5G

5G steht für die fünfte Generation der Mobilfunktechnologie. In den 80er Jahren wurden Telefone zum ersten Mal mobil nutzbar, damals noch analog – 1G. Zehn Jahre später kamen mit 2G erstmals kleinere Handys auf, die  mit dem dann digitalen Standard auch SMS verschicken konnten. Dieser ermöglichte mit der weiteren Entwicklung GPRS und EDGE auch Datenraten für den mobilen Internet- und E-Mail-Zugriff. Seit 2001 ermöglicht 3G/UMTS mobile Multimedia-Anwendungen wie Videotelefonie und mit den weiteren Entwicklungen HSDPA immer schnellere Geschwindigkeiten. 2010 kommt mit 4G /LTE der Mobilfunkstandard der Geschwindigkeiten ermöglicht, die denen im Festnetz vergleichbar sind. Video- und Audiostreaming, Spiele und Cloud-Anwendungen sind damit unterwegs möglich.

Weitere 10 Jahre später nun 5G vor der Einführung. Noch höhere Bandbreiten, Echtzeit-Reaktionsgeschwindigkeit und eine höhere Netzwerk-Kapazität schaffen die technische Grundlage für das „Internet of Things“.

Märkte, Branchen, Industrien und die Gesellschaft werden sich in den kommenden Jahren noch viel stärker vernetzen, als es heute schon der Fall ist. In den kommenden Jahren werden nicht mehr nur Millionen von Smartphones und Computern vernetzt sein, sondern nahezu alle Dinge werden sich zu einem „Internet of Things“ vernetzen. Die momentan in der Entwicklung befindliche integrierte Mobilfunk und Netztechnologie 5G hat den Anspruch, die zukünftigen Anforderungen für die Kommunikation in dieser vollständig vernetzten Informationsgesellschaft sehr viel umfassender als bisher zu erfüllen.

Schätzungen gehen davon aus, dass bis 2020 weltweit 50 bis 500 Milliarden Dinge vernetzt sein werden. Die sich ergebenden Potenziale wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Entwicklung haben enorme Auswirkungen auf das volkswirtschaftliche Wachstum und die zukünftige Wertschöpfung, denn 5G ist eine der Schlüsseltechnologien der Digitalisierung aller Lebens- und Wirtschaftsbereiche.

Einige der Vorteile sind hier aufgelistet:

Ultrahohe Datenraten

Die vernetzte Gesellschaft erwartet, dass Breitbandverbindungen immer und überall in hoher Qualität zur Verfügung stehen. Immer mehr Menschen werden datenintensive Dienste, bisher meist audiovisuelle Mediendienste, nutzen. Berücksichtigt man, dass sich bei der Mobilfunknutzung immer mehrere Geräte einen Zugangspunkt und die verfügbare Datenrate teilen müssen, ergeben sich insbesondere in dicht bevölkerten Gegenden (Innenstädte, hohe Gebäude und Veranstaltungsgelände) hohe Anforderungen an die Netzinfrastruktur, um den Bedarf nach sehr hoher Kapazität zu befriedigen.

Echtzeitreaktion – taktiles Internet

In einer vernetzten Gesellschaft werden zukünftig Anwendungen davon abhängen, dass Daten möglichst in Echtzeit zur Verfügung stehen. Beispielsweise hängt das effektive Arbeiten in virtuellen Räumen davon ab, dass Reaktionen auf Eingaben ohne wahrnehmbare Reaktionszeiten (geringe Latenz) erfolgen.

5G verfolgt als ein wesentliches Entwicklungsziel eine möglichst geringe Ende-zu-Ende-Latenz, um auch extrem zeitkritische Kommunikation zwischen Menschen und Maschinen sowie zwischen Maschinen zu ermöglichen. Ziel ist dabei je nach konkretem Anwendungsfall eine Latenz von nur wenigen Millisekunden.

Optimale Verfügbarkeit

In einer vernetzten Gesellschaft gibt es die Anforderung, immer und überall eine möglichst optimale Versorgung mit Kommunikationsdiensten nutzen können, sei es durch Personen oder vernetzte Dinge. Insbesondere die Nutzung in der Bewegung – in Autos und Zügen – stellt hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit damit auch inhärent das Mobilitätsmanagement in den Netzen. Die Übergabe der Kommunikation von einer zur nächsten Funkzelle muss zuverlässig und mit hoher Geschwindigkeit funktionieren. 5G wird diese Verfügbarkeit ermöglichen und darüber hinaus eine umfassende Konvergenz zwischen allen Netzzugangsarten realisieren und die digitale Plattform für alle Kommunikations- und Vernetzungsanwendungen darstellen.

Sichere Verfügbarkeit

In der vernetzten Gesellschaft wird die Internetverbindung eine ähnlich wichtige Funktion wie heute die Stromversorgung haben. Ein Ausfall hätte enorme wirtschaftliche Folgen. Eine neue Mobilfunkgeneration muss daher Sicherungsmechanismen implementieren, die eine möglichst umfassende und auch bei sehr hoher Belastung sichere Verfügbarkeit der Netze insgesamt garantieren. 5G wird die technologisch bedingten Beschränkungen der bisherigen Systeme (Stichwort zellulare Netze) durch neue Prinzipien aufheben und somit einem anderen Anspruch an die Verfügbarkeit gerecht werden.

Sicherheit

Die Sicherheitsarchitektur bisheriger 3G- und 4G-Netze hat sich als äußerst solide erwiesen und ist daher eine hervorragende Basis, auf der unter Berücksichtigung der neuen, zukünftigen Anwendungsszenarien und Anforderungen (beispielsweise hinsichtlich von extrem niedriger Latenz oder extrem effizientem Handover) die zukünftige 5G-Sicherheitsarchitektur entwickelt werden kann. Zu den neuen Anforderungen wird dabei auch eine erhöhte Flexibilität von Sicherheitsmechanismen zählen, sodass diese beispielsweise nicht nur leistungsfähigen Endgeräten wie Smartphones gerecht werden, sondern auch erlauben, einfache IoT-Geräte, wie z. B. Sensoren mit geringem Energie-Budget, sicher zu vernetzen.

Netzarchitektur

Für die Vielzahl von Geschäfts- und Anwendermodellen bietet 5G eine hoch flexible und skalierbare Architektur, in der die Netzfunktionen virtualisiert sind (Network Function Virtualisation, NFV) und gemäß den Anforderungen bezüglich Leistungsfähigkeit und operativer Effizienz verteilt (wie Multi-Access Edge Computing, MEC / Distributed Cloud Computing) oder zentral implementiert werden können.

Energieeffizienz

Die vernetzte Gesellschaft wird in einem erheblichen Maße durch die Vernetzung unterschiedlichster Sensoren und die Auswertung der von diesen generierten Daten getrieben. Viele Sensoren werden nicht dauerhaft mit einer Stromquelle verbunden sein können. Die Anbindung mobiler und fest installierter Sensoren muss daher mit einem möglichst geringen Energiebedarf erfolgen können.

In Deutschland soll 5G zunächst vor allem für die industrielle Nutzung eingesetzt werden, um den Wirtschaftsstandort Deutschland zu stärken und zu einem weltweiten Leitmarkt für innovative Services und Geschäftsmodelle auf Basis der 5G-Technologie zu entwickeln. 

Mögliche Einsatzbereiche sind: 

5G in den Energienetzen

Wo bislang zentralisierte Systeme für Prognose und Betriebsführung mit wenigen Sensoren und Aktoren zum Einsatz kamen, werden in Zukunft dezentrale Systeme auf lokaler Ebene mit einem hohen Vernetzungsgrad die Architektur bestimmen. Ziel wird es sein, lokale und regionale Energieverteilnetze durch die dynamische Steuerung von Erzeugern, Lasten und Speichern so zu optimieren, dass diese sich in einem energetischen Gleichgewicht befinden. Dazu sind Kommunikationsbeziehungen in lokalen und regionalen Strukturen mit sehr kleiner Latenz (kurze Regelzeitkonstanten aufgrund fehlender Trägheit großer Maschinen im Energiesystem) notwendig. Auch die direkte Interaktion zwischen Lasten und Erzeugern ohne Nutzung der Kerninfrastruktur des 5G-Netzes muss sichergestellt sein (Device-2-Device-Kommunikation).

5G in der Mobilität

Das hoch automatisierte Fahren rückt immer näher und ist eines der Zukunftsfelder der deutschen Automobilindustrie. Schon heute werden Assistenzfunktionen angeboten, die Teilaspekte des automatisierten Fahrens enthalten, z. B. ein Stauassistent, der innerhalb des Fahrstreifens bremst und wieder beschleunigt, je nachdem wie sich das vorausfahrende Fahrzeug verhält. Für die weitergehende Automatisierung ist neben zusätzlicher Sensorik auch der Austausch von Sensordaten mit den umgebenden Fahrzeugen erforderlich, um das Fahren weiter zu verbessern. Die mit 5G erreichbaren geringen Ende-zu-Ende-Verzögerungen in der Größenordnung unter 10 ms (Ziel 1 ms) ermöglichen eine kooperative Umplanung im Falle eines unerwarteten Ereignisses. Stausituationen erfordern die Kommunikation von Tausenden Teilnehmern innerhalb einer Kommunikationszelle. Neben dem Automobilsektor wird 5G auch eine entscheidende Rolle bei der Digitalisierung des Bahnbetriebes spielen: So wird 5G es ermöglichen, Züge hochzuverlässig und in Echtzeit zu steuern, um eine höhere Kapazität und Zuverlässigkeit auf der Schiene zu erreichen. Eine latenzminimierte Übertragung von Video und Sensordaten von Zügen und Infrastrukturelementen und deren Verarbeitung z. B. in lokalen Edge Clouds würde es zudem ermöglichen, in Echtzeit und automatisiert auf kritische Ereignisse zu reagieren sowie Passagierflüsse effizient zu steuern.

5G in der Mediennutzung

Neben der Produktion von Inhalten und der Vernetzung von Sendeunternehmen/anstalten wird 5G auch in der Verbreitung von audiovisuellen Inhalten von großer Bedeutung sein. Inhalte-Anbieter streben für die Nutzer einen nahtlosen Zugang zu Inhalten und Diensten an – zu jeder Zeit, an jedem Ort und mit jedem Endgerät. Die Nutzung soll unabhängig vom Übertragungsmodus (Unicast, Multicast oder Broadcast) und dem Zugangsnetz (Festnetz, Mobilfunknetz, Rundfunknetz), als auch unabhängig davon, wie sich der Nutzer zwischen diesen Netzen bewegt, möglich sein. Die Produktion und Nutzung von audiovisuellen AR, VR, 360° Inhalten wird in den nächsten Jahren sehr stark zunehmen. Damit die Nutzer diese neuen Formate und beispielsweise auch Online-Gaming störungsfrei nutzen können, ist eine niedrige Latenz von wenigen Millisekunden notwendig.

5G in der Logistik

Die Erfassung von Bearbeitungs- und Qualitätszuständen eines Produkts wird wesentlich feingranularer erwartet als heute. Neben den Anforderungen an Echtzeit, Verfügbarkeit und gegebenenfalls sogar nachsteuernde Optionen für den Kunden während der Produktion zeigen Kunde und Produzent zunehmend Interesse an einer lückenlosen Transportüberwachung und einer gemeinsamen Wareneingangskontrolle in Echtzeit. Dazu muss die übergreifende und konvergente Nutzung klassischer Überwachungsinstrumente wie Optik und Sensorik übergreifend auch in großer Anzahl funktionieren. Ergänzend zu den bisherigen Transportmitteln können auch ferngesteuerte und fernüberwachte Drohnen zum Einsatz kommen.

5G in der industriellen Produktion

Die Steuerung einzelner industrieller und landwirtschaftlicher Produktionsmittel im Sinne einer höchst dynamischen und flexiblen Fertigung erfordert eine hierfür geeignete Hardware, einen auf Resilienz eingerichteten Kommunikationsstandard sowie eine für diese Anwendungen adäquate und bei Bedarf lokal ausschließlich nutzbare Frequenzressource. IoT im Produktionsumfeld ist zunehmend durch eine Vielzahl von Sensoren und Aktoren charakterisiert, die immense Informationsmengen generieren. Für die zunehmend drahtlose Übertragung dieser Daten werden geeignete Protokolle benötigt. Diese durch IoT gewonnenen Daten werden die Grundlage für die Nutzung in Systemen mit künstlicher Intelligenz (KI) sein, um Produktions- und Dienstleistungsprozesse effizienter und somit kostengünstiger zu gestalten.

Mobilfunk nutzt verschiedene Frequenzbereiche. Dabei gilt grundsätzlich: Je niedriger die Frequenz ist, desto größer ist die Reichweite. Je breiter das Frequenzspektrum, desto größer die Bandbreite. Für große Reichweiten ist daher der Bereich unterhalb von 1 GHz gut geeignet, hier gibt es für Mobilfunk aber nur ein begrenztes Spektrum. Sehr viel Spektrum und damit sehr hohe Bandbreiten können bei 24 GHz und mehr realisiert werden, hier sind aber die Reichweiten sehr kurz.

Aktuell versteigert die Bundesnetzagentur Spektrum bei 2 und 3,6 GHz, welches hohe Bandbreiten, aber auch nur begrenzte Reichweiten ermöglicht. Das Spektrum ist in 41 Frequenzblöcke unterteilt, auf welche die Unternehmen bieten können. Das Mindestgebot für jeden Block liegt zwischen 1,7 Mio. und 5 Mio. Euro. Die Versteigerung findet unter hohen Sicherheitsvorkehrungen statt, um Absprachen zwischen den Bietern zu verhindern. Deshalb sitzen die Vertreter von den Mobilfunkunternehmen in getrennten Räumen und dürfen nur über ein internes Netzwerk Gebote abgeben.

Zudem hat die Bundesnetzagentur 100 MHz zwischen 3,7 und 3,8 GHz für lokale Nutzungen reserviert, die nicht versteigert werden, sondern für private Unternehmensnetze durch Firmen beantragt werden können.