Mobilfunk einfach erklärt: Was genau ist 5G?
Die 5. Generation (5G) des Mobilfunks ist die Weiterentwicklung der durch das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) verabschiedeten Mobilfunkstandards und damit der direkte Nachfolger des 4G-Standards (LTE = Long Term Evolution). Ziel ist es auch hier, eine Spezifikation zu entwickeln, wie Endgeräte (Mobiltelefone, Tablets, Data-Sticks, aber auch Sensoren oder Maschinen) mit einem Mobilfunknetz Daten und je nach Endgerät auch Sprache austauschen können. Wie bei jedem neuen Standard zeichnet sich auch 5G gegenüber seinem Vorgänger vor allem durch gestiegene Anforderungen in allen Aspekten der Leistungsfähigkeit aus. Die ersten kommerziellen Produkte sind seit 2019 für den europäischen Markt verfügbar.
Neue Anwendungsmöglichkeiten
Bei der Entwicklung des 5G-Standards lag der Fokus von Anfang an auf Anwendungen, die mit dem 4G-Standard nur bedingt möglich sind. Dies sind zum einen Dienste, die hohe Datenraten und Kapazitäten erfordern (enhanced Mobile BroadBand, eMBB), aber auch Anwendungen im Bereich Internet of Things (IoT), bei denen viele Endgeräte (zum Beispiel Sensoren zum Auslesen und Übermitteln einfacher Messwerte wie Wasser- oder Stromzähler) nur geringe Datenmengen übertragen. Diese Anwendungsfälle werden meist als massive Machine Type Communication (mMTC) bezeichnet. Eine dritte Klasse umfasst Anwendungen mit hohen Anforderungen an Übertragungs- und Ausfallsicherheit sowie an Reaktionszeiten (Latenz). Diese Klasse wird meist als ultra-Reliable Low Latency Communication (uRLLC) bezeichnet und beinhaltet Anwendungen wie die drahtlose Automatisierung von industriellen Herstellungsprozessen (Robotik) oder das vernetzte Fahren.
Geschwindigkeit und Reaktionszeiten
EMBB-Dienste, die hohe Datenraten und Kapazitäten erfordern, werden Nutzerdatenraten von 1 bis 10 GBit/s erreichen, in Einzelfällen und späteren Ausbaustufen auch bis zu 100 Gbit/s. Ausschlaggebend für die Verfügbarkeit dieser Dienste sind dann der Ausbaustand der Netze und die verwendeten Frequenzen. Für uRLLC-Anwendungen mit hohen Anforderungen an Übertragungs- und Ausfallsicherheit sollen Reaktionszeiten von wenigen Millisekunden ermöglicht werden.
Warum braucht Deutschland 5G? Für wen ist es wichtig?
Die mit 5G realisierbaren Anwendungen werden wesentlich zur Digitalisierung aller Lebensbereiche im Privaten, in der Gesellschaft und in Wirtschaft und Politik beitragen und so Prozesse effizienter und ressourcenschonender gestalten. Neben dem in den letzten Jahren ständig gewachsenen Bedarf an mobilen Daten steigt auch die Nachfrage nach Möglichkeiten der drahtlosen Vernetzung verschiedenster Sensoren und Geräte in der Industrie, aber auch im privaten Bereich (Stichwort: SmartHome) exponentiell an. Anwendungen wie das vernetzte Fahren, Telemedizin, Smart Cities oder eGovernment versprechen zudem enormen volkswirtschaftlichen Nutzen.
Herausforderungen, Erwartungen und Verfügbarkeit
Die unterschiedlichen und sich teilweise gegenseitig ausschließenden Anforderungen der oben beschriebenen Anwendungs-Klassen erfordern einen revolutionär neuen Ansatz in der Netz-Architektur von 5G.
Network-Slicing durch Virtualisierung:
- Network-Slicing wird es ermöglichen, verschiedene logische Netze mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen auf gemeinsam genutzter Hardware zu realisieren. Möglich wird dies durch einen hohen Grad an Virtualisierung einzelner Netzfunktionen (Network Function Virtualization, NFV). Werden beispielsweise für das vernetzte Fahren Streckeninformationen (z.B. „Hindernis hinter der nächsten Kurve!“) in Echtzeit benötigt, können diese nicht auf einem zentralen Server vorgehalten werden. Die Forderung nach einer Latenz im Bereich von Millisekunden bewirkt, dass die entsprechende Information lokal in der Basisstation in der Nähe des Fahrzeugs vorhanden sein muss, da Informationen in Datennetzen sich maximal mit Lichtgeschwindigkeit verbreiten, in einer Millisekunde also „nur“ ca. 200 bis 300 km reisen.
- Gleichzeitig kann über dieselbe Hardware, also dieselbe Basisstation im selben Frequenzband, verbunden über dieselben Anbindungswege, ein eMBB-Dienst angeboten werden, etwa ein Video-Streaming für die Fahrzeuginsassen, der erheblich niedrigere Anforderungen an Reaktionszeiten und Ausfallsicherheit hat, dafür aber viel höhere Datenraten ermöglichen soll. Netzfunktionen, die für den Anwendungsfall „vernetztes Fahren“ lokal in der Basisstation stattfinden, werden für den Anwendungsfall „Video Streaming“ in einem zentralen Rechenzentrum ausgeführt. In diesem Beispiel wären also zwei Network Slices mit derselben Infrastruktur realisiert. In einem fortgeschrittenen Ausbauzustand können mehrere hundert Network Slices realisiert werden, etwa getrennt für jeden Fahrzeughersteller oder jede sonstige Gruppe von Anwendern mit bestimmten Anforderungen.
- Hatte eine Mobilfunkbasisstation bisher nur die Aufgabe zu erfüllen, ein Endgerät mit dem Mobilfunknetz zu verbinden, müssen in diesem Falle auch Daten für Anwendungen verarbeitet und bereitgehalten werden, was ein radikales Umdenken in der bisher eher hierarchischen Organisation von Mobilfunknetzen darstellt. Durch Virtualisierung wird es also möglich, dass auf Hochleistungs-Hardware mehrere Funktionen eines Netzes oder sogar verschiedene Netze gleichzeitig realisiert werden.
Infrastruktur:
- Es liegt auf der Hand, dass eine Hochleistungs-Infrastruktur bedarfsgerecht dort aufgebaut werden wird, wo die nötige Investition wirtschaftlich ist. Einen erheblichen Einfluss auf die Rentabilität und damit auf die Investitionsentscheidung werden die Verfügbarkeit und der Zugang zu Glasfaserinfrastruktur haben, da praktisch alle Komponenten eines Netzes mit einem derart hohen Grad an Virtualisierung durch leistungsfähige Glasfaserverbindungen verknüpft sein müssen. Dort wo bereits Glasfaser vorhanden oder der Zugang zu einem Glasfasernetz in unmittelbarer Nähe verfügbar ist, sind die Erschließungskosten deutlich geringer, als wenn Glasfaser erst kilometerweit zur Basisstation verlegt werden muss.
Frequenzen:
- Für alle 5G-Anwendungen, die hohe Datenraten bzw. Kapazitäten erfordern, spielt über die Verfügbarkeit von Glasfaserinfrastruktur hinaus noch die Verfügbarkeit geeigneter Funkfrequenzen eine wichtige Rolle. Hohe Datenraten erfordern große Frequenzressourcen, d.h. Frequenzkanäle mit hohen Bandbreiten.
- Werden für LTE auf dem Lande heute meist 10 MHz breite Frequenzkanäle pro Senderichtung (Uplink & Downlink) verwendet, sind es in der Stadt meist 20 MHz. Außerdem kann LTE mehrere Frequenzkanäle bündeln (sog. Carrier Aggregation), um so die Datenraten weiter zu erhöhen. Die mit 5G angestrebten Datenraten von mehr als 1 GBit/s erfordern hingegen Frequenzkanäle mit einer Bandbreite von 100 MHz und mehr.
- Weil die niedrigen Trägerfrequenzen bereits heute für viele, weit verbreitete Funkanwendungen genutzt werden (heutige Mobilfunknetze, WLAN, DVB-T, UKW-Rundfunk, Schnurlos-Telefone), stehen derart große – zusammenhängende – Frequenzressourcen nur bei hohen Trägerfrequenzen zur Verfügung. Diskutiert werden hier Trägerfrequenzen bei 3,5 GHz und im sogenannten Millimeterwellenbereich (hier: 26 GHz). Diese Trägerfrequenzen haben allerdings die Eigenschaft, dass sie bei üblichen Sendeleistungen nur eine sehr begrenzte Reichweite haben, typischerweise weniger als 100 m, im Falle der Millimeterwellen sollte idealerweise sogar eine Sichtverbindung (Line-Of-Sight) zwischen Endgerät und Basisstation bestehen. Entsprechend müssen die Basisstationen dichter, also in geringerem Abstand, aufgebaut werden. Es ist offensichtlich, dass eine Flächendeckung mit diesen Frequenzen ein enormes Investitionsvolumen erfordert und somit wirtschaftlich kaum darstellbar sein dürfte.
- Also doch kein 5G auf dem Land? Doch! Für eine Versorgung der Bevölkerung und Verkehrswege in ländlichen Gebieten mit 5G sollen Trägerfrequenzen unterhalb von 1 GHz eingesetzt werden. Dort stehen jedoch – wie auch beim auf dem Lande eingesetzten LTE – nur 10 MHz breite Frequenzkanäle pro Senderichtung zur Verfügung. Gigabit-Datenraten, wie sie in den räumlich kleinen Funkzellen bei hohen Trägerfrequenzen (3,5 GHz oder Millimeterwellen) zur Verfügung gestellt werden können, sind damit praktisch nicht möglich. Somit werden hohe Datenraten und Kapazitäten per 5G-Mobilfunk eher bedarfsgetrieben realisiert werden.
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