Pionierarbeit: Dieser Roboter empfängt seine Befehle über ein auf dem Messegelände des Mobile World Congress aufgebautets 5G-Netz. | Foto: Warnecke/dpa

Auf dem Weg zum Supernetz

Was bringt Mobilfunk mit 5G?

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LTE, die vierte Mobilfunkgeneration (4G), kommt gerade bei der breiten Nutzermasse an, da dreht sich schon alles um 5G. Insbesondere auf dem Mobile World Congress ist der neue Mobilfunkstandard, der bis 2020 startklar sein soll, das Branchenthema schlechthin. Doch wie wird sich 5G überhaupt bemerkbar machen?

Das nächste große Ding in Sachen Mobilfunk: Erste funktionierende 5G-Netze werden für 2020 erwartet. Auf dem Mobile World Congress zeigt die Branche schon mal, was damit alles möglich sein könnte.   Foto: Warnecke

Zunächst einmal mit der angestrebten enormen Übertragungsbandbreite von theoretisch 10 Gigabit pro Sekunde (GBit/s). Das sind 10 000 Megabit pro Sekunde (Mbit/s). Bei den derzeitigen LTE-Netzen sind im Regelbetrieb theoretische 300 Mbit/s das Höchste der Gefühle, und viele Smartphone-Nutzer surfen in Tarifen mit maximal 50 Mbit/s.

5G weckt hohe Erwartungen

Man sollte aber keine übersteigerten Erwartungen an die 5G-Datenraten haben – vor allem in der Anfangsphase. „10 GBit/s werden kommen“, sagt Slamowir Stanczak, Leiter der Abteilung drahtlose Kommunikation und Netze am Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik (Heinrich-Hertz-Institut HHI), das auf der Messe seine Forschungs- und Entwicklungsarbeiten rund um 5G zeigt. „Allerdings nicht überall und nicht für jeden.“ Die erreichbaren Raten in einer Funkzelle müssen auch weiterhin auf alle Nutzer, die sich darin befinden, aufgeteilt werden.

„Keine Wunder erwarten“: Slawomir Stanczak vom Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik.  Foto: HHI/dpa

Rasend schnelle Datenübertragung

Für viele Anwendungszwecke ohnehin viel wichtiger: 5G soll die Laufzeit der Signale im Netz gegenüber LTE bis um den Faktor 40 verkürzen. Die Signalverzögerung (Latenz) beträgt dann idealerweise nur noch eine Millisekunde oder weniger. Das bedeutet drastisch verkürzte, vom Menschen nicht mehr wahrnehmbare Reaktionszeiten für übers Internet gesteuerte Anwendungen. Dafür interessieren sich nicht nur Online-Gamer.

„Die Netzbetreiber machen momentan ihre Geschäfte hauptsächlich noch mit hohen Datenraten“, erklärt Stanczak. „Aber die Industrie braucht kurze Latenzzeiten, hohe Zuverlässigkeit, hohe Sicherheit und hohe Verfügbarkeit.“ 5G soll die Lösung sein und sowohl datenhungrige Verbraucher als auch Unternehmen glücklich machen, die vor allem Echtzeit-Kontrolle und -Steuerung ihrer vernetzten Maschinen und Fahrzeuge anstreben.

„Massive Vorteile für das Internet der Dinge“ sieht Phil Twist, Kommunikationschef von Nokias Mobile-Networks-Sparte zudem in den kommenden 5G-Netzen. „Sie bieten 1000 Mal mehr Kapazität, um Dinge zu vernetzen“, zieht Twist den Vergleich zu LTE.

Massive Vorteile für das Internet der Dinge

Phil Twist, Nokia Mobile Networks

Das ist auch notwendig. Denn 5G wird vom Internet der Dinge künftig nicht nur durch zahllose vernetzte Wearables gefordert: Autos sollen in Echtzeit kommunizieren. Und auch virtuelle (VR) oder erweiterte Realität (AR) wird mobil – etwa für Servicetechniker, die Instruktionen oder Pläne in Datenbrillen eingeblendet bekommen, für jegliche verzögerungsfreie Mensch-Maschine-Interaktionen, etwa mit ferngesteuerten Robotern, oder mit interaktiven 360-Grad-Liveübertragungen auf VR-Brillen von Zuschauern bei Veranstaltungen.

Echtzeitübertragung von virtueller Realität mit extrem schnellen Reaktionszeiten? Mit 5G soll das – wie hier von Nokia demonstriert – kein Problem sein.  Foto: Warnecke/dpa

Erste Geräte für neuen Standard

Die erste Version eines 5G-Standards hat das zuständige Gremium Third Generation Partnership Project (3GPP) Ende 2017 verabschiedet. Auf dieser Basis haben schon viele Unternehmen erste 5G-Chips für Smartphones, Funkzellen oder Router sowie passende Geräte, Netzwerkausrüstung und Antennentechnik entwickelt, die sie mit zur Messe gebracht haben.

Aber wie sind höhere Datenraten und kürzere Reaktionszeiten technisch zu erreichen? Dazu sind drei Entwicklungsrichtungen zu beobachten, erklärt Stanczak: Man erhöht die Anzahl der Antennen drastisch, so dass sich teilweise mehr Antennen als Nutzer in einer Zelle befinden. Solche Antennensysteme bezeichnet man als Massive MIMO (Multiple Input Multiple Output). „Aber auch die mittlere Anzahl der Nutzer in einer Zelle wird sich verändern“, sagt der Fraunhofer-Forscher. „Denn es gibt eine Entwicklung hin zu dichteren Netzen: Das bedeutet, dass der mittlere Abstand zwischen den Basisstationen viel kleiner ist als bei LTE.“

Mehr Antennen: In 5G-Netzen werden wesentlich mehr Antennen auf weniger Raum zum Einsatz kommen. Auf dem Mobile World Congress in Barcelona zeigen die Hersteller bereits erste Funkmodule.  Foto: Warnecke

Und da das derzeit genutzte Frequenzspektrum zwischen 0,8 und 2,6 Gigahertz (GHz) voll ist, muss man höhere Frequenzen für die Datenübertragung nutzten, um mehr Bandbreite zu erreichen, so Stanczak. „Das ist der Bereich zwischen 6 und 300 GHz, hier spricht man von der Millimeterwellen-Technologie.“

Mobilfunknetze werden umgerüstet

Damit die Signallaufzeiten im Millisekundenbereich bleiben, müssen Mobilfunknetze auch dezentraler werden. Das bedeutet, dass bestimmte Daten aus einer Funkzelle für bestimmte Anwendungen nicht weit verschickt, sondern direkt in der zugehörigen Basisstation gefiltert oder verarbeitet werden müssen. Das erledigen Computermodule in jeder Station.

Anwendung finden könnte das sogenannte Mobile Edge Computing beispielsweise im Verkehr: „Lkws, die hintereinander im Verband vernetzt autonom fahren, brauchen unter Umständen extrem kurze Latenzzeiten für die Vernetzung bei hoher Zuverlässigkeit“, erklärt Stanczak. Die seien auch dann nötig, wenn ein mit einer Kamera ausgestatteter Lkw die Sicht nach vorn als Live-Video an nachfolgende Fahrzeuge sendet. Die Berechnung bestimmter, echtzeitkritischer Funktionen wie etwa Fahrerwarnungen oder Notbremsungen werden dann bei beiden Einsatzszenarien direkt vor Ort von den Nachbarbasisstationen unterstützt.

Unterschiedliche Prioritäten für unterschiedliche Daten

„Ist das Fahrzeug vernetzt, dann sieht es mehr, kann sozusagen in die Zukunft schauen – und Unfälle verhindern, bevor sie passieren“, fasst Netzwerk-Informationstheoretiker Stanczak die Vorteile von 5G-Vernetzung und Edge Computing zusammen. 5G-Netze können außerdem berücksichtigen, dass nicht alles gleich wichtig ist, nicht alles gleich viel Bandbreite braucht oder nicht alles gleich schnell angesprochen werden muss. Per Software lassen sich 5G-Netze und -Ressourcen deshalb abstufen und aufteilen: „Network Slicing generiert die Kapazität, die gerade nötig ist“, sagt Phil Twist.

Vernetzter Verkehr: Dieses Konzeptfahrzeug auf der Mobilfunkmesse MWC demonstriert, wie zukünftige Autos über 5G-Netze verbunden werden.     Foto: Warnecke/tmn

Das eine Unternetz hat dann etwa besonders viel Bandbreite zum Streamen von Videos, das andere ist besonders reaktionsschnell und deshalb zuständig für die Vernetzung von Autos. Doch Network Slicing funktioniert ausschließlich in 5G-Netzen, 4G-Netze bieten solche Möglichkeiten nicht, erklärt Twist.

Testbetrieb im Hamburger Hafen

Nokia testet gerade im Hamburger Hafen ein 5G-Netz mit Anwendungen wie Ampelsteuerungen, Echtzeit-Übertragung von Umweltmessdaten oder der Überwachung von Schleusen oder Baustellen. Für jeden Anwendungsbereich gibt es ein separates, virtuelles Netz (Network Slice), was Sicherheit und Zuverlässigkeit erhöhen soll.

5G sind anfangs nur viereinhalb G

Das Supernetz kommt aber nicht von heute auf morgen, sondern entwickelt sich langsam. Denn noch ist LTE nicht ausgereizt. „Mit 4G bekommt man Gigabit-Geschwindigkeit hin“, sagt Twist. „Die Spezifikation wird immer weiter entwickelt.“ Bei diesem Zwischenschritt auf dem Weg zu 5G ist oft von 4,5 G die Rede. Auch bei dieser Brückentechnologie spielen MIMO-Antennensysteme schon eine wichtige Rolle. „4G wird für die nächsten fünf Jahre das Mainstream-Mobilfunknetz bleiben“, prognostiziert Twist. Erste 5G-Inseln würden ab 2020 zunächst für bestimmte Anwendungen entstehen und dann weiter wachsen. Dirk Averesch