Telekom: Der Weg zu 5G ist gleitend und hat bereits begonnen

Obwohl es mit 5G, der fünften Generation des zellularen Mobilfunks, erst im Jahre 2020 richtig losgehen soll, sorgt der künftige Kommuni­kations­standard bereits seit einiger Zeit für viel Gesprächsstoff in der Tele­kommuni­kations­branche. Viele Diskussionsteilnehmer glauben, dass bei 5G eigentlich nur die maximal mögliche Geschwindigkeit in den Gigabit/Sekunde-Bereich angehoben wird, doch das nur die halbe Miete.

5G soll nicht nur schneller, sondern auch besser, zuverlässiger und individueller werden, so die Vorstellungen der Branche. Menschen sind nicht mehr weitgehend alleine im Netz, sondern viele Maschinen und Dinge "reden" über das Netz permanent direkt miteinander: Autos, Heizungen und selbst Mülleimer oder Container sind "on air" und haben teilweise ganz andere Anforderungen als wir menschliche Wesen.

Von der vierten zur fünften Generation

Telekom startet die 5G-Revolution
Bild: Telekom Das Internet der Dinge (IoT) wird mit 5G erst richtig interessant: Der Mülleimer, der selbstständig das Müllauto bestellt und ihm auch sagt, wo er zu finden ist; der Glascontainer, der seine Leerung veranlasst, wenn er wirklich voll ist.

Viele Elemente der fünften Generation sind aus der vierten Generation her bekannt. Der Sprung von 4G zu 5G ist ein fließender Übergang mit vielen kleinen Zwischenschritten. Daher kann man nicht so leicht sagen, wo 4G aufhört und wo die fünfte Generation beginnt. Neu ist hingegen: Der neue Kommunikationsstandard betrifft nicht nur den Mobilfunk, sondern auch das Festnetz.

4G wird meist LTE genannt, als Abkürzung für "Long Term Evolution" – zu deutsch "langfristige Entwicklung". Das sollte man wörtlich nehmen, denn 4G ist noch lange nicht ausgereizt. Auf lange Sicht, also Long Term, werden die Anforderungen der meisten Nutzer auf Basis der vierten Technikgeneration durchaus befriedigt werden können.

Auf dem Weg zu 5G sind also LTE Advanced und sein Nachfolger LTE Advanced Pro noch lange nicht die letzte Station, bevor 4G eines Tages verschwinden könnte.

4G als Grundbaustein für 5G

Die Branche geht im Moment davon aus, dass 4G ein Bestandteil eines generischen 5G-Standards sein wird und damit die Basis für künftige Netze liefern wird. Die kommende, fünfte Generation des globalen Kommunikationsstandards 5G unterscheidet sich allerdings von seinen Vorgängern auch in vielerlei Hinsicht. 5G ist wesentlich flexibler als die vorherigen Mobilfunkgenerationen und darauf ausgelegt, neben Kommunikationsbedürfnissen der Menschen auch die künftigen Anforderungen vernetzter Maschinen und Geräte (Dinge) zu erfüllen.

Genau genommen gibt es daher nicht mehr "das eine Netz" – sondern parallel betriebene, virtuelle Netze auf Basis einer gemeinsamen, physischen Infrastruktur. 5G wird also zum Netz der Netze, das die individuellen Anforderungen aller Teilnehmer erfüllen und neue bisher nicht gekannte Möglichkeiten schaffen soll.

Network Slicing: Passende Netz-"Teile" für Mensch und Maschine

Diese Anforderungen sind unterschiedlich und auf den ersten Blick nicht kompatibel zueinander. Die neue Netzinfrastruktur wird intelligenter, das Zauberwort heißt "Network Slicing". Bisher waren Netzwerke unflexibel. Die Kunden mussten das nehmen, was gerade vorhanden war, und alle Netze waren bei ihren möglichen Netz-Diensten und Angeboten ziemlich ähnlich.

Mit 5G sollen die Netzwerke intelligenter und flexibler werden. Durch das Network Slicing - quasi ein Netz im Netz - werden sie auf die speziellen Bedürfnisse der Kunden zugeschnitten. Ein Schüler möchte nur WhatsApp Botschaften verschicken, er ist mit einer stabilen Verbindung unter 1 MB/s zufrieden. Nun kommt ein wichtiges Video, was er für die Schule braucht, das bekommt natürlich mehr Geschwindigkeit und kann ruckelfrei geschaut werden. Die Planungsdaten für die Metallwerkstatt werden mit höherer Geschwindigkeit übertragen, später könnte es wieder langsamer werden.

Ein Gamer oder ein Industrieroboter braucht extrem kurze Antwort-Zeiten (Ping). Ein Videofreak möchte besonders hohe Datenrate für Höchstauflösendes (UHD)-Fernsehen. Einfache Sensoren brauchen eine möglichst energiesparende und weitreichende Schmalbandverbindung (NarrowBand IoT), für die jahrelang wartungsfreie Kommunikation mit der ersten Batterie möglich sein soll. Weltweit sind schon Milliarden von Sensoren unterwegs oder werden noch dazu kommen.

Niedrige Reaktionszeiten und Kommunikation von Maschinen

Mit Latency, Latenz oder auch Reaktionszeit bezeichnet man den Zeitraum zwischen einem Ereignis und dem Eintreffen einer sichtbaren Reaktion darauf. In der Telekommunikation setzt vor allem die Physik der Latenzzeit Grenzen – so bestimmt die Länge der Wege, die Daten in den Netzen zurücklegen müssen, die Dauer bis die Reaktionen für den Nutzer spürbar sind.

Die ersten Telekom-Antennen in Berlin, die über einen Vorstandard von 5G New Radio funken
Bild: Telekom Nehmen wir die mobile Virtual Reality (VR): Wer sich mit der entsprechenden VR-Brille in wirklichkeitsähnlichen virtuellen Welten bewegt, erwartet bei einer Kopfbewegung eine entsprechende Reaktion: Eine Veränderung des Sichtfeldes, das seiner Bewegung und damit den Erwartungen entspricht. Die Kopfbewegung wird an einen entfernten Server übertragen, berechnet und das Bild der neuen Umgebung zurückgeschickt. Davon will oder soll der Nutzer möglichst nichts merken.

Die Faustregel ist einfach: Je geringer die Verzögerung, desto realer nimmt der Anwender die virtuellen Welten wahr. Ähnliches gilt für Online-Gaming. Ein Kniff, um die Netze schneller zu machen: Server werden künftig wieder näher am Kunden stehen, man spricht auch vom "EDGE-Computing".

Andere Bereiche, wie das autonome Fahren, brauchen ebenfalls extrem kurze Reaktionszeiten. Die Informationen, etwa wenn ein vorausfahrendes Fahrzeug hinter der Kuppe oder Kurve bremst oder gar mit einer Panne stehen bleibt, müssen blitzschnell durch die Netze fließen, verarbeitet und verteilt werden. So kann das nachfolgende Fahrzeug entsprechend reagieren, wenn es die Information rechtzeitig bekommen hat. Andernfalls käme es zur Katastrophe.

Für die Industrie ist es zudem von erheblicher Bedeutung, dass die niedrigen Reaktionszeiten des Netzes nicht nur ab und zu erreicht, sondern verlässlich dauerhaft garantiert werden. Diese garantierte Latenz (maximale Verzögerungszeit) ist eine der wichtigsten 5G-Eigenschaften. Die Techniker der Deutschen Telekom erreichen mittlerweile extrem niedrige Reaktionszeiten im 5G-Test-Netz und versprechen, dass diese stabil bleiben. Je nach Bedarf und Servicelevel kann die 5G-Latenzzeit vom Kunden flexibel gewählt werden.

Wideband und NarrowBand IoT in Koexistenz

Die Netzinfrastruktur muss außerdem in der Lage sein, auch Maschinen, Autos und unzählige weitere Elemente im Internet der Dinge miteinander vernetzen zu können. Künftig sind nicht mehr nur ein paar Hundert Smartphones in einer Funkzelle auf Empfang oder am Senden, sondern noch zusätzlich einige Tausend Geräte oder Sensoren.

Das Schmalbandnetz (Narrowband, NB) für das Internet der Dinge ist ein weltweit genormter Standard, der die IoT-Lösungen ermöglicht, die mit "normalem" Mobilfunk nicht denkbar wären, da der Energieverbrauch viel zu hoch wäre und die Netze unter der Last von Tausenden Geräten oder Sensoren in einer Funkzelle rasch zusammenbrechen würden.

Diese Schmalband-Kommunikation verwendet ein einfacheres und robusteres Funkprotokoll, das eine besonders großflächige Abdeckung ermöglichen soll. Zugleich soll es in der Lage sein, dicke Betonmauern besser zu durchdringen und so auch entlegene Winkel eines Gebäudes bis tief in den Boden zu erreichen, etwa in einem unterirdischen Parkhaus. Da die Sensoren meist nur stündlich oder täglich relativ kleine Datenpakete übertragen, ist ihr Energiebedarf gering. So können sie über Jahre ohne Batteriewechsel betrieben werden.

Ein typisches Anwendungsbeispiel sind Gas- und Wasserzähler, die - im Gegensatz zu intelligenten Stromzählern - nicht an das Stromnetz angeschlossen werden. Sie sind zudem oftmals in Kellern angebracht, wo der Mobilfunkempfang in der Regel schwach oder fast gar nicht vorhanden ist. Mit batteriebetriebenen NarrowBand-IoT-Modulen kann der Anbieter diese Zähler aus der Ferne ablesen, ohne dass der Kunde zu Hause sein muss.

5G in der Smart City

In einer Smart City (der vernetzten Stadt der Zukunft) lässt sich die Schmalband-Technologie beispielsweise für die Steuerung der Straßenbeleuchtung nutzen. So können mit entsprechenden Modulen ausgerüstete Laternen selbstständig Defekte melden oder aus der Ferne ein- oder ausgeschaltet werden, beispielsweise wenn ein Sensor dort Fußgänger, Radfahrer oder Autos registriert.

Durch die Vernetzung von Parkplätzen per NB-IoT lässt sich deren Auslastung optimieren: Ein intelligentes Parkleitsystem führt Autofahrer auf dem kürzesten Weg zum nächsten freien Parkplatz.

Flexibel für die Zukunft

Autonomes Fahren, smartes Parken, Fernablesung von Gas- oder Wasserzähler: Das alles gibt es schon oder es wird in Kürze kommen. Was passiert danach? Früher hatte eine neue Technik gewisse typische Merkmale – und danach mussten sich alle, die damit arbeiten wollten, richten. Bei 5G soll es genau andersherum laufen. Die Anwendung gibt den Bedarf vor und das Netz soll flexibel reagieren. Welche Anwendungsszenarien dabei mittels 5G im Lauf der Zeit noch entstehen können, ist im Moment noch gar nicht zu sagen. Entscheidend ist, so die Vordenker der Telekom, "ein intelligentes Netz ist die Grundlage. Das Netz, das sich an visionäre Ideen anpasst."

Eins ist klar: Damit das 5G-Netz funktionieren und ein Erfolg werden kann, müssen sehr viele neue und zusätzliche Sendestationen gebaut werden, viel mehr, als derzeit in der Fläche zu finden sind.

In einer weiteren Meldung vom Pre-5G-Start der Telekom in Berlin zeigen wir, wie erste Netzelemente und ein erstes 5G-"Handy" aussehen.