Was ist 5G?

| Autor / Redakteur: Harald Naumann*, Michael Eckstein / Michael Eckstein

Multi-Talent: 5G ist darauf ausgelegt, seine Vorgänger-Technologien in allen Bereichen deutlich zu übertrumpfen.
Multi-Talent: 5G ist darauf ausgelegt, seine Vorgänger-Technologien in allen Bereichen deutlich zu übertrumpfen. (Bild: VCG)

Gut acht Jahre nach der Einführung von 4G-Mobilfunknetzen startet der Nachfolger 5G: In Berlin hat die Deutsche Telekom erste Basisstationen in den Betrieb genommen. Das müssen Sie über den neuen Mobilfunkstandard wissen.

5G steht laut Namensgeber International Telecommunication Union (ITU) für das Mobilfunknetz der 5. Generation. Entwickelt wird der neue Standard seit 2016 vom „3rd Generation Partnership Project“. Das 3GPP ist eine weltweite Kooperation von Gremien für die Standardisierung im Mobilfunk. Es definiert sowohl die „New Radio“ (NR) genannte Luftschnittstelle als auch das neue, hochflexible Kernnetz (Core, Backbone). Die Spezifikationen für letzteres hat das Konsortium im Juni 2018 im Standalone-Release 15, kurz SA 15, final festgezurrt.

Mithilfe des neuen Mobilfunkstandards sollen nicht nur Menschen miteinander kommunizieren, sondern auch Unmengen von Sensoren und Geräten. So gilt 5G als eine Schlüsseltechnologie für das Internet of Things (IoT), das Autos, Heizungen, Maschinen und viele andere Dinge miteinander vernetzt.

5G als Schlüsseltechnologie für das Internet of Things

Marktbeobachter sagen voraus, dass schon in wenigen Jahren etliche Milliarden Geräte direkt ohne menschliches Zutun miteinander kommunizieren. Neben der schieren Zahl der „Connected Devices“ zählen Zuverlässigkeit, sehr lange Batterie-Laufzeiten – Jahre statt Tage – und kurze Antwortzeiten zu den wichtigsten Forderungen an den neuen Standard. Keine Frage: Das IoT und das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) stellen neue, sehr hohe Forderungen an ein Mobilfunknetz.

Gleichzeitig soll 5G auch sehr hohe Datenverkehrsaufkommen sowie Indoor- und Hotspot-Traffic bewältigen und sich durch Energie-, Kosteneffizienz auszeichnen und spektrale Ressourcen optimal ausnutzen. Für die geforderten Eigenschaften muss die Technik Trägerfrequenzen bis weit in den zweistelligen GHz-Bereich – Stichwort Millimeterwellenlängen – unterstützen und mit einer enorm hohen Dichte von Basisstationen, unzähligen Antennen und verbundenen Endgeräten umgehen können.

Kurzum: 5G ist nicht weniger als ein Paradigmenwechsel im Mobilfunk.

Latenzen im Millisekundenbereich

Um den steigenden Anforderungen des aufstrebenden IoTs gerecht zu werden, wurde bereits unter 4G die Standard-Erweiterung NarrowBand-IoT, kurz NB-IoT, eingeführt. NB-IoT kann auf einer Kanalbandbreite von nur 180 kHz bis zu 100.000 Teilnehmer, so genannte „Connected Devices“, verwalten. Nachteil des NB-IoT sind unter anderem teilweise sehr hohe Latenzzeiten. Für das Auslesen eines Stromzählers im Keller mag das kein Problem sein. Am Getränkeautomaten möchte jedoch niemand 10 Sekunden warten, bis das Gerät reagiert. Und spätestens bei der Kommunikation zwischen Fahrzeugen – Thema autonomes Fahren – oder auch in der Fabrikautomation zählt jede Millisekunde.

5G soll genau das – neben vielen anderen Punkten – verbessern und je nach Applikation Latenzen im Bereich einer Millisekunde ermöglichen. Dadurch könnten beispielsweise vernetzte, autonome Fahrzeuge, Roboter und Maschinen praktisch verzögerungsfrei reagieren. Weitere Anwendungen von 5G sind zum Beispiel intelligente Transportsysteme, Logistik, Augmented Reality, Wearables, Smart Cities und Mobile Health.

Hocheffiziente, rückwärtskompatible Luftschnittstelle

Mit LTE hat das 3GPP das hocheffiziente Zugriffsverfahren OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) eingeführt. 5G übernimmt OFDMA. Auch kommt als Modulationsverfahren weiterhin die Quadraturphasenumtastung QPSK („Quadrature Phase-Shift Keying“ oder „Quaternary Phase-Shift Keying“), auch als Vierphasen-Modulation bezeichnet, zum Einsatz. Dadurch bleibt die Luftschnittstelle grundsätzlich rückwärtskompatibel.

Zusätzlich kommt seit 3G/HSPA die Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM) zum Einsatz. Das Modulationsverfahren kombiniert die Amplitudenmodulation mit einer Phasenmodulation. Geläufig sind heute QAM 16, QAM 32, QAM 64 und QAM 256. Die Zahlen stehen jeweils für die Anzahl an Zuständen, die gleichzeitig codiert werden können. Je höher die Dichte, desto mehr Informationen können pro Zeiteinheit übertragen werden – mit anderen Worten, die Datenübertragungsrate steigt bei sonst gleichen Bedingungen. 5G bringt zusätzlich noch QAM 1024 ins Spiel. Damit kann es die spektrale Effizienz (SE) weiter erhöhen und bei Bedarf noch mehr Daten je Zeiteinheit übertragen. Dies soll letztlich Datenraten von bis zu 20 GBit/s ermöglichen.

5G führt neue Vernetzungstopologien ein

Wenn immer mehr Geräte im privaten wie im industriellen Bereich per Mobilfunk kommunizieren, steigt der Kapazitätsbedarf rasant. Bisherige, zentralisierte Netze können mit dieser Entwicklung nicht mithalten. Jedes Endgerät verbindet sich hierbei ausschließlich mit der nächstgelegenen Basisstation oder mit einer feststehenden Relaisstation. Der Datenverkehr läuft also in jedem Fall über das Kernnetz.

In 5G ist hingegen mit „Multi-Hop-Relaying“ die Möglichkeit vorgesehen, dass Geräte Daten direkt untereinander austauschen, so dass diese nicht über das Backbone des Providers laufen. Diese Device-to-Device-(D2D)- oder auch Peer-to-Peer-Netzwerke lässt 5G die vorhandenen Ressourcen viel besser ausnutzen.

Mit „Hops“ lässt sich zudem die Reichweite in Gebäuden erhöhen: Die Daten „hüpfen“ von einem Endgerät zum nächsten, bevor sie zur 5G-Basisstation übertragen werden. Diese Schritte können die Last im Kernnetz erheblich verringern.

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