5G: Vom Hype zur Ernüchterung
Jedes Mal, wenn eine neue Mobilfunkgeneration am Horizont erscheint, überschlägt sich die Branche, erwartet Wunder, verspricht Wunder, neue Geschäftsmodelle, neue Anwendungen und Möglichkeiten. Henning Gajek gibt einen kurzen Überblick zur Vorgeschichte bis zum aktuellen Stand der Dinge beim Wunder-Netz 5G.
1G: Am Anfang war alles analog
Mobilfunktechnologie von links A-Netz, C-Netz, B-Netz, in der Hand ein GSM-Handy (von Motorola)
Foto: Picture Alliance / dpa
Als der zellulare Mobilfunk (im damaligen Westdeutschland) mit "1G" begann, sprach noch niemand vom Begriff "1G". "Autotelefon", also mobiles Telefonieren im Auto war der pure Luxus. Die wenigen Kunden ärgerten sich eher, dass an den Landesgrenzen meist Schluss war, von wenigen speziellen Ausnahmen abgesehen. (Das B-Netz konnte handvermitteltes Roaming in Niederlande, Luxembourg und Österreich). Der in der Schweiz verwendete NMT-Standard konnte Roaming mit den skandinavischen Staaten (DK, S, N, FI).
2G: Die zweite Generation
Vermutlich das beste GSM-Handy, was Nokia je gebaut hat: Das Nokia 6310i.
Foto: Picture Alliance / dpa
Die zweite Generation des Mobilfunks ab 1991 war erstmalig richtig digital und von der deutsch-französischen Arbeitsgruppe "Groupe Special Mobile" (=GSM) entwickelt worden. Diesen Namen deutete man schnell in "Global Standard for mobile Communications" um. Nachdem die USA bei einer Technik-Konferenz mit einem in Lichtgeschwindigkeit montierten und voll funktionierenden Testnetz der Swisscom auf amerikanischem Boden überzeugt worden waren, begann der Siegeszug.
Die USA wechselten nur die GSM-Frequenzen auf 850 und 1900 MHz, weil 900/1800 MHz in den USA für Mobilfunk nicht zur Verfügung standen.
Schon bei GSM wurden raffinierte Techniken angewendet. Beispielsweise diese: Wir senden ein Signal, dessen Original der Empfänger schon von andersher kennt. Das empfangene Signal wird auf der Funkstrecke "gestört", kommt also fehlerhaft an. Anhand des bekannten "Originals" kann der Empfänger sich nun "ausrechnen", wie er die "fehlerhaften" Ergebnisse "korrigieren" oder "umrechnen" muss, damit es doch noch passt.
2G: Vorteile eines weltweiten Systems - Daten zu langsam
Schnell setzten sich die Vorteile eines globalen weltweiten Systems durch. Nur mit der Datenübertragung war es bei 2G nicht wo seit her. Mit CSD (Circuit Switched Data) erreichte man 9600 Bit/s, mit HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), was nur Mannesmann/Vodafone und E-Plus in ihren Netzen freigaben (Telekom jedoch nicht) gingen dann noch "bis zu" 14 400 Bit/s.
Grundlage Paketdaten
Einen echten Fortschritt brachte die paketvermittelte Technologie (GPRS/EDGE 2,5G), welche die Datenraten auf 100-200 kBit/s hochschraubte. Diese Paket-Technik wurde im Grundprinzip bis heute beibehalten. Man muss sich das wie einen Güterzug vorstellen, in dessen Loren-Anhänger Datenpakte eingeladen und ausgeladen werden. Diese Züge verkehren wie eine U-Bahn in einem bestimmten Zeittakt auf der Strecke.
Was damals "schnell" war, ist heute langweilig
3G oder Universal Mobile Telecommunication Systems (UMTS) lockte mit damals sensationellen 384 kBit/s, die wir heute eher als "langsam" bezeichnen würden. Mit verbesserten Protokollen ließ sich 3G per HSDPA (High Speed Download Packet Access), HSUPA (High Speed Upload Packet Access), heute HSPA (High Speed Packet Access) noch in die MBit/s-Liga aufsteigen. Aber UMTS hat ein Problem: Ist eine Zelle voll, dann "leiden" alle Nutzer drunter, nicht nur die, die nicht mehr rein kommen. Das zweite Problem: UMTS basierte auf Code Division Multiple Access (CDMA), eine Technik, die weitgehend auf Patenten von Qualcomm beruhte, die ihr Wissen nicht ganz uneigennützig weitergeben wollten.
Wie funktioniert 3G?
Um 3G zu verstehen, stellen wir uns einen Raum vor, in dem sich Leute unterhalten. Am besten in verschiedenen Sprachen oder Dialekten. Sind wenige Leute im Raum, verstehen sie sich gut. Sind mehr Leute da, spricht man lauter (die Zelle atmet), ist der Raum überfüllt, hilft auch Schreien nichts mehr.
Das Erkennen der Sprachen oder Dialekte ("Codes") ist rechenaufwendig und erfordert hohe Rechenleistungen, die ersten Handys wurden gut warm und brauchten die Akkus schneller leer, als man schauen konnte.
Und was bringt 4G?
Das Innenleben einer LTE (4G) Sendestation von Telefónica im Berliner Untergrund.
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4G oder Long Term Evolution (LTE) ist die Basis des heutigen Mobilfunks - bis einschließlich 5G! Ohne 4G funktioniert 5G derzeit nicht. Die Physik hinter LTE ist OFDMA, was für "Orthogonal Frequency Division Multplex" steht. Hier werden verschiedene Frequenzen verwendet und man schickt die Funkwellen gleichzeitig in verschiedenen Winkeln durch den Raum. Dazu stellen uns Sinuswellen vor, die nicht nur auf-ab-schwingen, sondern dabei auch gedreht oder gekippt werden. Dadurch entsteht ein komplexes dreidimensionales Bild.
CA "klebt" Frequenzen zusammen
OFDMA nutzt die Frequenzen schon recht gut aus. Frequenzen sind kostbar, sollen also optimal genutzt werden. Mit LTE wurde die Technik der Carrier Aggregation (CA) eingeführt, die man auch als LTE-A (LTE-Advanced) bezeichnet. Der Trick ist folgender: Weil es nur bestimmte Frequenzbereiche gibt, die meist zu klein sind, nimmt man verschiedene und "klebt" sie zu einem größeren (breiteren) Signal zusammen. Dadurch bekommt man genügend Bandbreite, um höhere Datenraten zu ermöglichen.
Heutiges 5G ist derzeit eher 4,9G
Bei 5G-NR (New Radio), was im Moment eher ein 4,9G ist, werden diese mathematisch komplexen Verfahren noch besser ausgenutzt. Dazu kommt, dass man die Antennen hinter dem Nutzer "her bewegt", um bestimmten Nutzern ein optimaleres Signal (= mehr Geschwindigkeit) als einem anderen Nutzer zu geben. Bei 5G können viel mehr Nutzer auf einer kleinen Fläche bedient werden, als es vorher möglich war. (Der Korrektheit halber: Die Antennen bewegen sich nicht, durch die Kombination vieler kleiner Einzelantennen, wird funktechnisch eine "Bewegung" realisiert.)
5G-NSA
5G braucht im Moment noch 4G als Basis. Man nennt das auch den Non-Stand-Alone-Modus, kurz NSA, der mit dem amerikanischen Geheimdienst (National Security Agency) nichts zu tun hat. Die nächste Stufe von 5G wird dann der SA-Mode (Stand Alone) Modus sein.
Wer ist 3GPP?
Die Erfolgsgeschichte von GSM wurde von der GSMA (Global Standards for Mobile Communication Association) begründet. Für die Entwicklung von 3G wurde die Third Generation Public Partnership (3GPP) gegründet, die sich seitdem mit der Normung von 3G, 4G, 5G und bald 6G beschäftigt, und zwar zwischen Staaten/Regierungen ("Public") und Herstellern ("Private"). Aktuell ist Release 16 gültig, der 5G NR (New Radio) NSA (siehe oben) definiert.
Mit Release 17 wird 5G dann "selbstständig", man könnte also ein eigenes 5G-Netz aufbauen und betreiben.
Wie ist das mit den Frequenzen?
Funkfrequenzen gibt es viele, aber sie reichen nicht, müssen also sorgfältig geplant und genutzt werden.
Niedrige Frequenzen reichen sehr weit. U-Boote beispielsweise sind per Funk auf Längstwellen (VLF) zu erreichen, aber die Bandbreite (also die Datenmengen, die man zu einer Zeit erreichen kann), ist sehr sehr gering. Als die Funktechnik noch jung war, konnte man nur Morsen, eine frühe Form der Digitalübertragung, es gibt Punkt (Dit) und Strich (Da).
Zellularer Mobilfunk begann in Deutschland auf 149 MHz (A-, B-Netz), später kam das C-Netz ("C-Tel") auf 450 MHz dazu. Das D-Netz startete auf 900 MHz und eroberte später 1800 MHz. UMTS bekam Frequenzen bei 2100 MHz = 2,1 GHz. LTE begann auf 1800 MHz (weil da noch Platz war) und eroberte dann 800 MHz und 2600 MHz. Später kamen LTE auf 700 und 900 MHz dazu.
Technologieneutral
Heutige Single-RAN-Stationen haben eine software-gesteuerte Sammlung aller Mobilfunktechnologien in einem Gehäuse.
Foto/Logo: Telekom, Montage: teltarif.de
Längst werden die Frequenzen technologieneutral vergeben.
Bei 5G ist die Frequenz total egal, sie muss (oder sollte) nur frei sein. Die ersten Frequenzen, die von 5G ziemlich weltweit genutzt werden, liegen zwischen 3,4 und 3,8 GHz, in den USA werden auch schon 26 GHz in größerem Stil erprobt, in Deutschland gab es nur einen (beendeten) Versuch bei o2 für funkbasierten Zugriff auf die letzte Meile (Fixed Wireless Access = FWA).
Reichweite vs. Bandbreite
Wie jeder schon gemerkt hat, nimmt die Reichweite mit steigender Frequenz ab: Ein Sender des C-Netzes (450 MHz) kam richtig weit, beim D-Netz ging es auch noch relativ gut, beim E-Netz (1800 MHz) brauchte man (grob) doppelt so viele Sendestationen wie beim D-Netz. Bei 3,6 GHz bräuchte man also (grob) vierfach so viele Stationen wie beim D-Netz.
Hohe Frequenzen haben viel Platz (Bandbreite), d.h. man bekommt hohe bis sehr hohe Datenraten hin. Niedrige Frequenzen haben wenig Platz, dafür ist die Reichweite größer.
5G findet, wie schon erwähnt, zwischen 3,4 und 3,8 GHz statt, könnte aber auch auf 2,6 oder 1,8 oder 0,9 oder 0,8 oder 0,7 GHz stattfinden. Das ist eine Entscheidung des Mobilfunkanbieters, was er machen will.
Von daher wundert es nicht, das T-Mobile USA, die auf 600 MHz funken, mit 5G nur unwesentlich schneller ist als mit 4G (LTE).
Die Sache mit den superhohen Frequenzen
In den USA (und kurzzeitig auch in Deutschland) wurde 5G schon auf 26 GHz ausprobiert, eine Frequenz, die nur wenige 100 Meter reicht, solange nichts im Wege ist, was Wellen schluckt. Die erzielten Datenraten waren absolut toll, solange man freie Sicht auf irgendeinen Sender hatte. Der Aufwand zwischen einer 26-GHz- und einer 0,9-GHz-Versorgung ist also (grob) der Faktor 32. Es müssen, also 32 mal so viele Stationen auf 26 GHz wie vorher auf 900 MHz aufgebaut werden, um eine gleichwertige Versorgung hinzubekommen. Reine Theorie.
Mögliche Strategien
Man wird versuchen, auf möglichst niedrigen Frequenzen (hierzulande am tiefsten bei 700 MHz) möglichst große Flächen mit 4G/5G-Mobilfunk-Signalen abzudecken. Für die buchstäbliche Milchkanne, die ihren Füllstand oder die Temperatur an die Zentrale funken möchte, würde das absolut ausreichen. Überall da, wo viele Nutzer mit großem Datenbedarf zu finden sein werden, wird man auf höheren Frequenzen verdichten, sprich Sender dazu stellen, die dann auf 1800, 2600 oder 3,4-3,8 GHz funken.
Der größte Treiber für die 5G-Entwicklung ist die Produktionsindustrie. Wenn eine Firma heute dies und morgen das produzieren will, muss sie ihre Fließbänder anhalten und umbauen und alle Geräte frisch verkabeln. Das kostet viel Zeit und Geld. Da wäre es doch schön, wenn man die Kabel sein lassen und alles "drahtlos" machen könnte.
"Drahtlos" heißt auf englisch "Wireless". WiFi (Wireless Fidelity) oder WLAN (Wireles Local Area Network) funkt nach Standards bei 2,4 GHz oder 5 GHz, aber diese Bänder sind hoffnungslos verstopft mit Fernsteuerungen, Kopfhörern, Computer-Tastaturen oder Mäusen, und alles ist ungeregelt. Viele Firmen versuchen sich auf WLAN, haben aber oft Probleme.
Was Eigenes, bitte
Zu den 3 etablierten Netzbetreibern kommt für 5G noch ein 4. Anbieter dazu.
Fotos: Telekom/o2/Vodafone, Montage; teltarif.de
Also möchte die Industrie Frequenzen haben, wo klar geregelt ist, wer wann wie funken kann und darf. Da der Mobilfunkausbau in Deutschland so unendlich langsam vom Fleck kommt, verlor die Industrie die Geduld und fragte nach eigenen Frequenzen, um in Eigenregie schneller ausbauen zu können. Die Idee der Campus-Frequenzen wurde geboren, die es so nur in Deutschland gibt.
Wie sieht der Fahrplan aus?
Die großen Mobilfunkanbieter bauen in Großstädten mehr oder weniger koordiniert 5G-Stationen aus, befinden sich aber momentan noch im Experimentier- und Versuchsstadium. Die ekelhaft hohen Frequenz stecken voller Überraschungen. Wer schon ein 5G-fähiges Smartphone mit freigeschalteter SIM-Karte hat, wird einige Überraschungen erleben. Die oft propagierten 1 GBit/s Download-Rate bei 5G sind nur unter absolut idealsten Bedingungen möglich, d.h. freie unbelastete Zelle und freie Sicht auf die Antenne und kein anderer Nutzer, der per "Beamforming" das Hauptsignal bekommt.
Die Industrie wird bauen
Interessierte Industriebetriebe werden Campus-Netze mit 5G-Technik aufbauen. Teilweise auf den exklusiven Campus-Frequenzen, teilweise auch auf "öffentlichen" Frequenzen mit Hilfe eines etablierten Netzbetreibers wie Telekom, Vodafone oder Telefónica und künftig (irgendwann) vielleicht auch 1&1-Drillisch.
Und wir Kunden?
Für Mobilfunkkunden, die vor der Entscheidung für ein Neugerät stehen, offen für neue Technik sind und dafür auch Geld ausgeben können oder wollen, kann die Kaufentscheidung für ein 5G-Gerät interessant sein, um am Puls der Zeit dabei zu sein. Die ausgelieferten Geräte werden einige Updates bekommen, bis die Hardware nicht mehr geeignet ist, die Technik ist schnelllebig.
Wer ein Handy als Arbeitswerkzeug sieht, braucht 5G im Moment noch nicht. Man sollte unbedingt darauf achten, dass das gewünschte Gerät 4G (LTE) beherrscht, und zwar nicht nur für LTE-Daten, sondern auch VoLTE (Sprache über LTE) und VoWiFi (Sprache über WLAN), und der gebuchte Tarif das auch beherrscht.
Wo gibt es 5G?
In Deutschland wird 5G derzeit von zwei Netzbetreibern angeboten, nämlich Telekom und Vodafone. Bei beiden Anbietern braucht man einen aktuellen Laufzeit-Tarif, der für 5G (meist ohne Aufpreis) freigegeben ist, eine 5G-fähige SIM-Karte (das sollte jede SIM-Karte sein, die 3G/4G unterstützt, ältere SIM-Karten müssen ggf. ausgetauscht werden) und ein 5G-fähiges Endgerät. Das Angebot ist derzeit noch überschaubar, aber ständig kommen neue Modelle dazu.
5G mit Prepaid gibt es versuchsweise bei Vodafone, kann aber jederzeit wieder abgeschaltet werden.
Der Netzbetreiber Telefónica (o2) hat den 5G-Start für 2020 auf der Agenda. Wir erwarten Stationen in Berlin, München und weiteren Ballungsgebieten. Daneben wird Telefónica den Ausbau mit 4G in der Fläche vorantreiben müssen, wobei auch das eigene Verbindungsnetzwerk, das die Signale von und zu den Sendestationen transportiert aufgebohrt werden muss, denn "LTE" alleine, bedeutet nicht automatisch beste Datenraten.
Rätselraten um Nummer vier
Der Netzbetreiber "1&1-Drillisch" wird mit "ausgeliehenen" Frequenzen von o2 bei 2600 MHz anfangen. Diese Frequenzen eignen sich nur für stark besuchte Bereiche (Fußgängerzonen, Bahnhöfe, Einkaufszentren). Durch die Partnerschaft mit o2 ist davon auszugehen, dass 1&1-Drillisch schon zum Netzstart eine relativ gute Verfügbarkeit für 2G-3G-4G-Sprachtelefonie haben wird. Die mögliche Datenversorgung wird der des o2-Netzes entsprechen. Bis es eine nennenswerte 5G-Versorgung geben wird, kann es noch dauern.
Auch gilt es nicht als ausgemacht, ob 1&1-Drillisch überhaupt mit 5G an den Start geht, wenn sich aufgrund einer politisch schwer abschätzbaren Regulierung von Lieferanten (Bedenken gegen "Made in China") die geplanten Geschäftsmodelle nicht mehr rechnen sollten. Als Neueinsteiger hat 1&1-Drillisch nur Chancen über den Preis, der muss also spürbar günstiger sein als alles, was bisher da gewesen ist. Warum sollte sonst jemand dorthin wechseln?
5G-Blick über die Grenzen
In der Schweiz gibt es es bereits kommerziell (für Kunden verfügbare) 5G-Angebote der Swisscom und des Herausforderers Sunrise. Als Roaming-Kunden hat man davon noch wenig, da es bislang kaum Roaming-Abkommen gibt, die dürften aber bald kommen.
In Frankreich ist gerade die Versteigerung der Frequenzen angelaufen. Man darf davon ausgehen, dass mindestens der Marktführer France Telecom/Orange in Ballungsgebieten wie Paris/Ile de France mit 5G starten wird.
In Österreich haben die Lizenzen nur 188 Millionen Euro (für alle Anbieter) gekostet, und 5G ist bereits bei allen drei Mobilfunkanbietern Mobilkom A1, Magenta.at (ex T-Mobile) und Drei.at gestartet, derzeit eher im Großraum Wien.
In Tschechien testet o2.cz bereits 5G. Trotz des Namens hat "o2.cz" nichts mehr mit der "o2" von Telefónica zu tun, sondern gehört einem regionalen Anbieter, gleiches gilt auch für o2.sk. Auch in der Slowakei wurde bereits ein 5G-Versuchsnetz getestet.
In Luxembourg haben die kleineren Anbieter 5G schon ausprobiert, die "Post" wollte noch Tests abwarten.
In den Niederlanden hielt sich hartnäckig das Gerücht, dass 5G die Ursache eines merkwürdigen Vogelsterbens in Den Haag gewesen sei. Das konnte jetzt widerlegt werden. Die Vögel sind zweifelsfrei an giftigen Bestandteilen der Eibebeeren verendet. Alle untersuchten Vögel hatten Rückstände dieses Giftes in der Leber.
Belgien hingegen "verweigert" sich der 5G-Technik, wie es eine große Tageszeitung berichtet, aus "Angst vor dem Strahlen-Tsunami". Die Wahrheit ist dann doch etwas komplizierter, es gibt wohl noch politischen Streit um regulatorische Dinge, wie die Verteilung der möglichen Steuereinahmen aus den Lizenzen, aber auch verstärkt verunsicherte Bürger, die der neuen Technik nicht über den Weg trauen.
Hochpräzise Feinmechanik: Mehrkanalverstärker bei 300 GHz für den übernächsten Mobilfunkstandard 6G
Foto: Fraunhofer IAF
In Skandinavien (Dänemark, Norwegen, Schweden, Finnland) ist man in Sachen 5G schon weiter. Der Marktforscher GlobalData schätzt für 2023 bereits 23,2 Prozenzt der dänischen Mobilfunkverträge als für 5G nutzbar, gefolgt von Portugual und der Schweiz (jweils 16,2 Prozent), Finnland (15,9 Prozent) und den Niederlande (15,4 Prozent). In Norwegen will die ehemals staatliche Telenor mit 5G in diesem Jahr starten, Lieferant wird Ericsson sein.
Und 6G?
Was 6G genau ist, wissen im Moment nur wenige. Soviel scheint klar: Noch gigantischere Datenmengen, die in noch kürzerer Zeit auf noch höheren Frequenzen übertragen werden sollen. Dabei werden physikalische Grenzen erreicht und vermutlich früher oder später auch überschritten. Oder auch nicht.