5G, sign series for mobiles, phones and the internet von Shutterstock / Urheberrecht: Ed Samuel

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