Was wird das neue Netz können und wann ist es verfügbar?
Gerade einmal 9 Jahre ist es her, dass in Deutschland das erste LTE-Netz (4G) startete und einen neuen Meilenstein in der Mobilfunktechnik markierte. Auch heute, im Jahr 2019, sind noch längst nicht alle Möglichkeiten ausgeschöpft, die 4G-LTE bietet. Nichts desto trotz, gibt es bereits länger Pläne für den Nachfolger, kurz „5G“. Dieser soll erneut alles bisher Dagewesene in den Schatten stellen und aus heutiger Perspektive geradezu unwirklich scheinende Leistungsdaten aufweisen. Der Praxiseinsatz dürfte, den Plänen der Mobilfunker, bereits 2020starten! Im Folgenden wollen wir einen Abriss zum aktuellen Stand der Entwicklung liefern und zeigen, welche Vorteile 5G bieten könnte.
Was werden 5G-Mobilfunknetze leisten?
2017 offiziell verabschiedetes 5G-Logo | © 3GPP
Was 5G leisten soll, wurde schon sehr früh formuliert. Aber erst seit der Verabschiedung eines verbindlichen 5G-Standards durch 3GPP Mitte 2018, weiß man relativ sicher wo die Reise hin geht. Die Industrie hat vor allem die Vernetzung von Maschinen und Gadgets im Blick, für Verbraucher dürften der Performancegewinn und ein niedriger Energieverbrauch auf der Habenseite stehen. Doch 5G ist mehr als nur schnelleres, mobiles Internet! Es soll technisch ein Paradigmenwechsel beim Mobilfunk einleiten. Doch widmen wir uns zunächst den anvisierten Vorzügen und Verbesserungen:
- bis 100 höhere Datenrate als heutige LTE-Netze (also bis zu 10.000 MBit/s),
- rund 1000fach höhere Kapazität,
- weltweit 100 Mrd. Mobilfunkgeräte gleichzeitig ansprechbar,
- extrem niedrige Latenzzeiten -> Ping von unter 1 Millisekunde,
- 1/1000 Energieverbrauch pro übertragenem Bit,
- 90% geringerer Stromverbrauch je Mobildienst.
Auf den ersten Blick ist 5G also eine eierlegende Wollmilchsau, die ein Vielfaches an Datenübertragungsrate bietet und mehr Nutzer in einer Zelle versorgen kann. 5G soll zudem kaum merkliche Latenzzeiten aufweisen, also blitzschnelle Reaktion im Netz ermöglichen und dabei weniger Strom benötigt. Um zu verdeutlichen, wie schnell 5G sein soll, kurz ein paar Zahlen zum Vergleich: 10 GBit pro Sekunde entsprechen einer Downloadrate von 10.000 MBit/s. Das ist 100 Mal mehr, als LTE-CAT3 mit 100 MBit/s. Ein 5G-Smartphone oder Laptop mit 5G-Stick, könnte dann mobil 625 Mal schneller einen Film laden, als der beste DSL-Anschluss. Der Inhalt einer prall gefüllten DVD wäre in nur 3,6 Sekunden fertig geladen! Man würde kaum merken, dass der Download überhaupt gestartet wurde bevor er endet. Also fast unvorstellbare Geschwindigkeiten!
Rasante Entwicklung: In 20 Jahren Geschwindigkeit 26.000 x höher als UMTS!?
Was heute vielleicht noch völlig nutzlos erscheint, könnte in ca. 1 Jahren für viele Nutzer durchaus schon eine Berechtigung haben. Denn als UMTS vor 15 Jahren startete, lag die maximale Datenrate bei 0,384 MBit/s. Aus damaliger Sicht ein echter Fortschritt, z.B. gegenüber dem schneckenlahmen EDGE und sogar flotter als viele Heim-Internetzugänge, welche noch auf ISDN mit rund 0,06 MBit/s basierten.
Für heutige Mobilnutzer sind dagegen 0,38 MBit fast schon eine Zumutung. Innerhalb nur einer Dekade entwickelten sich die Mobilfunk- und kabelbasierten Breitbandtechniken mit schwindelerregendem Tempo weiter. Noch vor der LTE-Ära, die 2010 eingeläutet wurde, kamen verbesserte UMTS-Techniken, wie HSDAP und DC-HSPA+ heraus, welche die Datenrate schrittweise auf 7, 14, 21 und 42 MBit/s steigerten. LTE bot in der ersten Ausprägung (CAT3) immerhin schon 50-100 MBit/s. Je nach verwendeter MIMO-Technik und dem genutzten Frequenzband (800, 1800 oder 2600 MHz z.B.) versteht sich. Im Herbst 2013, kurz vor der IFA, zündeten Vodafone und die Telekom die nächste „Brennstufe“. Mit LTE der Kategorie 4 (CAT4) können seither bis zu 150 MBit mobil erreicht werden. Im November 2014 erfolgte der nächste Schritt hin zum Giga-Netz. Seither gibt es in Deutschland erstmals, auf Basis von LTE-Advanced, noch schnellere Übertragungsraten von maximal 300 MBit pro Sekunde. Nötig sind dafür kompatible Endgeräte ab Kategorie 6 (CAT 6). Vodafone führte Anfang 2018 in ersten Regionen sogar LTE-Stationen ein, welche bis zu 1000 MBit bieten. Die Gigabitmarke ist also schon in unmittelbarer Reichweite für den Massenmarkt. Hier mehr zum Thema Gigabit LTE.
Sowohl die Mobilfunkgeschichte, als auch die Erfahrung zeigt, dass mit zunehmender Kapazität der Netze stets neue Anwendungsformen erwachsen, welche mit langsameren Datenraten noch nicht möglich waren. Wie etwa hochauflösende Videotelefonie oder mobiles Fernsehen am Smartphone/Tablet. Vor diesem Hintergrund scheint es durchaus konsequent und logisch, dass sich in den nächsten Jahren die Mobilfunknetzleistung weiter vervielfacht.
Erste 5G Demo: MWC 2015 – Speedtest mit 3500 MBit/s
Wir hatten das Glück bereits auf dem Mobile World Congress 2015 eine der ersten 5G Praxis-Demos überhaupt zu bestaunen. Das von Ericsson errichtete Testnetz, erzielte dabei damals im Speedtest bereit unglaubliche Datenraten von bis zu 3560 MBit/s. Das ist 222 Mal so schnell, wie ein DSL-Anschluss mit 16 MBit. Bis 2018 wurden natürlich schon mehrere derartige Demos wiederholt, doch vor 3 Jahren war dies ein absolutes Novum.
Zudem stellt der Netzwerkausrüster seinen damaligen Zeitplan zur Einführung des LTE-Nachfolgers vor. Demnach ging Ericsson (wie die Meisten) von einer Kommerziellen Einführung um 2020 aus, wie das folgende Bild zeigt.
Und auch auf folgenden Messen, ließen sich Vodafone und Telekom es sich nicht nehmen, erste Demonetze zu präsentieren, wie die folgenden Bilder zeigen.
Telekom 5G Sportübertragung zur IFA 2016
Eine sehr interessante Demo lieferte die Deutsche Telekom im September 2016 im Olympiastadion. In dem Feldversuch übertrug man das TV-Signal eines Sportevents sowohl per 4G als auch 5G und verglich beide Ergebnisse miteinander. Zudem wurden erstmals 3D Bilder in 360 Grad geliefert. Geladene Gäste konnten sich per VR-Brille von den spektakulären Ergebnissen überzeugen. Im Test wurden übrigens Datenraten von durchschnittlich 3.5 GBit bei 3 ms Latenz erreicht!
Hier noch ein paar bildliche Eindrücke vom Test im Olympiastadion…
Seit Ende 2017 betreibt die Telekom zudem ein erstes echtes Live-Testnetz in Berlin. Ausgestattet mit Massive-MIMO Technik und einem Pre 5G-Standard, testet der Konzern dort bereits erste Anwendungen und Szenarien für die Zukunft. Im Downstream werden aktuell um die 2000 MBit erreicht bei ultraniedrigen Latenzen von nur 3 Millisekunden. Gefunkt wird übrigens auf 3.7 GHz im Zuge einer Testlizenz.
Riesiges 5G-Modem für das Telekom Testnetz in Berlin | 5G-Day Oktober 2017
2018: Telekom probt 5G-Rollout
Nur ein Jahr später legte die Deutsche Telekom die Basis für Europas erstes 5G-Live Netz in Berlin. In der Berliner City startete der Konzern im Mai 2018 erstmals unter realen Bedingungen ein weitläufiges Testfeld, gespießt durch mehrere 5G-Funkstationen. Je drei in der Leipziger Straße, soweit in der Winterfeldstrasse. Im Zentrum der Hauptstadt wird zudem ein 5G-Cluster aufgebaut. Damit unterstreicht der Konzern die Pläne zur pünktlichen Einführung in 2020. Noch in 2018 sollen in der kompletten Stadt 70 weitere Funkantennen an 20 Standorten folgen. Damit legt die Telekom die technische Basis zur kommerziellen Einführung, denn die Testcluster sollen wichtige Ergebnisse zur Masseneinführung liefern.
IFA 2018: Telekom präsentiert Live-Netz mit 3 GBit
Das die Deutsche Telekom in Berlin ihr erstes Testnetz für 5G unterhält ist bekannt. Doch nur selten hat man als Endkunde einen Einblick in die Möglichkeiten, welche in naher Zukunft möglich sein könnten. So auf der IFA 2018, wo der Telekomriese eigens ein Pavillon einrichte.
Gezeigt wurde eine Übertragungsrate von gut 3000 MBit. Auf dem noch ziemlich klobigen Modem (eher Kühlschrankformat), waren zudem vier größere Antennen mit MIMO 2×2 platziert.
5G Frequenzen: Auktion startete im Frühjahr 2019
Für den Betrieb der 5. Mobilfunkgeneration werden selbstverständlich auch Betriebsfrequenzen benötigt. Wie schon zur Einführung von LTE, werden auch diese wieder im Zuge einer Auktion versteigert. Die Auktion startete am 19.3.2019.
Im Zuge Versteigerung werden wieder Einnahmen für den Bund im mittleren Milliardenbereich erwartet. Zur Disposition stehen zunächst Bänder bei 2 GHz, sowie zwischen 3400 und 3700 MHz – also weit über den derzeitigen Nutzbändern bis 2600 MHz für LTE. Leider sinkt damit die Reichweite der Mobilfunkstationen deutlich, so dass ein flächendeckender 5G-Ausbau mit diesen Frequenzbereichen praktisch auszuschließen ist. Ob und welche Alternativen in Frage kommen, steht noch nicht fest. Ideal wäre aus unserer Sicht das Band bei 700 MHz, welches für LTE bisher kaum genutzt wird. Für den ländlichen Raum steht ohnehin eher die Abdeckung im Vordergrund als eine vierstellige Datenübertragungsrate…
5G: Nötige Perspektive oder technische Gigantomanie?
Wie wir schon perspektivisch aufzeigten, könnten die anvisierten 10 GBit/s in gut einer Dekade durchaus nötig und gelebte Praxis werden. Viele Smartphones bieten heute schon Ultra-HD-Kameras, die Filme in doppelter HD-Auflösung (3820×2160) aufzeichnen und abspielen, mit entsprechenden Konsequenzen für den Speicherbedarf. 8K ist steht bereits auf der Agenda erster Unterhaltungshersteller im Videobereich. Auch anderswo steigen die Datenmengen stetig weiter. Der Versand oder Abruf solcher Dateien, kann selbst mit schnellem LTE zu einer Geduldsprobe werden.
Aber vor allem erwarten Trendforscher und diverse Industriezweige für die kommenden Jahre eine Revolutionierung des Internets im Bereich der sogenannten M2M-Komminikation(Maschine zu Maschine). Das bedeutet vereinfacht gesagt, dass immer mehr Geräte und Maschinen mit Sensoren ausgestattet werden und untereinander kommunizieren. Statt nur Menschen zu Mensch, nimmt M2M einen immer größer werdenden Raum ein und verlangt nach mehr Netzkapazitäten. Forscher gehen davon aus, dass ab 2020 schon mehr als 100 Milliarden „Dinge“ weltweit vernetzt sind. Angefangen von Waschmaschinen, Einkaufswagen, Fahrrädern oder Autos. Bis hin zu industriellen Maschinen, welche untereinander Informationen austauschen, sich autark steuern bzw. Informationen für Nutzer sammeln oder weiterleiten. Auch der Begriff „Internet der Dinge“ wird in diesem Zusammenhang oft genutzt. Beispielsweise können Hydrosensoren in Blumentöpfen dem Besitzer stets per Smartphone den aktuellen Feuchtigkeitsstand melden und Alarm zum Gießen geben. Auch wenn solche Beispiele recht spielerisch anmuten, gibt es natürlich auch ernsthafte und nützliche Perspektiven dieser Technik. Seien es optimierte Verkehrsleitsysteme oder Anwendungen im Medizinischen Bereich. Damit aber Milliarden Menschen und Maschinen Daten schnell und effizient austauschen können, braucht es wesentlich bessere Netztechniken als heute. Erste Ansätze gibt es aber bereits über die LTE-Technik mit Narrow Band LTE.
Die folgende Grafik von Huawei zeigt, welche Anwendungsfelder 5G eröffnen könnte und zwar im Vergleich zu heute gängigen 2G, 3G und 4G-Netzen. Der kleine graue Würfel in der Mitte gibt den Anwendungsraum, verglichen mit 5G (ganzer Würfel), wieder. Die Achsen X, Y und Z bilden die Dimensionen Datenrate (X), Verbindungen per km² (Y) und Latenzzeit (Z) ab. Beispiel: Ganz links sehen wir im „5G-Cube“ den Anwendungspunkt „Multi-User UHD Telepresence“. Gemeint sind Videokonferenzen mit mehreren Teilnehmern in Ultra-HD-Qualität. Die Voraussetzung dafür sind eine hohe Datenrate (X-Achse weit links), eine niedrige Reaktionszeig (Z weit vorn), bei wenig nötigen Verbindungen (Y weit unten). Smarte Sensoren ganz rechts oben brauchen hingegen weder hohe Übertragungsraten, noch schnelle Reaktionen, kommen dafür in der Fläche oft vor. Übrigens: Da jedes der Maschinen praktisch eine eigene IP braucht, ist de Adressierung von IPv6 wohl bald obligatorisch.
5G Anwendungswürfel | Quelle: Huawei
5G ist eine immense Herausforderung für Mobilfunk-Konzerne
Für deutsche Mobilfunkriesen, wie der Telekom, bergen neue Techniken selbstverständlich neue Umsatzpotenziale. 4G-LTE entwickelte sich seit 2010 mehr zu einem guten Geschäft. Die Absätze neuer LTE-Smartphones und passender Mobilfunkverträge verlief prächtig. Dem gegenüber standen und stehen aber immense Investitionen für Lizenzen und den Netzausbau.
5G dürfte die Kosten sogar nochmals deutlich erhöhen und zwar aus mehreren Gründen. Zum einen ist jede Mobilfunkstation nur so schnell, wie ihre Anbindung. Jeder Mobilfunkmast muss per Glasfaserkabel oder Richtfunknetze mit dem Kernnetz des Providers verbunden werden. Für die enormen Kapazitäten, welche 5G bieten soll, bilden Hochleistungs-Anbindungen die Grundlage, welche aufgerüstet oder neu ausgebaut werden müssen. Nur neue Entwicklungen in der Richtfunktechnik könnten hier kostenmindernd wirken. Zudem ist der verstärkte Glasfaserausbau unausweichlich.
Des Weiteren ist für 5G ein viel größeres Frequenzspektrum als 4G vorgesehen. Geplant ist, ein Frequenzraum von bis zu 24 GHz. Zum Vergleich: Heutige Mobilfunktechniken nutzen Bänder im Bereich von bis zu 2,6 GHz. Die Auktionskosten liegen für die Provider dabei immer im Milliardenbereich. Allein für LTE gaben die führenden vier deutschen Unternehmen 2010 über 4 Mrd. Euro aus. Juni 2015, im Zuge der 2. großen Versteigerung, legten die Provider sogar 5,1 Mrd. Euro auf den Tisch.
Die anvisierten Frequenzbereiche im Bereich von über 6 GHz haben zudem einen entscheidenden Nachteil: Statt weniger dutzend Sendemasten für ein Stadtgebiet, müssten hunderte, wenn nicht gar tausende kleine Funkzellen platziert und angebunden werden. Ebenfalls ein Kostentreiber! Und auch bei der Mehrantennentechnik (MIMO) wird es Änderungen geben. Statt nur 2-4 Antennen, wird künftig wohl ein Vielfaches zum Einsatz kommen. Alte Anlagen sind dann umzurüsten. Und nicht zuletzt benötigen natürlich auch die Nutzer neue Endgeräte, die kompatibel zu 5G sind. Wahrscheinlich Anfang/Mitte 2019 könnte die Versteigerung der ersten 5G-Bänder in Deutschland erfolgen.
Somit stehen den Vorteilen folgende Nachteile bzw. Probleme im Weg:
- 5G benötigt neue Frequenzbänder mit immens viel Spektrum[1],
- hohe Nutzfrequenzen erfordern ein deutlich dichteres Netz,
- drohende Kostenexplosion für Provider durch nötige Lizenzen und beim Netzausbau,
- Verbraucher benötigen neue Endgeräte,
- Kosten beim 5G-Netzausbau werden wahrscheinlich auf Endnutzer-Tarife umleglegt -> teuer.
- dichtes Glasfasernetz für eNODE-Anbindung nötig ->weitere Investitionen
- noch zweifelhafter Nutzen für Endkunden – 1000 MBit stehen bislang nicht mal im Ansatz Nutzungskonzepte gegenüber, zumindest für Privatuser
Huawei führte 5G-Entwicklung lange an
Schon kurz nach der Standardisierung von LTE-4G, legte der chinesische Mobilfunkausrüster „Huawei“ den Grundstein für die Forschung am Nachfolger 5G und galt bis zum Aufkeimen möglicher Spionagegefahren im Jahr 2018 als Pionier in dieser Hinsicht. Damit konnten Kontrahenten wie Ericsson und Nokia weitere Marktanteile beim 5G-Ausbau gewinnen.
Die ursprüngliche Roadmap sah vor, 2016/17 die Standardisierung durch die ITU realisieren zu können. Tatsächlich wurde der 5G-Standard am 21.12.2017 durch die 3GPP endgültig spezifiziert. 2019, so die Schätzung von Huawei damals, wolle man sogar erste Pilotnetze testen, um ein Jahr später 5G für erste Endkunden anbieten zu können.
Timeline bis 5G | Quelle: Huawei
Blick zurück auf die Basics: Was die 5G-Entwickler von Anfang an wollten
Im Oktober 2014 trafen sich Wissenschaftler aus aller Welt in Berlin, um sich über den aktuellen Stand ihrer Forschungsprojekte zur 5G-Technik auszutauschen. Dabei herrschte bereits große Einigkeit über die Ziele für die Entwicklung der fünften Mobilfunk-Generation: 5G solle ein weltweit einheitlicher Standard werden (wie 4G), der sich durch Verlässlichkeit, Flexibilität und Skalierbarkeit auszeichnet. Im Rahmen des Fachkongresses, von dem LTE-Anbieter.info ausführlich berichtete, zeichneten sich bereits damals einige der Vorteile für die Mobilfunknetze ab, welche der 5G-Standard mit sich bringen sollte. So könnten zum Beispiel die Netz-Kapazitäten der Nachfrage entsprechend intelligent gemanagt und zugewiesen werden. Auch bei Hochgeschwindigkeit – also beispielsweise in Schnellzügen – werden die Gigabit-Bandbreiten der 5G-Technologie einsetzbar, so die Pläne der Entwickler.
Insgesamt sollte 5G nicht mehr nur für Telefonie und Datendienste ausgelegt werden, wie es bei den bisherigen Mobilfunkstandards der Fall war. Wie der Wissenschaftler auf der 5G Global Conference zeigten, sah der Plan vielmehr die Errichtung eines universellen Netzes für die Kommunikation von Geräten vor, die über die reguläre Anwendung mit Smartphones weit hinausgeht. Letztendlich wird damit das Internet der Dinge ermöglicht, in dem unsere tragbare Technik mit allem und jedem in unserer Umgebung – und darüber hinaus – kommunizieren kann. Welche Anwendungen sich dabei letztendlich möglich und erfolgreich werden, ist heute noch nicht absehbar. Der kommende 5G-Standard wird lediglich die Grundlage für diese neuen Angebote schaffen.
Unser Fazit
5G birgt enormes Potenzial für die Netzgeneration 2020+ und eröffnet wahrscheinlich ungeahnte neue Möglichkeiten für Industrie und Verbraucher. Allerdings steht die Entwicklung noch am Anfang. Der Zeithorizont für einen Nutzer-Rollout bis 2020 scheint uns, zumindest in Deutschland, etwas zu optimistisch, auch bei allen Fortschritten. Zwischen den Netzbetreibern, der Politik sowie der Bundesnetzagentur herrscht seit Monaten schon ein Tauziehen um Interessen. Ob die strittigen Probleme noch vor dem geplanten Release gelöst werden können ist unklar.
Da die frisch errichteten LTE-Netze selbst noch Potenzial bis weit über 1000 MBit/s bergen, scheint eine wirtschaftliche Einführung vor 2021 kaum plausibel. Nichts desto trotz, ist eine frühzeitige Weichenstellung für die Zukunft unausweichlich, wie die Vergangenheit zeigt. Wer bei dem Thema auf dem Laufenden bleiben möchte, dem sei noch das 5G-Portal „5G-Anbieter.info“ ans Herz gelegt. Hier stehen aktuelle Entwicklungen und Eckdaten zur neuen Mobilfunktechnik im Fokus.
