5G-Mobilfunk: Ist der Hype gerechtfertigt?

»Das Wundernetz der Zukunft!«, »die Schlüsseltechnologie für die vernetzte Gesellschaft!« oder »die Technologie mit Revolutionspotenzial!«: Glaubt man den Schlagzeilen zum kommenden Mobilfunkstandard, könnte man meinen, dass 5G alle unsere Probleme lösen wird und Möglichkeiten in sich birgt, von denen wir noch nicht einmal wussten, dass wir sie überhaupt nutzen möchten.

Konkret verspricht 5G dabei eine, verglichen mit dem aktuellen Mobilfunkstandard 4G, vielfach gesteigerte Geschwindigkeit, eine extrem niedrige Latenz (Laufzeit einer Anfrage vom Sender zum Empfänger und dessen Antwort vom Empfänger zum Sender zurück) sowie die Fähigkeit, sehr viele Geräte miteinander auf engem Raum vernetzen zu können.

Da die meisten technischen Schlagwörter der aktuellen Stunde mit hohen, meist zu hohen Erwartungen besetzt sind, stellt dieser Blogbeitrag die Erwartungshaltung an 5G dem tatsächlichen technologischen Stand gegenüber. Was sollte 5G können und was leistet es bis jetzt tatsächlich?

1. Was sollte 5G können?

2015 entwarf die Internationale Fernmeldeunion (ITU), die im Wesentlichen verantwortlich für die technische Harmonisierung der weltweiten Telekommunikation ist, die Vision für die mobile Kommunikation im Jahre 2020 und damit auch die Vision für 5G. Für deren Realisierung wurden die folgenden acht technischen Kernmerkmale vorausgesetzt:

  1. 1. Maximale Datenübertragungsrate
    Unter idealen Voraussetzungen beträgt die maximale Datenübertragungsrate 20 Gbit/s. Eine hohe Datenübertragungsrate ermöglicht z. B. das ruckelfreie Streamen von Videos in hoher Auflösung.
  2. 2. Latenz
    Beschreibt die zusätzliche Verzögerung, die durch ein Netzwerk entsteht, wenn ein Datenpaket vom Sender zum Empfänger geschickt wird. 5G soll eine Latenz von 1 ms bewerkstelligen können. Je geringer die Latenz ist, desto verzögerungsfreier kann z. B. eine Maschine aus der Ferne gesteuert werden.
  3. 3. Mobilität
    Beschreibt die Geschwindigkeit, bis zu der eine bestimmte Servicequalität (engl. Quality of Service [QoS]) aufrechterhalten oder der Wechsel zwischen Funkzellen gewährleistet werden kann. Bei 5G sind es 500 km/h. Dadurch kann zum Beispiel auch im mit Höchstgeschwindigkeit fahrenden ICE eine stabile Funkverbindung aufrechterhalten werden.
  4. 4. Verbindungsdichte
    Beschreibt die Anzahl der Geräte, die pro Flächeneinheit verbunden sein können. Im Falle von 5G sind es 1.000.000 Geräte/km². Relevant wird dies vor allem im Bereich Smart City und der Vernetzung von Produktionsanlagen, da dort potenziell sehr viele Sensoren vorhanden sind.
  5. 5. Energieeffizienz
    Beschreibt die Anzahl der Informations-Bits, die pro Energieeinheit gesendet oder empfangen werden. Die Energieeffizienz wird in der Regel in bit/Joule gemessen und soll sich, verglichen mit dem aktuellen Mobilfunkstandard 4G, bei 5G um den Faktor 100 verbessern. Dadurch halten die Akkus der Geräte länger.
  6. 6. Bandbreiteneffizienz
    Beschreibt das Verhältnis zwischen Datendurchsatz und der zur Verfügung stehenden Bandbreite. 5G besitzt eine um den Faktor 3 verbesserte Bandbreiteneffizienz, verglichen mit 4G. Das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum wird also effizienter genutzt, wodurch sich die oben aufgeführten Vorteile für mehr Nutzer und Nutzerinnen realisieren lassen.
  7. 7. Datendurchsatz in der Fläche
    Beschreibt den absoluten Datendurchsatz, der pro Flächeneinheit möglich ist. Bei 5G sind es 10 Mbit/s/m². Analog der Verbindungsdichte wird dieses Merkmal vor allem bei der Planung von Smart Cities und der Produktionsvernetzung relevant.

Abbildung 1 zeigt deutlich, dass 5G im Vergleich zum aktuellen Mobilfunkstandard 4G in allen dargestellten Bereichen einen deutlichen Fortschritt darstellen soll.

Leistungsfähigkeit von 5G im Vergleich zu 4G
Abbildung 1: Leistungsfähigkeit von 5G im Vergleich zu 4G (Quelle: in Anlehnung an IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/m/R-REC-M.2083-0-201509-I!!PDF-E.pdf, S. 14)

 

Darüber hinaus hat die Internationale Fernmeldeunion in ihrer Vision drei Nutzungsszenarien identifiziert, die mit der neuen Mobilfunkgeneration abgedeckt werden sollen:

  1. 1. Enhanced Mobile Broadband (eMBB): Immer mehr Menschen nutzen immer datenintensivere Anwendungen (z. B. 4K-Video-Streaming). Für ein gutes Nutzungserlebnis werden dabei entsprechende Bandbreiten (Geschwindigkeiten) benötigt.
  2. 2. Ultra Reliable and Low Latency Communications (uRLLC):
    Für bestimmte Anwendungsfälle werden verlässliche Antwortzeiten (Latenz) und Verfügbarkeiten vorausgesetzt. Darunter fallen z. B. die Fernsteuerung von Maschinen, die Kommunikation von Autos beim Autonomen Fahren oder auch Anwendungen im Bereich der Telemedizin.
  3. 3. Massive Machine Type Communications (mMTC):
    Dieses Szenario bezieht sich auf Anwendungsfälle, bei denen eine sehr große Anzahl vernetzter Geräte geringe Mengen zeitunkritischer Daten sendet. Ein Beispiel ist die Überwachung der Luftqualität einer Stadt mittels Sensoren.

Als Basis für die Realisierung der drei Szenarien dienen die oben beschriebenen acht Kernmerkmale. Dabei sind jedoch nicht alle acht für jede der drei Nutzungsszenarien in gleicher Weise relevant.

Während für eMBB vorrangig z. B. eine hohe maximale Datenübertragungsrate oder viel Datendurchsatz in der Fläche als Voraussetzungen dienen, ist bei uRLLC eine niedrige Latenz unerlässlich. Bei mMTC hingegen spielt die Bandbreiteneffizienz keine große Rolle, da die Geräte in diesem Szenario möglicherweise nicht durchgängig Daten senden und empfangen; eine hohe Verbindungsdichte wiederum ist in diesem Szenario unerlässlich.

Abbildung 2 bildet die Bedeutsamkeit der einzelnen Kernmerkmale für die Realisierung der jeweiligen 5G-Szenarien in den Abstufungen niedrig, mittel und hoch ab.

Bedeutsamkeit der einzelnen 5G-Kernmerkmale für die jeweiligen 5G-Szenarien
Abbildung 2: Bedeutsamkeit der einzelnen 5G-Kernmerkmale für die jeweiligen 5G-Szenarien (Quelle: in Anlehnung an IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/m/R-REC-M.2083-0-201509-I!!PDF-E.pdf, S. 15)

 

2. Was kann 5G heute?

Wir wissen nun, was 5G können soll und wie die technischen Kernmerkmale mit der Realisierung der drei prototypischen Szenarien (eMBB, uRLLC, mMTC) zusammenhängen. Schauen wir uns nun an, was 5G heute tatsächlich kann.

Die Einführung des 5G-Standards erfolgt vorrangig in zwei Phasen. In beiden Phasen werden die technischen Anforderungen des neuen Standards definiert, sodass sich z. B. Hersteller von 5G-Hardware bei der Entwicklung daran orientieren können.

Die erste Phase wurde mit der Fertigstellung von Release 15 Mitte 2019 beendet. Der Fokus lag in erster Linie auf der Realisierung des eMBB-Szenarios und der damit im Zusammenhang stehenden technischen Kernmerkmale wie u. a. Maximale Übertragungsrate, Datendurchsatz in der Fläche oder auch Bandbreiteneffizienz. Konkret bedeutet das, dass das derzeit verfügbare 5G vor allem Verbesserungen in Form von höheren Geschwindigkeiten mit sich bringt.

Die zweite Phase wird mit dem Abschluss von Release 16 voraussichtlich Mitte 2020 zum Ende kommen. Im Zuge dessen werden die zwei anderen Nutzungsszenarien (uRLLC und mMTC) in den Mittelpunkt gerückt. Dementsprechend sind Verbesserungen der damit im Zusammenhang stehenden technischen Kernmerkmale wie z. B. Latenz oder Verbindungsdichte zu erwarten.

Ready or not? 5G auf dem Weg zur Marktreife

Der neue Mobilfunkstandard befindet sich momentan sowohl in der Einführungs- als auch in der Spezifikationsphase. Unternehmen, die sich für den Einsatz von 5G interessieren, können schon jetzt mit höheren Geschwindigkeiten (eMBB-Szenario) rechnen. Extrem verlässliche Verbindungen mit geringer Latenz (uRLLC-Szenario) oder die Vernetzung sehr vieler Geräte (mMTC-Szenario) sind jedoch noch nicht verfügbar, da sie erst mit der Fertigstellung von Release 16 Mitte 2020 standardisiert werden.

Erst dann können Hardware-Hersteller entsprechende Produkte auf den Markt bringen und das ganze Potenzial von 5G zugänglich machen. Unternehmen, die am Einsatz von 5G interessiert sind, sollten das berücksichtigen.

Nichtsdestotrotz ist das Potenzial von 5G bereits jetzt abzusehen. Der enorme Geschwindigkeitszuwachs bietet die Möglichkeit, datenintensive Anwendungen auch unterwegs nutzen zu können. Campusnetze stellen eine Möglichkeit dar, erste Erfahrungen mit dem neuen Mobilfunkstandard zu sammeln.

Campusnetze sind eine Kombination aus privaten und öffentlichen Mobilfunknetzen, die ein zuvor definiertes Gebiet (Firmengelände, Universität, etc.) abdecken. Die Nutzung des privaten Teils und damit die Kapazität des Netzes sind jedoch exklusiv eben diesen Firmen, Universitäten etc. vorbehalten. Eine weitere Möglichkeit sind vom Land geförderte Projekte wie das 5G4KMU-Transferzentrum. Dabei baut das Fraunhofer IAO gemeinsam mit u. a. dem Fraunhofer IPA 5G-Testumgebungen an verschiedenen Standorten in Baden-Württemberg auf. Interessierte kleine und mittlere Unternehmen (KMU) können im Rahmen dieses Projekts gemeinsam mit uns ihre Ideen (weiter-)entwickeln und im Anschluss unter realen Rahmenbedingungen testen.

Zwar liegt der Standard 5G noch nicht in der finalen Version vor, dennoch ergibt es Sinn, sich frühzeitig mit den Potenzialen des neuen Mobilfunkstandards auseinanderzusetzen und dessen Einsatzmöglichkeiten im eigenen Unternehmen zu evaluieren. Auf diese Weise können Sie die Weichen zu innovativen Produkten und Dienstleistungen mit der neusten Anbindung durch 5G stellen.

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Dimitri Evcenko

Dimitri Evcenko

Dimitri Evcenko ist Teil des Teams »Digital Business Services«. Der Wirtschaftsinformatiker forscht insbesondere an Vorgehensmodellen für die Entwicklung von Smart Services und beschäftigt sich u. a. aus diesem Kontext heraus mit dem Thema 5G.

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