5G: Wann und wie wird die Leistungsfähigkeit der Technologie spürbar?

5G verspricht, das Privat- und Geschäftsleben zu verändern und eine breite Palette von Anwendungen zu ermöglichen, darunter Augmented Reality (erweiterte Realität), Smart Citys und autonomes Fahren. Dazu unterstützt es im Rahmen des Internets der Dinge (IoT) die Vernetzung von Milliarden von Sensoren und Geräten. Der durch 5G erzielte Entwicklungssprung bei der Netzwerkleistung dürfte auch deutliche Auswirkungen auf die Weltwirtschaft haben. Doch was ist 5G, warum soll es derart große Umwälzungen für unser Leben mit sich bringen und wann treten diese Änderungen konkret ein?

5G – warum, was und wann?

Bild 1: Beim Beamforming richtet sich das von der 5G-Basisstation übertragene Signal auf ein einzelnes mobiles Endgerät. Ericsson

Als sich 2015 herausstellte, dass die existierenden drahtlosen Mobilfunknetze nicht in der Lage sein würden, den von vielen Analysten prognostizierten exponentiell steigenden Bandbreitenbedarf zu decken, veröffentlichte die International Telecommunications Union (ITU) die Spezifikation für die nächste Generation von Mobilfunknetzen – 5G.

Zu den hohen Anforderungen, die in IMT2020 definiert sind, gehören Spitzendatenraten von bis zu 20 Gbit/s (10- bis 20-mal schneller als 4G-Raten), extrem niedrige Latenzen von 1 ms (gegenüber 30 bis 50 ms bei 4G) und eine Anschlussdichte von 1000 Geräten pro Quadratkilometer (100-mal mehr als 4G).

Seit dieser Veröffentlichung im Jahr 2015 beschäftigt sich die 3GPP, die globale Normungsorganisation, mit den Standards für 5G und veröffentlicht sie phasenweise, um so den Übergang von 4G/LTE zu 5G zu ermöglichen.

Ursächlich für die Entwicklung von 5G war die Idee, Anwendungsanforderungen zu unterstützen, die von Stromeinsparung, niedriger Datenrate bis hin zu hoher Bandbreite und Echtzeitreaktion reichen. Dazu nutzen 5G-Netze ein breites Spektrum von 1 GHz bis hin zu 30 GHz und darüber hinaus – die Millimeterwellenfrequenzen, die die hohen Datenraten und niedrigen Latenzen ermöglichen können. Die 5G-NR-Schnittstelle (New Radio) sendet mit Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), welches das Funkfrequenzspektrum äußerst effizient nutzt.

5G bietet zweifellos erhebliche Chancen für Netzbetreiber, wobei diese allerdings den Einklang zwischen den erforderlichen Investitionen und dem vorhandenen Cashflow wahren müssen. Der 5G-Release-Plan von 3GPP trägt diesem Umstand Rechnung und unterstützt einen nahtlosen Übergang, indem er der Entwicklung von 5G-Non-Stand-Alone-Spezifikationen (NSA) Priorität einräumt. 5G-NSA ermöglicht es Betreibern, derzeitige Investitionen in 4G/LTE-Netze zu nutzen, und bietet Low- bis Midband-5G-Dienste an. Die Betreiber können außerdem ihre Vorabinvestitionen minimieren, indem sie das durch veraltete 2G/3G-Dienste freigesetzte Spektrum wiederverwenden und die bestehende Infrastruktur mit Massive MIMO aufrüsten. Diese Strategien ermöglichen eine schnelle Umsatzgenerierung und gleichzeitig lässt sich so der Aufbau, der für die High-Band-Dienste erforderlichen dichteren Netze verschieben.

Tatsächlich lassen die Rollout-Pläne vieler Betreiber in China, Japan und Europa darauf schließen, dass es sich dabei um einen bevorzugten Ansatz handelt, wie den ersten, auf Frequenzen im von 3,5 bis 4,5 GHz-Bereich basierenden 5G-Plänen von Unternehmen wie KDDI und Softbank in Japan ebenso wie die von EE und Vodafone in Großbritannien zu entnehmen ist.

Neue technische Möglichkeiten mit 5G

Das Beamforming beispielsweise richtet das von der 5G-Basisstation übertragene Signal auf ein einzelnes mobiles Endgerät, sodass sich die Sendeleistung optimal vor Störungen durch mobile Geräte in der Nähe schützen lässt.

Multi-User-MIMO, (MU-MIMO) stützt sich auf eine große Anzahl von Antennen in der Basisstation – bis zu 64 –, um mit mehreren Geräten gleichzeitig und unabhängig zu kommunizieren.

Bei gleichzeitiger Verwendung von Beamforming und MU-MIMO (Bild 1) kann 5G mehr vernetzte Geräte (in einer Größenordnung von >1000) als 4G unterstützen, die Hochgeschwindigkeitsdaten mit niedriger Latenz an weit mehr Benutzer übertragen.

Network Slicing hingegen schafft mehrfache virtuelle Netzwerke im Rahmen einer gemeinsamen physischen Infrastruktur, indem es Techniken wie Software-Defined Networking (SDN) und Virtualisierung von Netzwerkfunktionen (NFV) verwendet. Die so entstehenden virtuellen Netzwerke lassen sich an die spezifischen Bedürfnisse von Anwendungen, Diensten, Geräten, Kunden oder Betreibern anpassen.

Die wichtigsten Anwendungen

In einer Vielzahl von Branchen ist ein latenter Bedarf an 5G-Kapazitäten für Anwendungen zu beobachten. Bild 2 zeigt, wie die Anforderungen verschiedener Anwendungen auf die drei wichtigen Anwendungsfälle der IMT202020-Spezifikation der ITU abgestimmt sind.

Bild 2: Verschiedene Nutzungs-Szenarios, bei denen 5G Anwendung finden könnte. ITU

Im Automobilsektor zum Beispiel hängt die Realisierbarkeit des neuen C-V2X (Cellular Vehicle-to-everything), der Mobilfunknetze für die Verkehrsvernetzung (Fahrzeuge, Ampeln, Schilderbrücken, Lampenmasten, etc.) von den Geschwindigkeiten und Latenzen von 5G ab.

In der Industrie sind die bestehenden kabelgebundenen Netzwerke nicht in der Lage, die Anforderungen der intelligenten Industry-4.0-Fabrik zu erfüllen, in der flexible, modulare und vielseitige Produktionstechniken auf einer Kombination aus automatisierten Systemen und menschlicher Kompetenz basieren. Die Latenzen aktueller drahtloser Mobilfunknetze sind für viele Fabrikprozesse, die in Echtzeit reagieren müssen, ungeeignet, weshalb 5G eine neue Generation von Smart-Factory-Anwendungen ermöglichen soll.

Ausgehend vom ursprünglichen Fabrikfließband lassen sich Roboteranwendungen für eine Vielzahl von vertikalen Branchen entwickeln, darunter für Gesundheitswesen, Logistik, Leitsysteme, Sicherheit und Überwachung, Bildung und Unterhaltung. Parallel dazu erweitern sich durch Fortschritte in der künstlichen Intelligenz (KI) die Kapazitäten von Robotern. Doch um kosteneffizient zu sein, müssen Roboter das rechenintensive „schwere Heben“ selbst bewältigen können, was wiederum die Cloud-Robotik fördern dürfte. Mit 5G sollen auch die Netzwerk-Leistungsschranken fallen, die dem Cloud-Robotik-Wachstum bisher im Wege standen. Dazu ist es nötig, Videoaufnahmen, Videocodierung, Netzwerkübertragung, Cloud-Decodierung und visuelle KI mit einer Verzögerung von 100 ms zu erreichen.

In anderen Bereichen, wie Smart Citys und Smart Buildings, kommen IoT-Sensoren in Überwachungssystemen, Zugangssystemen, Brandmeldeanlagen, intelligenter Beleuchtung und anderem zum Einsatz. Viele dieser Sensoren sind erforderlich, um Arbeiten mittels Remote-Batteriebetrieb oder sogar Energy Harvesting zu ermöglichen und erfordern daher Low-Power-Netzwerkprotokolle. Da diese Anwendungen unter Umständen eine große Anzahl von Sensoren in einem begrenzten geografischen Gebiet beinhalten können, ist die hohe Anschlussdichte von 5G für ihre Leistungsfähigkeit unerlässlich.

5G Technik anmieten

Es entsteht ein völlig neues Ökosystem zur Förderung des Aufbaus von 5G-Netzen, und die Nutzer verlangen von den Betreibern, den Ausbau schnell voranzutreiben, ohne Kompromisse bei der Qualität und den effektiven Tests einzugehen.

Die komplexen Wellenformen und die großen Bandbreiten von 5G-Netzen bringen neue Herausforderungen für Tests zur Erzeugung und Analyse von 5G-Signalen mit sich. Um die Marktchancen zu nutzen, benötigt 5G Lösungen für den schnellen und flexiblen Zugang zu Geräten ohne große Kapitalinvestitionen. Das Anmieten von Technik, wie Microrelease es ermöglicht, ist hierfür eine adäquate Lösung, um stets Zugang zu der neuesten Ausrüstung zu erhalten.

(aok)