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Die Technik hinter 5G: So funktioniert das neue Funknetz

Nach LTE kommt 5G? So einfach ist es nicht, 5G vereint viele Entwicklungen und neue Anforderungen.

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(Bild: kriangphrom / Shutterstock.com)

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5G führt den klassischen Mobilfunk fort, fügt aber auch vieles Neue hinzu und hebt sich deshalb stark von Vorgängern ab. Im Prinzip wurde die Standardisierung bereits 2012 von International Telecommunication Union (ITU) angestoßen, seit 2016 wird 5G im Rahmen des 3rd Generation Partnership Project (3GPP) entwickelt. Der Standard definiert sowohl die Luftschnittstelle als auch den Backbone neu.

Die Basisdefinitionen: Als Zugriffsverfahren kommt wie bei LTE OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) zum Einsatz, als Modulationsverfahren QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) sowie 16-, 64-, 256- und 1024-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Die maximale Kanalbreite beträgt 400 MHz (LTE: maximal 20 MHz), die maximale Datenrate im Downlink beträgt 20 GBit/s, im Uplink 10 GBit/s. Die minimale Latenz soll zwischen 0,5 und 4 ms betragen. Eine Unterbrechungszeit beim Handover zwischen Zellen darf es nicht geben, gleichzeitig liegt die maximale Geschwindigkeit, mit der sich 5G-Endgeräte ohne Verlust des Netzzugangs bewegen dürfen, bei 500 km/h. Und es sind bis zu 1 Million Geräte pro Quadratkilometer möglich.

Schwerpunkt: 5G - Das Netz der Zukunft

Für die Basisdefinitionen gilt: Es sind nur prinzipielle Merkmale des 5G-Baukastens. Kein Gerät wird gleichzeitig die maximale Bandbreite bei minimaler Latenz und niedrigster Leistungsaufnahme bieten. Die maximale Datenrate werden zum Beispiel stationäre 5G-Router für den Festnetzanschluss liefern, minimale Latenzen hingegen Industriegeräte als Ethernet-Ersatz.

2017 wurde der erste Teil des Standards festgezurrt, mit den Netzbetreiber 5G-Erweiterungen auf Basis von LTE-Kernnetzen einführen. Auf Basis dieser NSA (5G New Radio specification for non-standalone operation) sind erste 5G-Basisstationen bereits realisierbar. Im Juni 2018 folgte dann die SA-Definition (Standalone Release 15) mit dem sich eigenständige 5G-Netze inklusive neuer 5G-Kernnetze bauen lassen.

Bei der 5G-Standardisierung nahm man sich unter anderem auch das Kernnetz vor und verlagerte mehr und mehr Netzfunktionen in die Software. Dazu gehören Network Slicing (virtuelle anwendungsbezogene Netzwerke im Parallelbetrieb), Network Functions Virtualization und das Software-Defined Networking. Für die 5G-Anwendungen definierte das 3GPP drei Kategorien: mobiler Breitbandzugang (enhanced Mobile Broadband, eMBB), critical Machine-Type Communication (cMTC mit sehr hoher Systemverfügbarkeit und zuverlässiger latenzarmer Übertragung, beispielsweise zur funkbasierten Steuerung von Industrieanlagen oder für die Kommunikation autonomer Fahrzeuge) sowie massive Machine-Type Communication (mMTC mit hohen Signalreichweiten, langen Batterielaufzeiten und sehr günstigen Funkelementen für IoT).

Die wichtigsten Vorzüge der kommenden fünften Mobilfunkgeneration (5G) sind aus Sicht der privaten ebenso wie der industriellen Anwender hohe Geschwindigkeit, bessere Energieeffizienz und minimale Signallaufzeit (Latenz). Kein Gerät dürfte aber alle diese Attribute auf einmal bieten. Stattdessen kann man neben den branchenprägenden Smartphones, Tablets und Routern weitere Geräteklassen für ganz unterschiedliche Zwecke erwarten. Dazu gehören AR- und VR-Brillen sowie stationäre Internet-Anschlüsse, die hohe Geschwindigkeiten liefern sollen.

Ohne neue Masten, vor allem zur Versorgung ländlicher Gebiete, wird es bei 5G nicht gehen.

Für Wearables (Smart Watches, intelligente Kleidung etc.) und IoT-Geräte (Auto- oder Personen-Tracker, Wasseruhren, Stromzähler, Milchkannen usw.) sind wiederum Module mit hoher Energieeffizienz in Arbeit, die jahrelang mit einer Knopfzelle auskommen. Neu ist das nicht, aber nach Sigfox, LoRaWAN, Bluetooth LE und anderen Sparfunkern mischt nun auch die Mobilfunkindustrie mit und lockt mit höheren Funkreichweiten und robusteren Übertragungen. 2019 wird das Jahr, in dem erste ausgereifte und preiswerte Mobilfunkmodule antreten, um ihre steinzeitlichen GPRS-Vorgänger abzulösen. Ob die Mobilfunktechniken NB-IoT und M1 das Zeug haben, den etablierten Schmalfunkern das Wasser abzugraben, wird spannend zu beobachten sein: Mobilfunk-IoT bedeutet auch Mobilfunkkosten. Die fallen bei Bluetooth, LoRaWAN & Co. nicht an.

Auch Smart Cities, autonome Fahrzeuge und digitales Gesundheitswesen bekommen mit 5G neuen Schub. In Pilotprojekten hat man ausführlich erprobt, wie sich IoT-Techniken für Parkleitsysteme oder die Steuerung der Straßenbeleuchtung nutzen lassen. Ein komplett neues Feld will sich die Mobilfunkbranche mit speziellen Erweiterungen für die Industrie eröffnen. Vor allem sollen minimale Signallaufzeiten unter einer Millisekunde Interessenten aus der Fabrikautomation und Produktion locken. 5G hat das Potenzial, viele industrielle Prozesse zu verbessern und manche auch umzuwälzen.

Schnellere Datenraten wird man am eigenen Smartphone bemerken -- weniger beim Chatten, Websurfen oder Streaming, sondern am ehesten noch bei Upload-Vorgängen. Das ist zurzeit der Flaschenhals für Cloud-Synchronisierungen, den Foto- und Video-Versand. Ein Indiz für schnellere Uplinks sind Chipsätze, die immer mehr von den fortgeschrittenen Mobilfunkspezifikationen nutzen. Das sind Multiträgerbündelungen (Carrier Aggregation), höherwertige Modulationen (256-QAM sogar in Uplink-Richtung, während anfangs 64-QAM sogar in Downlink-Richtung vorherrschte) und noch mehr parallele Datenströme mit 4x4- oder sogar 8x8-MIMO (Multiple Input Multiple Output).