5G: Der neue Mobilfunkstandard

5G ist als Schlagwort seit geraumer Zeit in aller Munde. Industrievertreter, Mobilfunkkonzerne und die Politik sprechen beispielsweise in schöner Regelmäßigkeit über die Technologie, die seit 2020 Marktreife besitzt. Dabei klingt es häufig so, als würden sie die berühmt-berüchtigte eierlegende Wollmilchsau beschreiben. Als Beispiel: 5G soll flächendeckendes autonomes Fahren erlauben, den eigenen Kühlschrank in die Lage versetzen, mit dem Computer zu kommunizieren, um neue Milch zu bestellen, und nicht zuletzt das Internet in der eigenen Hosentasche bis zu 100 Mal schneller machen. Die Deutsche Telekom veröffentlichte zum Thema eine Pressemitteilung mit dem Titel „5G-Revolution – keine Evolution“. Was aber ist es genau, das unsere Welt in den nächsten Jahren derart auf den Kopf stellen wird? Nähern wir uns der Antwort auf diese Frage Stück für Stück.

I. 5G – eine allgemeine Einführung

5G steht für „fifth generation“ bzw. „fünfte Generation“. Generell ist damit also ein neuer Mobilfunkstandard gemeint – der Nachfolger von LTE bzw. 4G.

Zur Übersicht sei eine kurze Chronologie der Standards gegeben:

1G: eingeführt in den 1970er und 1980er Jahren. Telefonate konnten erstmals ohne kabelgebundene Geräte durchgeführt werden.
2G: In Deutschland 1992 eingeführt. Sprachsignale wurden durch 2G digital übermittelt – es handelte sich um den bis heute gebräuchlichen „GSM“-Standard mit einer Bandbreite von 9,6-14,4 KBit/s.
3G: In Deutschland 2004 eingeführt und als „UMTS-Revolution“ berühmt geworden. Das Internet wurde mobil. Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 42 Mbit/s wurden durch die UMTS-Erweiterung HSPA möglich.
4G: In Deutschland 2010 eingeführt und auch als „Long Term Evolution“ (LTE – „langfristige Entwicklung“) bekannt. Breitband-Internet wurde durch 4G mobil. Geschwindigkeiten von 50 Mbit/s sind Standard. Weit verbreitet ist bereits ein Speed von 100 Mbit/s – theoretisch möglich ist eine Geschwindigkeit von 1 GBit/s.
5G: Seit 2013 in Planung. 2017 konnte internationale Einigkeit über den neuen Standard erreicht werden. Er verspricht Geschwindigkeiten von bis zu 10 GBit/s – und ist damit 100 Mal schneller als die üblichen LTE-Verbindungen. In Deutschland ist 5G seit 2020 auf dem Markt. Andere Länder waren bereits 2019 soweit.

II. Die Ziele von 5G neben mehr Speed: Wesentlich kürzere Latenzzeiten – und Hochverfügbarkeit

Es ist aber nicht nur die Geschwindigkeit, bei der 5G alle bisherigen Mobilfunkstandards in den Schatten stellen möchte. Auch in den Bereichen Latenzzeiten („Reaktionszeiten“) und Hochverfügbarkeit („Wie viele Geräte können ein Netz gleichzeitig nutzen?“) bietet der neue Standard Möglichkeiten, die deutlich über das bisher mögliche hinausgehen.

Bei der Latenzzeit strebt 5G einen Wert von einer Millisekunde (0,001 Sekunden) an. Zum Vergleich: 3G-Netze benötigten noch 100 Millisekunden (0,1 Sekunden), um zu reagieren. 4G erreichte immerhin bereits 30 Millisekunden (0,030 Sekunden). 5G spricht also in Echtzeit an. Der Mobilfunkstandard ermöglicht auf diese Weise autonom fahrende Autos. Hierfür ein interessanter Vergleich: Die Reaktionszeiten von KFZ-Fahrern im Verkehrsgeschehen liegen bei 0,2 bis 0,3 Sekunden. Ein mit 5G-Technologie fahrendes Auto kann folglich 200 bis 300 Mal schneller reagieren als der Mensch – nicht eingerechnet sind dabei zusätzliche mentale Belastungen für den Fahrer aus Fleisch und Blut wie beispielsweise Schrecken, die für die Maschine keine Rolle spielen.

Bedingung ist aber, dass das Netz wirklich durchgehend zur Verfügung steht. Die für 5G federführende International Telecommunication Union (ITU – getragen von den Vereinten Nationen) rechnet damit, dass bis zu 100 Milliarden Geräte zeitgleich künftig vernetzt sein werden. Diesem Umstand wird der neue Mobilfunkstandard ebenfalls gerecht – durch eine deutlich höhere Zahl an Funkeinheiten. Fünf Mal mehr entsprechende Sendeeinheiten müssen aufgebaut werden. Diese sind zwar deutlich kleiner als die Funktürme für UMTS oder LTE, verfügen im Gegenzug aber zugleich über mehr Antennen (mehrere Hundert pro Sendeeinheit) – technisch sind sie deshalb komplexer. Die ununterbrochene Kommunikation von Maschinen zu Maschinen („M2M“) wird so möglich – zumindest bei einem entsprechenden Netzausbau. Die Kapazität („Belastbarkeit bezüglich der zeitgleich im Netz eingebundenen Maschinen“) von 5G ist durchschnittlich 1000-fach höher als die von 4G.

Die große Zahl der Funkeinheiten hat für den Nutzer zudem einen angenehmen Nebeneffekt: Die Distanz des eigenen Endgeräts zur Sendeeinheit ist kürzer. Es muss weniger Strecke überwunden werden, was Strom spart und so den Akku beispielsweise des eigenen Smartphones schont. Der Energieverbrauch von allen an das 5G-Netz angeschlossenen Geräten geht im Vergleich mit 3G sowie 4G deutlich zurück.

III. Die technische Umsetzung von 5G: So wird das Netz aufgebaut

Insgesamt ist mit 5G die Zeit großer Funktürme vorbei. Wie angerissen sind die Sendeeinheiten deutlich kleiner. In belebten Bereichen wie Fußgängerzonen kommen sogar nur sogenannte „Kleinzellen“ zum Einsatz, die optisch an DSL-Router erinnern. Diese habe eine Reichweite von nur einigen Hundert Metern, können dafür aber flächendeckend ein hochfrequentes Netz anbieten.

Kleinere Zellen als Funkeinheiten: Vor- und Nachteile

Vorteile

Die kleinen Sendeeinheiten bieten einige spezifische Vorteile, weshalb die Provider dazu bereit sind, die mit der Bauform einhergehenden Nachteile in Kauf zu nehmen. Beispielsweise lassen sich die „Kleinzellen“ wesentlich einfacher montieren. Denkbar ist es beispielsweise, sie einfach an Laternen anzubringen.

Überdies ist eine variable Ausrichtung der Zellen auf die Endgeräte („Beamforming“) möglich. Interessant ist dies vor allem für die Industrie: Die Mehrfachantennen einer Zelle („MiMo“ für „Massive Multiple Input Multiple Output“) werden speziell so geformt, dass sie einen Bereich (beispielsweise ein Bürogebäude oder eine Fabrikhalle) besonders gut ausstrahlen. Theoretisch ist so durch 5G erstmals überhaupt ein anwenderspezifischer Netzausbau möglich. Die Kleinzellen erlauben es zu wirtschaftlichen Preisen, bestimmte Regionen mit einem besseren Netz zu versorgen als andere.

Durch die geringen Latenzzeiten und die hohen Übertragungsgeschwindigkeiten ist auch das sogenannte „Network Slicing“ möglich. Netze lassen sich virtuell teilen, um allen Nutzern die bestmögliche Erfahrung zu ermöglichen. Ein Beispiel soll dies verdeutlichen: Ein Unternehmen betreibt ein Bürogebäude neben einer industriellen Fertigungseinrichtung. Letztere hat einen wesentlich größeren Leistungsbedarf an das Netz, da hier vollautomatisierte Maschinen arbeiten. Bislang war es technisch nicht möglich, der Fertigungseinrichtung eine höhere Bandbreite auf Kosten der des Büros zuzugestehen. 5G macht nun genau dies möglich. Betreiber können deshalb „Network as a Service“ anbieten: Vereinfacht gesagt kann der Kunde einen Tarif buchen, durch den er vollautomatisch das Netz erhält, das für ihn am besten ist.

Die Zellen werden pro Einheit (nach derzeitigem Entwicklungsstand) bis zu 200 Antennen haben. Dadurch werden zwei Vorteile erreicht. Erstens wird ein wesentlich größeres Frequenzspektrum als bislang genutzt: Ein Frequenzraum von bis zu 24 GHz soll verfügbar sein. Heute sind bis zu 2,6 GHz üblich. Vereinfacht gesagt können Daten auf wesentlich breiterer Basis übertragen werden. Statt einer Spur auf der Straße stehen auf einmal zehn zur Verfügung. Überdies gestatten es die Mehrantennensysteme, Frequenzen zu bündeln. Man spricht auch von „Kanalbündelung“ bzw. „Carrier Aggregation“. Der Nutzer erhält die Daten statt über einen einzelnen Frequenzbereich über einen Frequenzblock. Bildlich gesprochen: Auf der Autobahn werden zwei statt nur einer Spur freigehalten, um möglichst viele Daten von A (Sender) zu B (Empfänger) zu transportieren.

Nachteile

Generell müssen alle Funkeinheiten an ein ultraschnelles Netz angebunden werden, um hier weiterverarbeitet zu werden. Hierfür kommt in Deutschland faktisch nur das Glasfasernetz in Frage. Gerade Kleinzellen, die beispielsweise an Laternen montiert sind, können aus offensichtlichen Gründen nicht direkt an das Glasfasernetz angebunden werden. Sie müssen wie ein Hotspot ihre Daten bis zu einem „Router“ weiter übermitteln, der an das Netz angebunden ist. Die an das Glasfasernetz angebundenen Zellen müssen extrem leistungsstark sein, um mit dem eingehenden und ausgehenden Datenstrom umgehen zu können. Bislang erreichte in Deutschland deshalb bislang kein Provider in Feldtests auch nur ansatzweise die theoretisch möglichen 10 GBit/s. Die Telekom kam in Berlin im bislang größten 5G-Pilotversuch in Deutschland auf 3,5 GBit/s.

Der Aufbau des Netzes wird zudem realistisch deutlich mehr als zehn Jahre in Anspruch nehmen. Das seit acht Jahren im Aufbau befindliche LTE-Netz ist längst noch nicht flächendeckend verfügbar – und für 5G müssen fünfmal so viele Sendeeinheiten montiert werden. Als Vergleich: In den USA hat es insgesamt etwa 30 Jahre gedauert, um ein flächendeckendes Mobilfunknetz aufzubauen, das für 3G und für 4G aufgerüstet werden konnte.

Dies führt zu einem weiteren Nachteil – insbesondere der Kleinzellen. Es können anders als bei der Umrüstung von 3G zu 4G nur verhältnismäßig wenige Funktürme nach einer Aufrüstung auf 5G weiter genutzt werden. Wir werden den Aufbau von parallelen Netzstrukturen erleben. Bislang streiten die Mobilfunkprovider und die Politik allerdings darüber, wie dies realistisch durchgeführt werden kann.

5G wird deshalb insgesamt gigantische Kosten verursachen. Telefónica (o2) rechnet damit, dass es allein in Deutschland 76 Milliarden Euro bezahlen müsste – die Kosten für die Nutzung der Frequenzen nicht eingerechnet. Diese Summen dürften an die Kunden auf zwei Wegen weitergegeben werden. Erstens werden die Tarife anfangs ausgesprochen hoch ausfallen. Zweitens wird die Hardware (Router) kostspielig. 5G wird deshalb anfänglich vor allem ein Angebot für die Industrie und möglicherweise einige Mobilfunkkunden. Die privaten DSL-Anschlüsse verdrängen wird der neue Mobilfunkstandard auf Sicht jedoch noch nicht.

Das Sonderproblem des ländlichen Ausbaus

In Deutschland wünscht sich die Politik, dass 5G zuerst im ländlichen Raum verfügbar gemacht wird, wo es bislang kein Breitbandinternet gibt. Die Unternehmen lehnen dies aus mehreren Gründen ab:

Der Ausbau des Glasfasernetzes in Deutschland ist allgemein schlecht, aber im ländlichen Raum besonders mangelhaft. Mit dem 5G-Ausbau müsste auch ein Ausbau des Glasfasernetzes Hand in Hand gehen.
Industrieunternehmen, die als erste 5G-Kunden gelten, sind im ländlichen Raum kaum ansässig. Die erste Kundenzielgruppe trifft man hier also praktisch nicht an.
In der Bundesrepublik gibt es aus Wettbewerbsgründen ein Kooperationsverbot, das die obigen Probleme abschwächen könnte. Unternehmen dürfen sich beispielsweise nicht zusammenschließen, um den Ausbau des Glasfasernetzes und den 5G-Aufbau zusammen zu schultern.
Praktisch gibt es im ländlichen Raum ebenfalls das Problem, ausreichend geeignete Standorte beispielsweise für die Kleinzellen zu finden.

Ein Kompromissvorschlag sieht vor, dass für den Aufbau des 5G-Netzes erstmals regionale Anbieter zugelassen werden, für die das Kooperationsverbot teilweise aufgehoben wird. Einige Unternehmen haben an einer solchen Variante bereits Interesse signalisiert. Als Beispiel: Im nordwestdeutschen Raum verfügt der Regionalanbieter EWE über ein eigenes Glasfasernetz. Er könnte sich mit o2 zusammenschließen, um in der eigenen Region ein 5G-Netz aufzubauen. EWE könnte das Mobilfunknetz von o2 nutzen, dieses würde wiederum Zugriff auf das Glasfasernetz bekommen. Ob dies überhaupt umgesetzt wird, und wenn ja, wie genau, ist jedoch noch offen.

IV. Hardware für 5G

Smartphones

Erste 5G-fähige Handys kam in Deutschland 2019 auf den Markt. Federführend sind hierfür die chinesischen Smartphone-Anbieter OnePlus und Huawei sowie der koreanische Konzern Samsung. Dies hat zwei Hintergründe: Erstens ist China beim 5G-Ausbau weltweit führend. Kein Land des Planeten nimmt hierfür so viel Geld in die Hand wie das Reich der Mitte. Huawei ist zugleich das weltweitführende Unternehmen im Bereich 5G.

Zweitens vertraut Samsung auf Chips des US-Unternehmens Qualcomm – dem einzigen nicht-asiastischen Hersteller, dessen Hardware mit 5G umgehen kann. Die Amerikaner bestätigten zudem eine Zusammenarbeit mit Unternehmen wie Asus, Xiaomi, LG, HTC oder Sony. Diese Anbieter werden entsprechend ebenfalls zeitnah 5G-Smartphones auf den Markt bringen. Apple fehlt in dieser Aufstellung, weil die Kalifornier nicht mehr mit Qualcomm zusammenarbeiten. 5G-iPhones werden entsprechend noch etwas auf sich warten lassen.

Router

Bei den Routern für den Heimgebrauch hat sich die Lage in den letzten Monaten etwas verbessert. Hier befanden wir uns eine ganze Weile im „Pre 5G“-Bereich. Dies bedeutet, dass nur Prototypen existierten, die zeigen, wohin die Reise geht. Inzwischen gibt es aber zahlreiche Routermodelle, die mit 5G nutzbar sind.

V. Wann kommt 5G nach Deutschland?

Die Versteigerung der 5G-Frequenzen in Deutschland fand im ersten Quartal 2019 statt. Anschließend begann der Netzaufbau. Inzwischen sind 5G-Tarife bei allen großen Mobilfunkanbietern erhältlich. Der Ausbau des 5G-Netzes ist bisher bei weitem noch nicht so fortgeschritten wie der LTE-Ausbau. Jedoch gibt es bereits einige Orte in Deutschland, in denen 5G nahezu flächendeckend verfügbar ist.

LTE profitiert indirekt von 5G

Für viele Menschen hierzulande kann es sich trotzdem lohnen, bereits ein 5G-fähiges Smartphone zu erwerben. LTE hat auch mit der Einführung von 5G nicht ausgedient – im Gegenteil. Tatsächlich profitiert 4G durch 5G. Erstens ist die Entwicklung von LTE selbst noch nicht beendet. Auch dieser Mobilfunkstandard wird noch schneller. Aktuelle Hardware wird Probleme damit bekommen, selbst diese Geschwindigkeiten umzusetzen. 5G-fähige Geräte bauen diesbezüglich vor.

Zweitens lassen 5G-Zellen als Turbos in 4G-Netze einfügen. Beispielsweise Kleinzellen können als Hotspots fungieren. Sie erweitern also nicht nur die Kapazität von LTE-Netzen, sondern beschleunigen diese auch in einem begrenzten Raum. Im Idealfall wächst 5G also aus dem 4G-Netz heraus. Der Endkunde merkt nur insofern etwas von dem Wechsel, dass sein Internet im Laufe der Zeit immer besser wird.

VI. Auf einen Blick: Vor- und Nachteile von 5G

Vorteile:

100 Mal schneller als LTE.
Datenübertragungen praktisch in Echtzeit durch eine Latenzzeit von nur einer Millisekunde. „Intelligenz“ lässt sich deshalb auslagern. Beispielsweise Computerspiele können direkt auf einen Rechner gestreamt werden – die leistungsstarke Hardware muss nicht mehr beim Endkunden sein.
Wesentlich mehr Geräte lassen sich zeitgleich vernetzen.
5G ist deutlich stromsparender als 4G.
Durch 5G werden technisch völlig neue Möglichkeiten eröffnet, beispielsweise autonomes Fahren.
Die Netze lassen sich anwenderspezifisch aufbauen, um allen Nutzern bestmögliche Qualität zur Verfügung stellen.

Nachteile:

Der Aufbau von 5G verursacht hohe Kosten, die an die Kunden weitergegeben werden.
Im Fokus der Provider stehen erst einmal die Industrieunternehmen. Privatkunden sind erst einmal von nachrangiger Bedeutung.
Der Aufbau des Netzes ist sehr kompliziert und wird Jahre in Anspruch nehmen. Dies gilt insbesondere für den ländlichen Raum.

Fazit

5G ist tatsächlich eine eierlegende Wollmilchsau. Der Mobilfunkstandard ist leistungsstärker als alles, was wir bisher kannten. Zugleich ist er aber auch umweltfreundlicher. Als Nutzer darf man ihm deshalb voller Freude entgegensehen. Zu groß sollte der Hype allerdings noch nicht sein, wenn man in keiner deutschen Metropole lebt. Bis wir überall in Deutschland alltäglich in den Genuss von 5G kommen werden, vergeht noch einige Zeit. Das Warten wird sich allerdings lohnen.

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