5G – Die Technik hinter dem Netz der Zukunft

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Funkmast mit Kabeln und Mobilfunk-Antennen
Bildquelle: Pixabay
5G ist der Mobilfunkstandard der 5. Generation und somit der Nachfolger von LTE. Doch während die Netzbetreiber in den vergangenen Jahrzehnten bei der Einführung eines neuen Standards wie UMTS oder LTE von einer Evolution sprachen, soll es sich bei 5G um eine Revolution handeln. Denn 5G wird technische Funktionen unterstützen, die mit den heutigen Netzen schlichtweg nicht möglich sind.

5G ist auch eine Evolution, weil es langfristig nahezu alle bisherigen Mobilfunknetze ersetzen soll. So haben die ersten Netzbetreiber in Deutschland schon das Ende von UMTS für 2022 angekündigt, in der Schweiz und anderen Ländern soll GSM deaktiviert werden und LTE und 5G driften immer weiter aufeinander zu. Bislang existierten GSM, UMTS und LTE als drei Netze nebeneinander und sprangen höchstens füreinander ein, wenn einer der Netzstandards nicht verfügbar war.

Das wirklich Besondere ist aber, dass die 5G-Netze auch sogenannte Network-Slices anbieten. Das bedeutet, die Netze werden auf eine bestimmte Funktion hin ausgebaut und optimiert: Datendurchsatz, niedrige Latenz und energiearmes Netz. Außerdem gibt es garantierte Service-Levels innerhalb dieser Netz-Funktionen. 5G-Netze sind deshalb auch in der Planung schon deutlich engmaschiger. Die Kehrseite: Es wird noch mehr Mobilfunkmasten auf Dächern und Feldern geben. Gleichzeitig werden Antennen, die in Städten nur kleine Bereiche versorgen, aber auch kleiner und sind im Idealfall nur so groß wie eine Handfläche. Letztlich müssen die Leitungen zu den Sendemasten auf 5G vorbereitet sein. Richtfunk-Anbindungen werden künftig nicht mehr ausreichen.

5G-Antenne der Telekom
5G-Antenne der TelekomQuelle: Thorsten Neuhetzki / inside handy

Was unterscheidet 5G von bisherigen Netzen?

Niedrige Latenzzeiten

Wenn ein Endgerät binnen einer Millisekunde eine Antwort auf seine Anfrage aus dem Netz erhalten soll, funktioniert das nur, wenn das Transportnetz dafür entsprechend ausgerüstet ist. Das Problem: Selbst wenn das komplette Transportnetz aus Glasfaser besteht, setzt die Lichtgeschwindigkeit der niedrigen Latenz Grenzen. Im Allgemeinen geht man davon aus, dass ein Signal für eine Distanz von etwa 500 Kilometern – also etwa die Entfernung Berlin-Frankfurt – rund 1,6 Millisekunden benötigt. Das Signal muss aber nicht nur von Berlin nach Frankfurt, sondern die Antwort auch wieder zurück nach Berlin. Die Ansprechzeit liegt also bei 3,2 Millisekunden und somit deutlich über dem Anspruch der Millisekunde.

EDGE-Computing

Die Folge ist, dass sich die 5G-Mobilfunknetze anders strukturiert sind und nicht auf zentrale Rechenzentren in Frankfurt oder gar den USA setzen. So genannte EDGE Cloud-Rechner werden deutlich näher an die Sendemasten rücken, als es heute der Fall ist. So ist denkbar, dass an einer Autobahn etwa alle 50 bis 100 Kilometer ein Mini-Rechenzentrum steht, das dem selbstfahrenden Auto die wesentlichsten Informationen binnen kürzester Zeit zusendet. Offen ist, ob jeder Mobilfunkanbieter diese EDGE-Server selbst aufbaut oder Kooperationen entstehen. Womöglich erledigen Dritte die Aufgabe.

Vernetztes Fahren mit niedrigen Latenzzeiten.
Niedrige Latenzzeiten und EDGE-Computing sind essentiell für vernetztes Fahren. Sie ermöglichen niedrige Latenzzeiten in letzter Instanz.Quelle: Adobe Stock

5G wird auch die Industrie-Anlagen revolutionieren. Roboter sind flexibler einsetzbar, wenn sie in großen Hallen per Funk kommunizieren. Egal, wer am Ende diese sogenannten Campusnetze aufbaut – es ist davon auszugehen, dass die benötigten Server ebenfalls auf dem Firmengelände stehen.

Hoher Datendurchsatz

Bei 5G geht es immer wieder um hohe Datenraten. Wie schnell das 5G-Netz in seinem Breitband-Slice sein kann und wird ist von vielen Faktoren abhängig. Doch egal, wie die Rahmenbedingungen sind: Eine Anbindung per Richtfunk wird für die Sendemasten nicht mehr ausreichen. Mehr oder weniger jeder Mobilfunksender wird per Glasfasernetz angebunden. Das wird sich gleichzeitig auch auf den klassischen Breitbandausbau in Deutschland auswirken. Denn eine Glasfaserstrecke, die zu einem Sendemast auf dem Hausdach verlegt wird, lässt sich selbstredend auch für die Internetversorgung des Hauses nutzen.

Bis aber alle Sendemasten Deutschlands mit Glasfaserleitungen versorgt sind, vergeht noch viel Zeit. Lediglich die Telekom ist hier schon relativ weit. Man geht von mehr als 80 Prozent aller LTE-Sender der Telekom aus, die heute schon mit Glasfaserleitungen angebunden sind. Vodafone ist weit darunter, bei Telefónica waren es Anfang 2018 gerade einmal 20 Prozent. Telefónica hat inzwischen jedoch zusammen mit Partnern begonnen, die eigenen Sendemasten mit Glasfaserleitungen zu erschließen. Die Herausforderung für den Konzern mit spanischer Muttergesellschaft: Er verfügt über kein eigenes Festnetz mehr.

Network Slices

Eine der wichtigsten Funktionen im kommenden 5G-Netz werden die Network-Slices sein. Dabei geht es nicht nur darum, die drei Funktionen Breitband, Sensoren und Latenz abzubilden. Sondern auch darum, dass innerhalb dieser Funktionsbereiche eigene logische Netze eingerichtet werden. Das erfolgt rein software-basiert vom jeweiligen Netzbetreiber.

So ist es dann möglich, für spezielle Maschinen-Anwendungen spezielle Service-Level innerhalb des Slices einzurichten. Diese sind garantiert reserviert und werden nicht von anderen Netzen und Anwendern beeinflusst. Als Beispiel dient ein Network-Slice für die Steuerung von Ampeln. Diese Steuerung funktioniert auch noch und binnen der garantierten Zeit, wenn sich gleichzeitig zahlreiche andere Anwender im 5G-Netz befinden und Downloads ausführen. Denn bevor Datenpakete auf eine Luftschnittstelle gehen, priorisiert die Steuerung sie nach ihrer Wichtigkeit.

Wichtig zu verstehen ist: Es geht dabei nicht um eine Bevorzugung oder Benachteiligung von Netflix & Co. gegenüber anderen Web-Diensten. Vielmehr garantieren die Betreiber, dass hochsensible Anwendungen – Netze von Polizei und Rettungsdiensten auch bei Großlagen noch funktionieren. Selbst wenn die Bevölkerung die Netze zusätzlich massiv beansprucht. Das Netz der Bevölkerung wird weiterhin nach dem Prinzip der Netzneutralisierung betrieben. Denkbar wäre aber, dass Teile der Kapazität des Netzes für Spezialanwendungen abgezweigt werden. Ein weiteres Beispiel dafür könnten mobile TV-Kameras im Stadion oder bei einer Großveranstaltung sein. Dafür müsste der Netzbetreiber einen lokal begrenzten Network-Slice einrichten, den der TV-Sender oder die Produktionsgesellschaft bestellen und bezahlen müssten. Im Gegenzug können sie sich darauf verlassen, dass ihre TV-Bilder ins Sendestudio gelangen, ohne dass sie eigene Funkstrecken mit den entsprechenden Lizenzauflagen und der damit verbundenen Technik einrichten müssen.

Beam Forming

Beam Forming ist eine der Antennen-Technologien, die die Nutzung von 5G deutlich verbessern soll. Eingesetzt wird Beam Forming in Teilen schon heute bei LTE. Beispielsweise versorgt Vodafone seinen stationären Internet-Empfänger Gigacube mit Beam Forming. Doch was ist Beam Forming? Dahinter steht eine aktive und intelligente Antennentechnik. Die kann zeitgleich zahlreiche Kunden zuverlässig und gezielt mit hohen Bandbreiten versorgt.

Die 5G Beam-Technologie vereint bis zu 128 speziell angeordnete winzige Antennen auf kleinstem Raum. Die einzelnen Antennen sind nicht nur besonders klein, sondern auch intelligent. Sie kennen immer die beste Luftschnittstelle, um Kunden auf direktem Wege zu erreichen. Die einzelnen „Beams“ bündeln sich in einer Antenne und werden gezielt auf den Empfänger ausgerichtet. Bewegt sich der Empfänger, verfolgen die Beams den Kunden. Sind allerdings viele Kunden etwa auf einem großen Platz unterwegs, funktioniert das nur noch bedingt. Alternativ bündelt das Netz mehrere Kunden in einem Spotbeam.

Kann heutige Technik weiterverwendet werden?

Viel Technik, die in den vergangenen Jahren in den Mobilfunk-Netzen installiert wurde, lässt sich für 5G verwenden. Die Netzbetreiber sprechen daher auch gerne davon, dass sie „5G-ready“ sind. Die Telekom baut beispielsweise ihre Sendemasten auf eine Technik um, die sich Single-RAN nennt. Dadurch lassen sich an den einzelnen Standorten Frequenzen und Standards dynamisch in Betrieb nehmen und verlagern, ohne dass vor Ort ein Techniker arbeiten muss. Diese Single-RAN-Technik wird auch von Telefónica und Vodafone eingesetzt ist aber bei keinem Anbieter bereits flächendeckend vorhanden.

Natürlich lassen sich auch die bereits verlegten Glasfaser-Trassen weiterverwenden. Die spezifische 5G-Hardware, die das eigentliche Signal produziert und die Features bereitstellt, bedarf aber eines Neuaufbaus.

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