Zukunft des Mobilfunks

5G – viel mehr als nur Speed

Die kommende 5G-Technologie bringt massiv höhere Geschwindigkeiten und Kapazitäten ins Mobilfunknetz – und ermöglicht damit völlig neue Anwendungen für Industrie, öffentliche Dienste und Privatnutzer.

Text: Urs Binder, Bild: ©iStock, 27. Oktober 2017

«Ab 2020 surfen wir mobil bis zu 100-mal so schnell» – so oder ähnlich lauteten im Frühsommer 2017 die Schlagzeilen, wenn es um 5G ging. Die Rede ist von bis zu 30 Gbit/s pro Funkzelle, während die aktuelle 4G-Technik LTE Advanced je nach Standard und Situation theoretisch maximal 100 bis 1000 Mbit/s bietet. Der erhöhte Speed ist aber nur ein Teilaspekt von 5G: Der kommende Standard der fünften Generation vereint eine Vielzahl von Technologien und Möglichkeiten für die unterschiedlichsten Anwendungen – vom privaten Smartphone bis zu weltumspannenden Industrienetzwerken. Dafür sind Eigenschaften wie kurze Reaktionszeiten ebenso wichtig wie die reine Übertragungsgeschwindigkeit.

Es beginnt mit New Radio

Ein zentrales Element von 5G ist die Effizienz und Kapazität auf der Funkschnittstelle: Jede 5G-Zelle soll ein Vielfaches an Geräten mit massiv höherer Bandbreite versorgen, als es mit der bisherigen Mobilfunktechnik möglich war. Im Vergleich zu den heutigen LTE-Netzen soll 5G pro Funkzelle eine 10 bis 30-fach höhere Datenübertragungsrate und eine rund 1000-fache Kapazität ermöglichen. So lassen sich weltweit bis zu 100 Milliarden mobil vernetzte Geräte, darunter auch «Dinge» im Internet of Things, gleichzeitig ansprechen. Auch die Energieeffizienz steigt markant: Der Energieverbrauch in den Endgeräten pro übertragenem Bit soll auf ein Tausendstel sinken. Damit werden bis zu 10 Jahre Stromautonomie möglich.

Mit den bisher genutzten, praktisch voll ausgelasteten Frequenzbändern im Bereich von 800 MHz bis 2,1 GHz sind diese Anforderungen nicht zu bewältigen. «New Radio» heisst das Zauberwort. 5G nutzt neue, höhere Frequenzbänder. Zunächst sind Frequenzen ab 3,4 GHz geplant. Für die weitere Zukunft sind noch höhere Frequenzbänder ab 24 GHz im Gespräch – aufgrund der Physik der Wellenausbreitung sinkt jedoch die Reichweite mit steigender Frequenz. Für ein solches millimeterwellenbasiertes 5G-Netz bräuchte es deshalb eine grosse Zahl von «Mikrozellen», denkbar etwa in urbaner Umgebung mit einer Mini-Basisstation an jeder Strassenlaterne.

Massive MIMO und Beamforming

Für zuverlässige 5G-Mobilfunkdienste, die auch dann funktionieren, wenn viele mobile Nutzer versorgt werden wollen, arbeiten 5G-Netze mit weiteren technischen Elementen. Am wichtigsten ist «Massive MIMO» (Multiple Input, Multiple Output). Die Basisstationen werden dazu mit Dutzenden bis Hunderten Sende- und Empfangseinheiten ausgestattet. Die Einheiten kommunizieren mit zahlreichen, räumlich getrennten Mobilgeräten gleichzeitig im gleichen Frequenzbereich. Dabei werden Umgebungsbedingungen wie die Reflexion der Funkwellen an Gebäuden und die daraus entstehenden Verzögerungen und mehrfachen Übertragungswege zum Vorteil genutzt. Die Basisstation kann so einzelne Geräte gezielt ansprechen – man spricht von «Beamforming».

Wann kommt 5G?

Die 5G-Technologien und zugehörigen Standards sind noch in der Entwicklung. Es wird keinen «Giga-Release» in Form eines Urknalls geben, der alle Möglichkeiten von 5G auf einen Schlag bringt. Stattdessen wird schrittweise standardisiert. Ein erster Wurf für die neue Funkschnittstelle wird auf Ende 2017 erwartet. Gemäss der aktuellen Roadmap soll der New-Radio-Standard bis Ende 2019 verabschiedet werden.

Swisscom rechnet damit, 5G-Dienste ab Ende 2018 anbieten zu können. Ein Meilenstein auf dem Weg ins 5G-Zeitalter wird die Vergabe der Frequenzen durch das BAKOM sein – diesen Sommer hat das BAKOM eine öffentliche Konsultation gestartet, um die Art der Vergabe zu klären. Es ist denkbar, dass es wie bei UMTS wieder zu einer Auktion der Frequenzbänder kommt.

Wozu überhaupt 5G?

Mit 5G-Netzen ergeben sich vier grobe Anwendungsszenarien: Öffentliche Mobilfunkdienste mit gesteigerter Bandbreite und Kapazität, Massive IoT, kritische lokale Konnektivität und Fixed Wireless Access.

Mehr Bandbreite und Kapazität
New Radio bringt mehr Speed und versorgt mehr Geräte pro Funkzelle mit Mobilfunkdiensten. Das wirkt sich unmittelbar auf die spürbare Qualität aus – kürzere Downloadzeiten, geringere Netzauslastung. Und es ermöglicht ganz neue Anwendungen, zum Beispiel die Übertragung von Sportereignissen und Konzerten im Virtual-Reality-Stil: Man sitzt zuhause gemütlich im Fauteuil, fühlt sich aber wie direkt im Stadion und kann seine Zuschauerperspektive frei wählen. Dazu müssen enorm viele Daten fehlerfrei übertragen werden. Hohe Datenmengen liegen generell im Trend: Private Mobilfunknutzer «verbrauchen» im Schnitt aktuell rund 3 Gigabyte pro Monat. Betrachtet man nur die Millennials, liegt der Bedarf schon bei 35 GB/Monat – mit einer Verdoppelung alle 12 bis 18 Monate ist zu rechnen. Exorbitante Datenmengen ergeben sich auch in industriellen Anwendungen wie der Echtzeit-Videoanalyse mit Hochfrequenzbildern zur Überwachung von Produktionsprozessen. Die höhere Effizienz und Kapazität ist zudem die unabdingbare Basis für die grossflächige kritische Konnektivität: Mit 5G kann eine hohe Dienstqualität auf grosser Fläche garantiert werden, dank einheitlicher Standards auch national bis weltweit. So können Blaulichtorganisationen bei Grossereignissen auf stabile Mobilfunkdienste setzen, ohne dass dafür wie bis anhin jeweils extra ein dediziertes Netz aufgebaut werden muss. Von der Zuverlässigkeit und der Echtzeit-Kommunikation dank niedrigen Latenzzeiten profitieren auch vernetzte Automobile – die Meldung «In 500 Meter steht eine Kuhherde auf der Autobahn» trifft nicht erst dann ein, wenn die Kühe schon fast vor einem stehen.
Massive IoT
Anwendungen im Internet der Dinge generieren mit ihren zahlreichen Datenpunkten in Summe extrem hohe Datenmengen – etwa ein weltweit verteilter Maschinenpark mit hunderten von Sensoren in jeder Maschine. Solche industriellen Anwendungen sind zudem ganz besonders auf niedrigen Energieverbrauch und kurze Latenzzeiten angewiesen. Und dies gilt nicht nur auf globaler Ebene, sondern auch innerhalb einer Produktionsstätte. Mit einer schnellen, zuverlässigen Vernetzung der Maschinen wird zum Beispiel die Echtzeitsteuerung des Herstellungsprozesses möglich: Die kontinuierliche Überwachung jeder einzelnen Baugruppe ermöglicht vorausschauende Ausfallprognosen. Auf dieser Basis lässt sich entscheiden, ob ein nächstes Produktionslos überhaupt angestossen werden soll, oder ob vorher eine präventive Reparatur nötig ist – um einen teuren Stillstand während der Produktion zu vermeiden.
Kritische lokale Konnektivität
Man stelle sich eine Fabrikhalle mit einer hundert Meter langen Produktionsstrasse vor. Im Schnitt wird in der Halle jeden Monat ein anderes Produkt hergestellt, und dazu müssen die Maschinen jeweils neu angeordnet und konfiguriert werden. Mit einer klassischen kabelgebundenen Vernetzung (Wireline) müssen jedes Mal auch neue Kabel verlegt werden. Steht dagegen für die Vernetzung des Firmenareals ein funkbasiertes Netz zur Verfügung, das den hohen industriellen Anforderungen genügt, lässt sich die Konfiguration einfach anpassen. Der Anbieter des 5G-Netzes sieht sich dabei allerdings vor neue Herausforderungen gestellt: Aspekte aus der Wireline-Welt wie Sicherheit und Abgrenzung zum öffentlichen Netz erlangen nun auch im Mobilfunk eine hohe Bedeutung.
Fixed Wireless Access
In abgelegenen, topografisch schwer erschliessbaren Regionen kann ein 5G-Netz anstelle von Kupfer- oder Glasfaserleitungen die Versorgung der Bevölkerung mit Telefonie und Internet übernehmen. In der Schweiz, wo ein Grossteil des Landes bereits gut erschlossen ist, hat Fixed Wireless Access nur eine geringe Bedeutung.

Keine Angst vor 5G

Mit jeder neuen Technologie stellt sich für Unternehmen die Frage nach dem richtigen Zeitpunkt für nachhaltige Investitionen. Auch wenn manche Firmen noch Zurückhaltung üben, ist jetzt der Zeitpunkt, sich mit 5G auseinanderzusetzen. Das beste Rezept ist Neugierde zu zeigen und die Möglichkeiten zu evaluieren. Jetzt lässt sich die Chance packen, zusammen mit dem Mobilfunkanbieter das Potential von 5G für die eigene Organisation zu ergründen. Dabei kann durchaus herauskommen, dass 5G vorerst nichts fürs eigene Unternehmen ist – auch das ist eine valable Option.

Danach gilt es, sich mit ersten Ideen und Projekten auf das 5G-Zeitalter vorzubereiten – ähnlich wie bei einer Cloud-Transformation muss nicht das ganze Unternehmen auf einmal «auf 5G umgestellt» werden. Ein Einstieg für industrielle Projekte können Technologien wie Narrowband IoT sein, die bereits heute mit 4G funktionieren und sich später nahtlos ins 5G-Netz eingliedern. Denn 5G ist kein radikaler Bruch, der alles Vorherige obsolet macht, sondern eine zwar umfassende, aber organische Weiterentwicklung des aktuellen Mobilfunks.