5G: Der neue Mobilfunkstandard im Detail

Die Technikgeschichte wartet selten mit einem «Big Bang» auf, der alles auf den Kopf stellt, sondern eher mit Weiterentwicklungen. Das wurde nirgends deutlicher als bei der vierten Mobilfunkgeneration 4G/LTE (Long Term Evolution). So wurde und wird die spektrale Effizienz deutlich gesteigert. Die spektrale Effizienz beschreibt, wie viel Kapazität man aus einem Funkspektrum herausholen kann, und wird in Bit pro Hertz angegeben. Bei LTE wurde aber auch Neues gebaut, etwa eine voll IP-basierte und daher paketvermittelte Netzinfrastruktur. Ende 2012 wurde LTE in vielen Ländern Europas eingeführt. Damit ging die Zeit der Leitungsvermittlung viele Jahre vor dem Festnetz zu Ende, wo erst um die Jahreswende 2017/2018 die alten Telefonzentralen (analog/ISDN) ab­geschaltet und alle Dienste auf All IP umgestellt wurden.

Doch zurück zu LTE: Bereits die erste Version brachte spürbare Verbesserungen, insbesondere bei der mobilen In­ternetnutzung. Da diese boomt, mussten rasch höhere Geschwindigkeiten her. Die Evolution von LTE schritt daher zügig voran, und die schnelle mobile Datenübertragung mit Download-Geschwindigkeiten stand daher stets im Vordergrund, etwa zur mobilen Nutzung von Cloud-Services.

Anfangs wurden bis zu 150, dann 300 und 700 Mbit/s geboten, seit Herbst letzten Jahres an einigen Hotspots sogar bis zu 1 Gbit/s. Solche Geschwindigkeiten waren bis vor Kurzem Glasfaserleitungen vorbehalten. Damit sind bereits heute mobiles Videostreaming in HD-Qualität, Videokonferenzen und Netzwerkspiele möglich. Benutzer von Smartphones, Tablets und Notebooks profitieren vom höheren Durchsatz und von kleineren Latenzzeiten. Diese betragen mittlerweile nur noch ca. 20 bis höchstens 50 Millisekunden. Zum Vergleich: Bei dem weiterhin betriebenen Vorgänger 3G/UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) betrug die durchschnittliche Latenzzeit anfangs noch 200 bis 300 Millisekunden, was bei Sprachübertragungen zwar nur wenig störte, Videoübertragungen aber fast verunmöglichte. Dank neuer Mechanismen, etwa mit einer Echtzeitregelung der Übertragung bei schwankenden Funkkapa­zitäten, verringerte sich die Latenzzeit zuletzt auf rund 100 Millisekunden. Gemeinsam mit den weiter erhöhten Übertragungsgeschwindigkeiten von anfangs 2 Mbit/s bis zuletzt 84 Mbit/s stellte das eine klare Verbesserung dar.

Aber die Verbesserungen genügten bei Weitem nicht, denn die übertragenen Datenvolumina in öffentlichen Mobilfunknetzen verdoppeln sich seit Jahren alle neun bis zwölf Monate. Deshalb sind neue Funkkapazitäten dringend nötig, bei möglichst optimaler Nutzung der kostbaren Frequenzen. Bis Ende 2020 werden daher die alten 2G/ GSM-Netze (Global System for Mobile Communications) abgeschaltet. Diese nutzen heute die Bereiche 900 und 1800 MHz nur sehr ineffizient, sodass die dann frei werdenden Funkkapazitäten für 4G/LTE und 5G bereitstehen.

Auch die Abschaltung von UMTS wird aus denselben Gründen bereits diskutiert. Zusätzlich zu 900 und 1800 MHz könnten die Netzbetreiber dann die Frequenzen um 2,1 und 2,6 GHz für 4G und 5G nutzen. Weil dies aber bei Weitem nicht ausreicht, um den dramatisch zunehmenden Bedarf zu befriedigen, muss 5G auf neue Spektren ausweichen. Angedacht sind 3,4 und der Bereich um 6 GHz sowie die extrem kurzwelligen Spektren bis hinauf zu 60 GHz. Ab 30 GHz spricht man bereits von Millimeter-Funkwellen (mmW), die ihre eigenen Charakteristika haben und Signale nur im Nahbereich übertragen können.

5G ersetzt aber auch altbekannte Technologien. Der Öffentlichkeit, aber auch der ICT-Branche weitgehend un­bekannt ist die breite Nutzung von GSM für Kurzmeldungen. Sensoren zur Erfassung von Temperaturen oder Füllmengen, aber auch viele Automaten und Anlagen nutzen das robuste GSM zur Übertragung kleiner bis kleinster Datenmengen, oft nur eine Meldung pro Tag. Bestehende An­lagen müssen baldmöglichst auf 4G/LTE oder dereinst 5G um­gestellt werden. 4G wird in Kürze und 5G nach dessen Einführung die Möglichkeit zur Nutzung des Internet of Things (IoT) bieten und ihm den Weg weiter ebnen. Geschätzte 30 bis 50 Milliarden IoT-Endgeräte weltweit im Jahr 2022 lassen die kommende Verkehrsmenge erahnen.

Ein weiteres wichtiges Ziel ist eine schnelle Abwicklung des Verkehrs, damit die Funkkapazität nach dem Senden der Datenpakete dem nächsten Nutzer auch rasch zur Verfügung steht. Dies kann man nicht nur mit schnellen Links, sondern auch mit kurzen Verbindungsaufbauzeiten erreichen. Bei 4G/LTE wurde dazu die Netzarchitektur vereinfacht und die Zahl der Signalisierungsmeldungen zwischen den Netzelementen reduziert. Der Verbindungsaufbau dauert dadurch weniger als 100 Millisekunden, was für Voice over LTE (VoLTE), mobiles Telefonieren auf dem IP-basierten LTE-Netz und andere Anwendungen von grosser Bedeutung ist. Bei UMTS dauerte es bis zu drei Sekunden. Da­rüber hinaus sind Antwortzeiten von 20 bis 30 Milli­sekunden unter optimalen Empfangsbedingungen möglich.