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5G-Anforderungen und Machbarkeit

Ist der 5G-Hype gerechtfertigt?

| Autor / Redakteur: Isaac LaBauve / Andreas Donner

Isaac LaBauve vom Infosys Knowledge Institute glaubt nicht, dass 5G seinem Hype gerecht werden kann.
Isaac LaBauve vom Infosys Knowledge Institute glaubt nicht, dass 5G seinem Hype gerecht werden kann. (Bild: © Sensvector - stock.adobe.com)

5G ermöglicht ganz neue Dienstleistungen und Produkte – konkrete Beispiele gibt es dazu bisher aber kaum. Aus diesem Grund ist es nicht nur wichtig, zu verstehen, welche Technologien von der 5G-Spezifikation profitieren, sondern auch inwiefern und in welchem Umfang.

Momentan gibt es die Tendenz, fast jede neue Netzwerktechnologie – ob kabellos oder nicht – pauschal 5G zu nennen. 5G bezeichnet jedoch die fünfte Generation der Mobilfunktechnologie und fungiert als Referenz des Branchenverbands 3GPP. Diese definiert, wie Endgeräte – insbesondere innerhalb eines Wide Area Networks (WAN) – im Rahmen der neuen Technologiegeneration miteinander kommunizieren.

Die meisten Verbraucher sind mit den Begriffen 2,4 GHz und 5 GHz vertraut, da dies die üblichen Frequenzen für die drahtlose Heimvernetzung sind – auch bekannt als Wireless Local Area Networks (WLAN). Dabei ist zu beachten, dass Wellen mit niedrigen Frequenzen über eine gute Reichweite verfügen und auch feste Materialien (wie etwa Wände) leicht durchdringen. Der Nachteil dabei: Die niedrigen Frequenzen gehen einher mit geringen Datenübertragungsraten. Umgekehrt erreichen Wellen mit höheren Frequenzen eine kürzere Reichweite, bevor das Signal absorbiert wird. Funksignale mit sehr hohen Frequenzen können sogar durch alle Feststoffe blockiert werden und erfordern eine Sichtverbindung. Mit höheren Frequenzen sind aber wesentlich höhere Datenübertragungsraten möglich.

Laut der Global System for Mobile Communication Association (GSMA) ist eines der wichtigsten Features der 5G-Spezifikation, dass drei verschiedene Frequenzen genutzt werden. Die niedrigste Bandbreite ist die Sub-1GHz-Bandbreite, die Frequenzen nahe 700 MHz nutzen wird. Diese Wellen ermöglichen eine breite Abdeckung und tiefe Durchdringung von Gebäuden, weisen aber nur eine geringere Datenübertragungsrate von etwa 100 Mbit/s auf. Diese Bandbreite ist vergleichbar mit dem aktuellen Sub-1GHz-Spektrum, das in 4G LTE-Netzwerken eingesetzt wird. Die mittlere Bandbreite kommt zwischen 1 GHz und 6 GHz zum Einsatz und wird voraussichtlich Frequenzen um die 3,5 GHz nutzen – dies wiederum entspricht Teilen des aktuellen 4G LTE-Netzwerks mit theoretischen Spitzendatenraten von bis zu 1 Gbit/s.

5G kommt nun mit Bandbreitenfrequenzen über 6 GHz daher. Es wird erwartet, dass hier künftig Frequenzen um die 30 GHz mit einer theoretisch maximalen Datenübertragungsrate von 10 Gbit/s verwendet werden. Da hohe Frequenzen jedoch Entfernungs- und Penetrationsdefizite aufweisen, müssen Anbieter eine höhere Anzahl von Knoten – auch kleine Zellen genannt – implementieren, als aktuell für die aktuelle 4G-Infrastruktur verfügbar sind.

Darüber hinaus schöpft 5G die Potenziale der neuen Technologie MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) aus. MIMO zielt darauf ab, die Anzahl der Sende- und Empfangsantennen eines Mobilfunkmasts zu erhöhen. Der Nachteil: Aufgrund der Rundstrahlcharakteristik dieser Antennen besteht ein größeres Risiko von Signalstörungen. Um sie zu kompensieren, kommt Beamforming zum Einsatz. Beamforming ist eine Antennentechnologie, die Datenstrahlen für bestimmte Anwender erzeugt, anstatt in alle Richtungen zu senden. Das reduziert die durch MIMO verursachten Kreuzsignalstörungen.

Geht es um die 5G-Technologie und deren aktuellen Einsatz, kommt man also um die Spezifikation von Bandbreiten- und Knotenkonfigurationen in Verbindung mit MIMO und Beamforming nicht herum. Diese Spezifikation scheint meist schnellere Datenübertragungsraten zu erzeugen. Möglich wird dies durch geschickte Handhabung der Antennen sowie neue Infrastruktur zum Ausgleich der kleineren Versorgungsbereiche der Knoten im Netzwerk. Allerdings gibt es auch andere Technologien und Protokolle, die 5G-Netze verbessern können.

5G Technologien

Eine dieser Technologien ist bekannt als mmWave, oder Millimeterwelle. Der wichtigste Unterschied zwischen 4G- und 5G-Netzwerken ist die Einführung neuer Bandbreitenfrequenzen über 6 GHz. Frequenzen zwischen 30 GHz und 300 GHz verfügen über eine Wellenlänge von ein bis zehn Millimetern – daher auch der Name „Millimeterwelle“. Der Nachteil: Wellen mit hohen Frequenzen erreichen nur eine begrenzte Reichweite, denn selbst kleine Hindernisse – wie etwa Luft – können das Signal stören.

Mit neuen Technologien wie Beamforming und Mesh-Netzwerken werden diese Hindernisse jedoch abgebaut, wenn nicht sogar vollständig überwunden. Millimeterwellen lassen darüber hinaus zur Steigerung der Datenübertragung in WLAN-Netzwerken in Haushalten und Unternehmen nutzen. Die Datenübertragungsraten über eine drahtlose Verbindung kann auf diese Weise durchaus schneller sein als bei einer kabelgebundenen Verbindung.

Die zweite Technologie, die 5G erweitert, ist das Network Slicing und soll Quality of Service (QoS) ersetzen. Im Gegensatz zu QoS ermöglicht Network Slicing es einem Netzwerkanbieter, zwischen verschiedenen Datentypen innerhalb des Netzwerks zu differenzieren sowie nachzuvollziehen, woher diese stammen. Dies ist eine wichtige Option, um im Zuge der Virtualisierung der Netzwerkfunktion einen Teil des Netzwerks für eine bestimmt Art von Traffic zu optimieren. Network Slicing ermöglicht darüber hinaus wesentlich mehr Verbindungen zu einem bestimmten Knoten – dies ist besonders an Orten wie Stadien oder Kongresszentren mit großen Menschenmengen entscheidend.

Sind 5G-Ansprüche glaubwürdig?

Viele Befürworter von 5G setzen auf eine theoretische Datenübertragungsrate von 20 Gbit/s und setzen sich eine Latenzzeit von einer Millisekunde zum Ziel. Spekulationen, wer diese neue Technologie wofür einsetzen wird, gibt es viele – angefangen von Remote-Operationen, über die Revolution von Augmented und Virtual Reality und autonome Fahrzeuge bis hin zu neuen Endgeräten, die das Internet der Dinge mit sich bringt. Aber welche dieser Visionen tatsächlich realisierbar sind, bleibt abzuwarten.

Roboter am OP-Tisch

Soll ein Roboter am OP-Tisch stehen, sind hohe Netzwerkbrandbreite nötig. So kann beispielsweise ein hochauflösender Video-Stream mit relativ geringer Latenzzeit vom Operationssaal an den Chirurgen übertragen werden – bei Robotern verhält sich dies ähnlich, etwa um Anweisungen für die Steuerung des OP-Roboters in den Operationssaal zu übertragen. Aktuelle Technologien können hier Abhilfe schaffen. Gaming-Unternehmen, die Server für Ego-Shooter-Spiele hosten, haben oft Spitzenlatenzen von 30 Millisekunden – auch bei der Bereitstellung von hochauflösenden Video-Streaming-Inhalten. Doch hat die Remote-OP überhaupt Potenzial für die Zukunft? Der Fachkräftemangel in diesem Bereich spricht durchaus dafür. Allerdings reicht die aktuelle Netzwerktechnologie aus, und es ist nicht unbedingt notwendig, den 5G-Rollout abzuwarten. Um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten, ist dann jedoch eine direkte Netzwerkverbindung zwischen Chirurgen und Operationssälen unabdingbar – mit so wenigen Unterbrechungen wie möglich. Reagiert oder agiert ein Roboter nicht schnell genug, liegt meist ein netzwerktechnisches oder mechanisches Problem vor. Network Slicing kann solche Netzwerkverbindungen dennoch optimieren und priorisieren – unabhängig davon, ob es sich um ein 5G- oder ein physisches Netzwerk handelt.

Augmented und Virtual Reality

Es gibt bereits einige Augmented-Reality-Anwendungen. Sie verwenden typischerweise Standortdaten von GPS-Satelliten, die wiederum durch andere Daten über die lokale Umgebung ergänzt werden. Mithilfe von 5G ließen sich schneller mehr Informationen herunterladen. Die größte Hürde besteht aktuell allerdings in der benötigten lokalen Rechenleistung, um Augmented Reality auf einem Endgerät anzuzeigen. Zudem fallen oftmals viele Verbindungen innerhalb einer Zelle an (wie 2016 beim Hype um Pokemon GO), wodurch es zu Verzögerungen und Störungen kommen kann. Abhilfe schafft hier eine Kombination aus 5G und Network Slicing.

Virtual Reality hingegen basiert auf einer anderen Technologie. Momentan muss sich das Endgerät noch über ein Kabel mit einem sehr leistungsfähigen Grafikprozessor verbinden. Die Kombination aus Millimeterwellentechnologie und einer äußerst zuverlässigen Kommunikation mit niedriger Latenzzeit bietet genügend Bandbreite und niedrige Latenzzeiten – die Verbindung über ein Kabel entfällt.

Wird VR künftig verstärkt auch für tragbare Endgeräte wie Smartphones oder Tablets genutzt, gilt es aber, eine weitere große Herausforderung zu lösen: Der Grafikprozessor muss klein genug sein, um in das VR-Headset zu passen. Eine Voraussetzung dafür ist ein niedrigerer Stromverbrauch des Grafikprozessors, damit er für eine angemessene Zeit über einen Akku betrieben werden kann, der ebenfalls in das VR-Headset integriert ist.

Autonome Fahrzeuge

Aktuelle 4G-Netzwerke verfügen über zu lange Latenzzeiten, um autonome Fahrzeuge zu unterstützen. Die Umsetzung über diese Netzwerke wäre daher alles andere als ideal. Fahren also beispielsweise zwei autonome Fahrzeuge mit einem Abstand von 100 Metern hintereinander, senden beide Fahrzeuge Signale an den nächstgelegenen Sendemast; der Mast wiederum verarbeitet die Daten und sendet wichtige Informationen wieder zurück zu den Fahrzeugen. Sind die Latenzzeiten zu lange, sind Verzögerungen vorprogrammiert.

Eine einfachere und effektivere Lösung wäre der Aufbau eines Mesh-Netzwerks zwischen den Fahrzeugen, um Informationen auszutauschen. Dies reduziert nicht nur den Datenverkehr für den Sendemast, sondern macht auch eine Zwischenstation obsolet und verringert damit die Fehleranfälligkeit. Darüber hinaus sollten selbstfahrende Autos Mesh-Netzwerke ausschließlich zur Koordination untereinander nutzen. Die Reaktion auf externe Reize sollte weiterhin über andere Sensoren erfolgen. Jede Reaktionszeit eines autonomen Fahrzeugs, die weniger als 500 ms beträgt, ist immer noch besser als die der meisten Menschen.

Internet der Dinge

5G gilt als ein wichtiger Treiber für das Internet der Dinge auch im Privatgebrauch. Es gibt bereits einige Beispiele wie internetfähige Toaster und Kühlschränke oder die Nutzung von Sensoren innerhalb elektrischer Netzwerke. Diese Dinge sind zwar durchaus möglich, es ist aber unwahrscheinlich, dass sie jemals massentauglich werden.

Jedes zusätzliche mit dem Internet verbundene Gerät stellt eine zusätzliche potenzielle Sicherheitslücke dar. Warum sollte jemand also all diese Geräte dem Internet aussetzen wollen? Und weiter gedacht: Warum sollte ein Versorgungsunternehmen Informationen über seine Infrastrukturnutzung drahtlos übertragen, wenn stattdessen private Mesh-Netzwerke mit begrenzter Exposition genutzt werden könnten?

Die Realität der 5G Technologie

Verizon rollte vor Kurzem in Chicago ein 5G-Netzwerk aus – allerdings mit gemischten Resultaten. Tests zeigten Datenübertragungsraten von bis zu 630 Mbit/s und Ping-Zeiten von 25 Millisekunden. Dies ist zwar eine Verbesserung im Vergleich zu 4G, mit einer Übertragung von etwa 320 Mbit/s und einer durchschnittlichen Latenzzeit von 70 Millisekunden. Das ist aber bei weitem nicht annähernd so schnell wie erwarte. Und China Mobile führte die erste Roboter-Fernoperation durch, die von einem 5G-Netzwerk unterstützt wurde – wobei das 5G-Netzwerk an sich nur einen kleinen Beitrag zum Erfolg der OP leistete.

Natürlich steht der Einsatz von 5G noch am Anfang, und es werden sicherlich Verbesserungen vorgenommen. Aber die Realität ist, dass das 5G-Netz hauptsächlich eine Erweiterung des 4G-Netzes sein wird. Die wirklich schnellen Regionen von 5G werden sich auf Ballungsräume beschränken, da die Anzahl der Knoten, die für eine ordnungsgemäße Abdeckung erforderlich sind, schier unendlich groß ist. Solange der Preis für den Einsatz dieser Knoten nicht auf ein paar Cent sinkt, werden die ländlichen Gebiete nie eine Geschwindigkeit erreichen, die deutlich über dem liegt, was im 4G-Netzwerk bereits verfügbar ist.

Isaac LaBauve.
Isaac LaBauve. (Bild: Infosys)

Fazit

Die 5G-Spezifikationen sind eher evolutionär als revolutionär. Es gibt durchaus eine Revolution in den Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums, aber diese Revolution beschränkt sich nicht auf die 5G-Technologie; die 5G-Technologie nutzt zwar diese Revolution – WiFi-6 jedoch auch.

Tatsächlich sind andere Technologien wie Network Slicing wohl revolutionärer und ermöglichen eine weitaus größere Anzahl von Verbindungen zu einem Netzwerk als je zuvor; aber auch dies ist nicht nur bei 5G der Fall. Das soll nicht bedeuten, dass es keine Potenziale gibt, aber die 5G-Spezifikationen scheinen noch nicht so weit zu sein, um diese vollständig auszuschöpfen.

Über den Autor

Isaac LaBauve ist Senior Consultant beim Infosys Knowledge Institute.

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