Viel mehr als nur Bandbreite 15.08.2018, 14:37 Uhr

5G wird Schlüsseltechnik der Digitalisierung

Die 5G-Technologie ist derzeit eine der größten Herausforderungen für die Mobilfunkindustrie. Aber auch Unternehmen sollten sich für die drahtlose Kommunikation von morgen fit machen.
(Quelle: shutterstock.com/Sergii Laremenko )
Netzausrüster und -betreiber haben sich für die nächste Mobilfunkgeneration viel vorgenommen. 5G soll Datenraten von bis zu 10 GBit/s über die Luftschnittstelle, garantierte Bandbreiten von 50 MBit/s für einzelne Anwender, Latenzen von unter einer Millisekunde sowie 90 Prozent weniger Stromverbrauch ermöglichen und Milliarden von Endgeräten anbinden können.
Der Standard ist aber mehr als einfach nur eine Fortentwicklung aktueller LTE-Netze. "5G als Technologie verspricht das Thema Konnektivität auf eine neue Ebene zu heben", sagt Michael Lemke, Senior Technology Expert beim Netzausrüster Huawei Deutschland. Die Industrie und die Standardisierungsgremien wollen in der Tat eine neue Ära einleiten, in der Mobilfunk zur Schlüsseltechnologie für die Digitalisierung wird: "5G ist die wichtigste Innovation im Bereich Vernetzung", erklärt Professor Hans Dieter Schotten, Inhaber des Lehrstuhls für Funkkommunikation und Navigation an der Technischen Universität Kaiserslautern und wissenschaftlicher Direktor am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DKFI). Die Idee, die nächste Mobilfunkgeneration funktional deutlich weiterzuentwickeln, kam bereits 2012 auf. "Wir haben diskutiert, ob immer mehr Bandbreite allein die Zukunft ist, oder ob wir auch etwas gänzlich Neues machen wollen", erinnert sich Schotten.

Was 5G den Unternehmen bringt

Mit 5G werden sich beispielsweise hochsichere und hochverfügbare Kommunikationssysteme aufbauen lassen. Bisher verwenden Polizei und Feuerwehr sowie die Betreiber kritischer Infrastrukturen wie Bahnunternehmen oder Energieversorger separate Netze, was einen hohen finanziellen und logistischen Aufwand bedeutet. 5G soll auch solche Szenarien abdecken können. Neben der Zuverlässigkeit spielt für viele Industrieanwendungen die Latenz eine wesentliche Rolle.
"5G wird vor allem die Industriehallen revolutionieren", sagt Guido Weissbrich, Bereichsleiter Netzwerkplanung bei Vodafone Deutschland. "Roboter können dann in Echtzeit mitei­nander kommunizieren und mit dem Menschen interagieren." Unternehmen könnten die dafür nötigen Netze sogar in Eigenregie betreiben, ohne die Infrastruktur selbst aufbauen zu müssen. Eine Technologie namens Network Slicing macht es möglich, in der Netzwerkumgebung eines Providers logisch getrennte Subnetze einzurichten.
Ein weiterer Bereich, der von der geringen Latenz profitieren wird, sind Mixed-Reality-Anwendungen. "Wenn die Interaktion zwischen virtueller und realer Welt auf Servern im Netz berechnet werden soll, benötigt man extrem kurze Verzögerungszeiten, sonst wird der Nutzer unter der Datenbrille seekrank", erklärt Marc Emmelmann, Wissenschaftler im Geschäftsbereich Software-based Networks am Fraunhofer Institut für offene Kommunikationssysteme FOKUS.
Auch das autonome Fahren soll von den hohen Bandbreiten, den geringen Latenzen und der Zuverlässigkeit der 5G-Netze profitieren. Autonome Fahrzeuge müssen und werden zukünftig miteinander kommunizieren, etwa um den Verkehrsfluss zu optimieren und Zusammenstöße zu vermeiden. Die auszutauschenden Datenmengen sind enorm: Laut Intel produziert ein autonomes Fahrzeug täglich 4 Terabyte an Daten. Kameras und Abstandsmesser generieren zwischen 30 und 100 Megabyte - pro Sekunde.

Die Technik hinter 5G

BMW i3: Selbstfahrende Fahrzeuge sind auf schnelle, zuverlässige Mobilfunknetze mit minimaler Latenz angewiesen.
(Quelle: BMW)
Die innovativen Funktionen in 5G beruhen auf dem Einsatz neuer Methoden und der Fortschreibung vorhandener Technologien sowohl auf der Funkschnittstelle als auch im drahtgebundenen Kernnetz. So wird etwa die aus dem WLAN-Bereich bekannte und auch bei LTE eingesetzte MIMO-Technik (Multiple Input Multiple Output) weiterentwickelt, um Kunden mit mehr Bandbreite versorgen zu können. MIMO-Systeme nutzen mehrere Antennen, über die sie Signale senden und empfangen. So lässt sich neben der zeitlichen Signalcharakteristik auch die räumliche zur Informationsübertragung verwenden.
Das Signal wird außerdem gegen Störungen robuster und kann gezielt auf ein Endgerät ausgerichtet werden (Beamforming). 5G verstärkt diesen Effekt durch den Einsatz sehr vieler Antennen (Massive MIMO). Aktuell werden Systeme mit bis zu 128 Antennen pro Zelle entwickelt. In Tests ließ sich dadurch die Datenrate im Vergleich zu LTE auf demselben 20-MHz-Frequenzband um das Zehnfache steigern.

Ziele der 5G-Konsortien

Aber nicht nur die effizientere Ausnutzung des vorhandenen Spektrums gehört zu den erklärten Zielen der 5G-Konsortien. Bei der Kommunikation zwischen Mobilfunkmast und Endgerät sollen auch neue Frequenzen zum Einsatz kommen, die mit über 24 GHz und mehr sehr viel höher liegen als in traditionellen Mobilfunknetzen. Da sich die Wellenlänge dabei im Millimeterbereich befindet, spricht man von "5G mmWave". Hohe Frequenzen erfordern eine höhere Zellendichte. Ihre Reichweite beträgt im Freien einige Hundert Meter, im Gebäude­inneren nur wenige Meter.
Auf der anderen Seite bietet das engmaschige Netz aber auch die Voraussetzung für die geforderten Latenzen im Millisekundenbereich und die hohen Bandbreiten. "Kombiniert mit modernen MIMO-Antennensystemen erhält man so eine optimale Empfangscharakteristik", erklärt Marc Emmelmann von Fraunhofer FOKUS.
Um die Kosten der Funkzellen zu senken, werden diese zudem technisch deutlich verschlankt, die traditionellen Masten (Remote Radio Head, RRH) sind nur noch für das Senden und Empfangen von Signalen zuständig, die Verarbeitung findet zentralisiert für mehrere RRHs statt. "So kann man zum Beispiel das Signal über mehrere Wege empfangen und eine bessere Signalcharakteristik erhalten", sagt Emmelmann.
Die Kernnetze werden in 5G weitgehend softwarebasiert konfiguriert und betrieben. "Ich kann die nötigen Funktionen auf virtuellen Maschinen betreiben und diese dynamisch mit dem aktuellen Bedarf skalieren", erklärt der Fraunhofer-Experte. Um die geringen Latenzen auch im Kernnetz zu erreichen, werden zudem Steuersignal und Daten getrennt übermittelt. "Soft­warebasierte Kernnetze ermöglichen außerdem Network Slicing, das den Aufbau virtueller paralleler Netze erlaubt, die kundenspezifisch und in unterschiedlichen Güteklassen auf derselben Infrastruktur betrieben werden können."



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