5G wird ein neuer Mobilfunkstandard und zugleich ein neues Netz für das Internet der Dinge.
Netze der Zukunft

5G – So leistungsstark wird das Netz der Netze

5G wird nicht nur ein neuer, noch leistungsfähigerer Mobilfunkstandard. 5G wird ein völlig neues Netz für das Internet der Dinge.
„Mittendrin statt nur dabei“ – dieser Slogan eines deutschen Sportsenders wird bei den  Olympischen Winterspielen in Pyeongchang Realität. Wenn sich die Skispringer die Schanze herunterstürzen oder die Bobfahrer in den Eiskanal, nimmt der TV-Zuschauer die Perspektive der Sportler ein und erlebt den Wettbewerb so hautnah wie nie. Möglich machen dies winzige Kameras in den Helmen der Athleten – und 5G.
Der südkoreanische Mobilfunkanbieter Korea Telecom und seine Partner Intel und Samsung haben die Austragungsstätten und weitere Hotspots mit einem 5G-Mobilfunknetz verbunden, in das sich alle Beteiligten der Spiele, vom Sportler bis zum TV-Sender, einklinken können. Die neue Technik ermöglicht nicht nur das Live-Streaming hochaufgelöster Videobilder direkt ins Internet. Zuschauer mit Virtual-Reality-Brille erleben dank 360-Grad-Kameras auch das Drumherum aus der Perspektive des Athleten – und das in Echtzeit.

Von 1G bis 5G: Alle zehn Jahre ein Sprung

Pyeongchang markiert den medialen Startpunkt der neuen 5G-Technologie. Technologiesprünge finden oft in festen Zeitabständen statt, so auch beim Mobilfunk: 1990 löste 2G den Standard der ersten Generation ab und brachte die SMS, 2000 kam mit 3G das Internet aufs Mobiltelefon und 2010 ermöglichte 4G erstmals breitbandige Internetverbindungen für Multimediaanwendungen auf dem Smartphone. Für 2020 ist der weltweite kommerzielle Start der fünften Mobilfunkgeneration geplant. Doch 5G ist weit mehr als nur ein weiterer Technologiesprung.
5G – mittlerweile ein Buzzword wie HD, 3D, 4K oder IoT – umfasst einerseits einen neuen technischen Standard, andererseits aber auch eine neue Netzinfrastruktur. Am Standard wird bereits eifrig gebastelt: Auf dem Mobile World Congress 2017 in Barcelona präsentierte die International Telecommunication Union (ITU) erste Spezifikationen und einen Fahrplan für 5G, auf die sich die Mitglieder der UN-Organisation zuvor geeinigt hatten.

Enorme Anforderungen an das Netz der Zukunft

5G wird die Leistungsfähigkeit des Mobilfunks auf eine neue Stufe heben. Die größten Anforderungen stellt das Internet der Dinge: Zu den rund zwei Milliarden Smartphones, die laut IDC-Prognose im Jahr 2020 weltweit das mobile Internet nutzen werden, gesellen sich je nach Prognose bis zu 50 Milliarden vernetzte Geräte, Fahrzeuge und Maschinen, die miteinander, mit der Cloud und mit Nutzern sprechen.
Ein Kommunikationsnetz, das alle aktuellen und vor allem zukünftigen Szenarien bewältigen kann, muss entsprechend leistungsstark sein. Beispiel Übertragungsgeschwindigkeit: Die ITU sieht Datenraten beim Upload von 10 Gigabit pro Sekunde und beim Download von 20 Gbit/s vor – in der Spitze, für einen einzelnen Mobilfunkmasten unter Idealbedingungen. Zum Vergleich: Derzeit sind mit der 4G-Ausbaustufe LTE Advanced etwa 300 Mbit/s für Kunden möglich; im Testlabor und bei Pilotversuchen im Netz haben die Netzbetreiber im August 2016 erstmals die 1-Gigabit-Marke geknackt. Mit der 10- bzw. 20-fachen Bandbreite, die 5G schaffen soll, sind Szenarien wie Virtual und Augmented Reality oder das unterbrechungsfreie Streamen von Videos auch in hoher Auflösung oder in Zügen und Autos erst vernünftig umsetzbar.

Minimale Latenz, maximale Versorgungsdichte

Beispiel Verzögerungszeit:
Laut ITU soll in einem 5G-Netz die Latenz – die Zeit, die eine Information vom Sender bis zum Empfänger benötigt – für extrem reaktionskritische Anwendungen maximal eine Millisekunde betragen. So sind Signalübertragungen nahezu in Echtzeit möglich, etwa für die Steuerung wichtiger Infrastrukturen wie der Energieversorgung oder für den Katastrophenschutz.
Highspeed für das Internet der Dinge
Christian Wietfeld, Leiter Kommunikationsnetze der TU Dortmund, zu Latenz und Skalierbarkeit.
Das zweite wichtige Kriterium ist die Anschlussdichte.
Stoßen die Mobilfunkzellen bereits jetzt bei großen Menschenansammlungen an ihre Grenzen, wird der Funkverkehr bei 50 oder 100 Milliarden vernetzten Dingen zum Nadelöhr. Ein 5G-Netz soll den Plänen zufolge eine Million Geräte pro Quadratkilometer mit garantierter Übertragungsqualität (Quality of Service / QoS) gleichzeitig versorgen können – die 1000-fache Kapazität derzeitiger Funkzellen.

Energieeffizient, zuverlässig und überall

Außerdem stellen die ITU-Spezifikationen für 5G hohe Anforderungen an die Energieeffizienz sowohl des Netzes als auch der Geräte, die verschiedene Stromsparmodi unterstützen müssen, wenn gerade kein Datentransfer stattfindet. Die Zuverlässigkeit – also die Erfolgswahrscheinlichkeit, dass ein Datenpaket bestimmter Größe in einer festgelegten Zeit übertragen wird – wird ebenso geregelt werden wie die Abdeckung und die maximale Datenrate mit einheitlicher QoS für die verschiedenen Geschwindigkeiten, mit denen sich ein Nutzer fortbewegt: zu Fuß (bis 10 km/h), im Auto (bis 120 km/h), im Zug (bis 500 km/h), im Flugzeug (bis 1000 km/h).
Abseits der technischen Rahmenbedingungen muss für 5G aber auch eine neue Netzinfrastruktur geschaffen werden. Das 5G-Netz soll maximal flexibel sein, um alle denkbaren Anwendungsfälle bedienen zu können. Mit verschiedenen Technologien machen die Provider ihr Netz dafür intelligent. Die Kombination aus Software-Defined Networking (SDN) und Network Functions Virtualization (NFV), also virtualisierten Netzwerkfunktionen, sorgt dafür, dass Datenströme nicht mehr hardware-, sondern software-basiert von einer zentralen Stelle in Echtzeit kanalisiert und verwaltet werden können. Nicht mehr die Hardware entscheidet, mit welcher Funktechnologie und auf welchem Kanal Daten hin- und hergeschickt werden, sondern die Software – und die lässt sich leicht aktualisieren. Wo also früher Geräte ausgewechselt werden mussten, reicht nun ein Software-Update.

Das passende Netz für jede Anwendung

So kann ein 5G-Netz beispielsweise sowohl Inhalte aus dem Internet als auch priorisierte Dienste mit QoS und Datensicherheit für spezielle Anwendungen bereitstellen. Network Slicing heißt dieses Verfahren: Je nach individuellem Bedarf an Datenrate, Geschwindigkeit und Kapazität wird die 5G-Netzinfrastruktur jedem Nutzer und jeder Anwendung genau die passende Verbindung – sein „Scheibchen“ vom Netz – zur Verfügung stellen.
Die geplanten 5G-Netze integrieren dazu verschiedene Technologien, also nicht nur 5G-Mobilfunk nach neuem Standard, sondern auch Festnetz (Glasfaser und Kupfer), Drahtlosnetzwerke wie WLAN, neue Funkstandards wie NarrowBand IoT und natürlich vorhandene Mobilfunkstandards wie LTE. Das bedeutet, dass Netzbetreiber für ein 5G-Netz nicht zwangsläufig flächendeckend neue Basisstationen errichten müssen, sondern auch bestehende Sendeanlagen durch moderne Technik fit für 5G machen können. Einer der potenziellen Frequenzbereiche für 5G liegt allerdings jenseits des 3-GHz-Bandes – und mit jedem Gigahertz sinkt die Reichweite rapide, womit die Zahl der Funkmasten dementsprechend steigen müsste. Für eine Abdeckung in der Fläche müssen die Netzbetreiber also wohl noch auf unbestimmte Zeit auf 4G zurückgreifen. Möglicherweise wird „echtes“ 5G zunächst auf Ballungsräume beschränkt bleiben.

Startschuss 2020 – und bis dahin wird geforscht

Im Dezember 2017 legte das Standardisierungsgremium 3GPP die erste Stufe des 5G-Standards fest: Non-Standalone 5G New Radio (kurz: NSA 5G NR) ermöglicht die Nutzung der bereits vorhandenen LTE-Infrastruktur. Durch Technologien wie Enhanced Mobile Broadband (eMBB) können über den LTE- Datenkanal höhere Datenraten und geringere Latenzen erzielt werden. Den Standalone-5G-NR-Standard will das 3GPP Mitte 2018 fertigstellen.
Erste Pilotnetze sind für Ende 2018 geplant; 2019 sollen die ersten Frequenzbänder bereitstehen. Mit der Verabschiedung eines endgültigen Standards sowohl von der ITU als auch vom 3GPP-Gremium und den ersten kommerziellen Anwendungen wird für Ende 2020 gerechnet. Bis dahin darf eifrig geforscht werden – und 5G-Projekte laufen weltweit auf Hochtouren.

Wettrennen um die Technologieführerschaft

Asien ist erwartungsgemäß vorne dabei, und Olympia spielt wie schon bei früheren technischen Innovationen eine große Rolle: Nach Südkorea 2018 werden auch Japan zu den Sommerspielen 2020 in Tokio und China zu den Winterspielen 2022 in Peking voll auf 5G als Kommunikationsbasis setzen. Auch in den USA betätigen sich die großen Provider als Innovationstreiber, ebenso in Europa. Hier hat die EU den 5G for Europe Action Plan ins Leben gerufen, der regulieren und vor allem koordinieren soll – und zwar besser als beim eher missglückten europaweiten Rollout von LTE.
Deutschland will beim Thema 5G eine führende Rolle einnehmen – mit Berlin an der Spitze. Auf dem vom Berliner Senat initiierten „5G-Testfeld“ bietet unter anderem das Fraunhofer Institut für Nachrichtentechnik Netzbetreibern und Unternehmen die Möglichkeit, 5G-Netze und -Dienste zu erproben. Um 5G im Livebetrieb testen zu können, setzen die Forscher sogenannte Software-Defined Radio (SDR) Transceiver ein.
5G Antenne
Die SDR-Hardware besteht aus Sender (Transmitter), Empfänger (Receiver) und Analog/Digitalwandlern. Die Signalverarbeitung wird dabei per Software gesteuert: So kann ein Funkmodul unterschiedliche Frequenzen unterstützen und beispielsweise zwischen LTE, WLAN oder eben 5G wechseln, ohne dass Hardware ausgetauscht werden muss.
Ein weiteres Testfeld haben der Netzwerkausrüster Nokia und die Deutsche Telekom im Hamburger Hafen in Betrieb genommen. Eine 5G-Antenne in 150 Metern Höhe auf dem Hamburger Fernsehturm versorgt ein 8.000 Quadratmeter großes Gebiet im Hafen mit 5G-Mobilfunk. Per 5G werden Ampelanlagen gesteuert, Umweltmessdaten erhoben und Virtual-Reality-Anwendungen ermöglicht, um Baustellen und Schleusen zu überwachen. Die Partnerunternehmen testen, ob sich diese verschiedenen Anforderungen mit der Network-Slicing-Technik in einem einzigen Netz zuverlässig realisieren lassen.

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