5G ist das Mobilfunknetz der Digitalisierung

Seit Einführung des digitalen Mobilfunks in Deutschland 1992 hat sich einiges getan: Statt eines klobigen Telefons führt heute mit dem Smartphone fast jeder einen kleinen Computer mit sich. Auch viele andere Geräte, sei es im Alltags- oder im Unternehmenseinsatz, kommunizieren mittlerweile per Mobilfunk.

Nun wirft ein ehrgeiziges Projekt seine Schatten voraus: Deutschland soll zum Leitmarkt für den kommenden Mobilfunkstandard 5G werden.

Bis zum Jahr 2025 sollen alle Hauptverkehrswege und mindestens die 20 größten Städte in Deutschland mit 5G ausgestattet werden – das sind die Pläne von Bundesverkehrsminister Alexander Dobrindt. „5G wird zu einer digitalen Schlüsseltechnologie im Zeitalter der Vernetzung“, so Dobrindt vergangenen September.

Die Vernetzung von Dingen wie Autos oder Produktionsmaschinen im Internet der Dinge (IoT) nimmt rasant zu – laut den Analysten von Gartner soll es bis zum Jahr 2020 weltweit über 20 Milliarden vernetzte IoT-Geräte geben. Andere Quellen gehen sogar von noch höheren Zahlen aus.

Hier kommt der Mobilfunkstandard 5G ins Spiel: Während der aktuelle Standard LTE/4G mit der Erweiterung LTE Advanced derzeit Übertragungsraten von bis zu 500 MBit/s schafft, künftig sollen hiermit bis zu 1 GBit/s möglich sein, verspricht 5G Datenraten von bis zu 20 GBit/s – genug Bandbreite, um die vielen vernetzten Geräte ohne Engpässe zu verbinden.

Erst mit 5G lässt sich alles, was digitalisiert wird, auch vernetzen. Der neue Standard bildet also quasi die Grundlage für Industrie 4.0. Kein Wunder, dass 5G eines der Zauber­wörter auf dem diesjährigen Mobile World Congress in Barcelona war, einer der wichtigsten Messen rund um den Mobilfunk.

Laut Eric Kuisch, Geschäftsführer Technik bei Vodafone Deutschland, nimmt die Vernetzung von Geräten aller Art gerade erst richtig Fahrt auf, hier soll 5G Engpässen vorbeugen: „5G, der Mobilfunk der Zukunft, wird Staus auf den immer wichtigeren Datenautobahnen vermeiden. 5G ist leistungsstark, superschnell und überträgt Daten in Echtzeit. Das schafft Chancen für Industrie, Straßenverkehr und Gesellschaft.“ Bereits heute funken weltweit über 50 Millionen Dinge im Mobilfunknetz des Anbieters Vodafone.

Die Telekommunikationsbranche gibt ordentlich Gas bei  5G. So soll der Standard nicht mehr, wie lange angenommen, erst in drei Jahren, sondern bereits 2018 verabschiedet werden. Im Jahr 2020 dürften erstmals Daten durch die neuen 5G-Netze fließen.

Eine solche Standardisierung ist zeitraubend, aber notwendig. Sie stellt sicher, dass später alle eingesetzten Netze und Endgeräte miteinander kompatibel sind, fehlerfrei kommunizieren und die versprochene 5G-Leistung auch eingehalten wird. Die Standardisierung von 5G ist besonders komplex, weil 5G im Unterschied zu den Vorgängern UMTS/3G oder LTE/4G auch umfangreiche Veränderungen der Netzwerk­infrastrukturen mit sich bringen wird.

Der 5G-Standard schraubt nicht nur die mobile Datenrate auf bis zu 20 GBit/s – bei einer garantierten Datenrate von bis zu 1 GBit/s an jedem Punkt des Netzes. Die neue Technik bietet unter anderem auch eine rund 1000-fach höhere Kapazität, sodass mehr Teilnehmer und Geräte das Netz parallel nutzen können. Eine Million Verbindungen pro Quadratkilometer sollen möglich sein. Ein weiterer Vorteil von 5G ist die geringere Energieaufnahme: Die Mobilfunkanbieter rechnen mit 90 Prozent weniger Stromverbrauch im Vergleich zum Vorgänger.

Über die neue Netztechnik werden irgendwann Milliarden unterschiedlichster Geräte weltweit miteinander verbunden sein. Daher ist die Verlässlichkeit der Technologie äußerst wichtig. So soll 5G zum Beispiel auch im Zug bei 500 Kilometern pro Stunde funktionieren. Mit LTE/4G ist laut Spezifikation bei 350 Kilometern pro Stunde Schluss. Aber wer einmal mit dem ICE unterwegs war, der weiß, dass in der Praxis bereits deutliche geringere Fahrgeschwindigkeiten für Probleme sorgen.

Doch vor allem durch die extrem niedrige Latenzzeit von 1 Millisekunde – 10- bis 30-mal geringer als bei LTE/4G – eröffnen sich mit 5G völlig neue Möglichkeiten. Erst solch kurze Reaktionszeiten erlauben Echtzeit-Anwendungen wie zum Beispiel das entfernte Steuern von Operationsrobotern. Für die Industrie spielen niedrige Latenzen ebenfalls eine bedeutende Rolle: „In der Industrie sind kurze Reaktionszeiten vor allem bei Produktionsprozessen wichtig. Wenn bei der Herstellung eines Autos beispielsweise vier oder fünf maschinelle Anwendungen hintereinander genau aufeinander abgestimmt sein müssen, braucht es Echtzeit-Kommunikation. Nur so greift ein Rädchen ins andere“, so Vodafone-Technik-Geschäftsführer Kuisch. Komme es bei der ersten Anwendung zu einer Verzögerung, dann schaukele sich diese über die weiteren Stationen auf. So entstünden Produktionsfehler. Auch wenn mehrere Maschinen direkt miteinander oder mit dem Menschen interagierten, sei Echtzeit-Kommunikation wichtig.

„Die Latenzzeit ist eine grundlegende Eigenschaft für IP-basierte Netze“, fasst Michael Lemke, Senior Technology Expert beim Telekommunikationsausrüster Huawei, die Bedeutung der Reaktionszeit zusammen. „Es ist vielleicht nicht allgemein bekannt, aber ohne geringe Latenzzeiten kann man auch keine hohen Datenraten erreichen, da viele Datenprotokolle auch auf einer Bestätigung beruhen, die vom Empfänger nach Eingang eines Datenpakets gesendet wird.“

Die niedrigen Latenzen funktionieren jedoch aufgrund physikalischer Grenzen nur über vergleichsweise geringe Distanzen. Daher dürfte mit 5G vor allem das Edge-Computing beziehungsweise Fog-Computing inte­ressant werden. Dabei wird ein Großteil der anfallenden Daten bei Bedarf in Echtzeit vor Ort verarbeitet und lediglich zeitunkritische Daten an weiter entfernte Ressourcen weitergeleitet.

5G geht jedoch über den reinen Mobilfunk hinaus und definiert auch völlig neue Netzwerkinfrastrukturen. Eine wesentliche Veränderung, etwa gegenüber LTE/4G, liegt darin, dass 5G bisherige Netzgrenzen technischer und betrieblicher Art auflöst. So verschmelzen zum Beispiel Festnetz und Mobilfunk sowie WLAN-Segmente zu einem einzigen großen Netzwerk. Dieses umspannt sämtliche Infrastrukturen und schaltet die einzelnen Kapazitäten zu einem großen virtuellen Netz zusammen. Dabei soll das softwarebasierte, virtuelle Netzwerk intelligent werden und sich dynamisch und differenziert an die Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen anpassen können. Immer mehr Hardware-Komponenten sollen kostengünstig als Software-Lösung implementiert werden.

Ein Beispiel für die virtuelle Infrastruktur eines 5G-Netzes ist die Technik Network-Slicing: Nutzer und Anwendungen haben unterschiedliche Anforderungen an Datenraten oder Kapazitäten. Network-Slicing ermöglicht es, einen Teil der 5G-Infrastruktur anwendungsbezogen und auf Abruf bereitzustellen – als eigenes Netzwerk mit angepassten Eigenschaften wie einer zugesicherten Datenkapazität oder Reaktionszeit. „Diese (…) Technologie ist die eigentliche Revolution bei der Einführung von Mobilfunknetzen der 5. Generation“, so Michael Lemke von Huawei.

Laut Helge Erik Lüders, Manager Radio Network Strategy beim Mobilfunkbetreiber Telefónica Deutschland, ändert sich mit 5G die Architektur des Netzes grundlegend. „Konzepte wie Network Function Virtualization (NFV) und Network-Slicing werden eine flexible und damit hoch effiziente Nutzung der Hardware-Komponenten erlauben, die viele innovative Anwendungen überhaupt erst möglich machen.“

Wenn es nach den Telekommunikationsunternehmen dieser Welt geht, dann könnte 5G der nächste große Schritt in der Digitalisierung sein.

Ob es sich bei 5G allerdings lediglich um eine Fortentwicklung handelt, oder wie Günther Oettinger in seiner Zeit als EU-Kommissar für Digitales und Wirtschaft sagte, um eine „Revolution“ – darüber gehen die Ansichten auseinander.

Die Analysten der englischen Großbank HSBC etwa äußern sich zurückhaltend. Wie die „Wirtschaftswoche“ berichtet, halten die Experten 5G zwar für „technologisch sehr beeindruckend“, die Fortschritte der neuen Technik seien jedoch eher „evolutionär“ als „revolutionär“. Laut HSBC seien viele der zitierten Nutzerszenarien im Internet der Dinge bereits mit dem aktuellen LTE/4G-Standard umsetzbar.

Michael Lemke von Huawei denkt etwas anders: „Es gibt einige Bereiche, in denen die Technologie durchaus revolutionäre Sprünge macht.“ So sind laut Lemke bei 5G Leistungen zu erwarten, die bisher allenfalls im Bereich von Glasfasernetzen als möglich galten. Allerdings seien mit LTE/4G tatsächlich viele Anwendungsfälle schon vor Einführung von 5G nutzbar. Insbesondere der neue IoT-Funkstandard Narrowband-IoT (NB-IoT) ermögliche die massenhafte Vernetzung von Dingen, die bisher nicht verbunden werden konnten: „NB-IoT verbessert die Reichweite der bisherigen Mobilfunknetze um ein Vielfaches und erlaubt bei geringem Datenbedarf Batterielaufzeiten von bis zu zehn Jahren.“

Laut Eric Kuisch von Vodafone werden zwar bereits heute mit LTE/4G zahlreiche Maschinen und Gegenstände mitei­nander vernetzt – es gebe aber Prozesse und Anwendungen, bei denen LTE/4G nicht ausreiche. Als Beispiel nennt Kuisch unter anderem die direkte Kommunikation zwischen Autos: „Schon minimale Verzögerungen würden hier zu dramatischen Folgen führen. In der Industrie zu Produktionsfehlern, im Straßenverkehr zu Unfällen.“

Ähnlich sieht es Helge Erik Lüders von Telefónica: „Es ist richtig, dass viele IoT-Szenarien bereits heute mit LTE umsetzbar sind, denn Narrowband-IoT und LTE-M bilden die erste Basis, die dann durch 5G sukzessive weiterentwickelt werden wird.“ Seiner Meinung nach wird der neue Mobilfunkstandard eine Mischung aus beidem sein – „er ist sowohl evolutionär als auch revolutionär. Die Evolution findet bei der Weiterentwicklung der Funktechnik statt. Hier erwarte ich deutliche Verbesserungen gegenüber den Vorgängern, aber keine ,revolutionären‘ Sprünge.“

Lüders zufolge werden die verschiedenen Funktionalitäten von 5G zwangsläufig nicht überall verfügbar sein. „5G wird sich durch einen hohen Grad an Virtualisierung auszeichnen, der effiziente Konzepte wie das Network-Slicing ermöglicht. Es wird aber nicht die eine 5G-Basisstation geben, die alle Dienstgruppen gleichzeitig überall anbietet.“ Vielmehr handele es sich um eine Form von Smart Cells, die stattdessen hochleistungsfähige Hardware für die verschiedenen Anwendungen bedarfsgerecht zur Verfügung stellen.

Hinzu kommt: Bei 5G gibt es gegenwärtig noch viele schwer einschätzbare technische Risiken. So nutzt 5G höhere Frequenzbänder als bisherige Mobilfunkstandards. Das ist notwendig, um die Kapazitäten und höheren Geschwindigkeiten zu ermöglichen. In der Folge müssten die Mobilfunkmasten in deutlich geringeren Abständen als bisher aufgestellt werden. Und selbst dann ist nicht garantiert, dass die Funkabdeckung auch im Inneren von Gebäuden funktioniert.

Je mehr Software zum Einsatz kommt, desto gefährdeter sind auch die Systeme. Der verstärkte Einsatz von SDN-Technologie (Software-defined Network) bei 5G stellt die Netzbetreiber vor dieselben Herausforderungen wie die IT-Branche: Die Infrastruktur muss vor Cyber­attacken geschützt werden.

Bis der neue Mobilfunkstandard einsatzbereit ist, haben die Netzbetreiber also noch einen weiten Weg vor sich, die Herausforderungen sind riesig. So wird 5G für sie vor allem eines: teuer.

Timotheus Höttges, Vorstandsvorsitzender der Deutschen Telekom, rechnet allein in Europa mit Investitionskosten von rund 300 bis 500 Milliarden Euro. Diese Investitionen lassen sich keinesfalls von heute auf morgen stemmen. Daher ist davon auszugehen, dass die Mobilfunkanbieter – wie von der Bundesregierung geplant – erst einmal die Großstädte und Hauptverkehrswege mit der neuen Technik versorgen. Kleinere Ballungsgebiete und ländliche Regionen dürften – wie bei den Mobilfunkstandards UMTS/3G und LTE/4G – erst einmal jahrelang auf den schnellen Funk verzichten müssen. Das könnte dann zum Problem werden, wenn neue Technologien wie das vernetzte Auto auf flotten 5G-Datenfunk zum Beispiel für die Echtzeit-Steuerung angewiesen sind.

Laut Kuisch von Vodafone ist eine flächendeckende 5G-Mobilfunkversorgung in Deutschland unverzichtbar: „Das ist eine ganz wichtige Voraussetzung. Denn autonome Autos müssen in viel befahrenen Metropolen genauso miteinander kommunizieren, wie auf der abgelegenen Landstraße.“ Voda­fone strebt daher mit 5G auch ein flächendeckendes Mobilfunknetz an.

Doch ist das Ziel von Bundesverkehrsminister Dobrindt, bis 2025 alle Hauptverkehrswege und mindestens die 20 größten Städte in Deutschland mit 5G zu versorgen, überhaupt realistisch? Eric Kuisch ist zuversichtlich: „Wir rechnen damit, dass 5G schon im Jahr 2020 standardisiert und marktreif sein wird.“ Um diese Ziele zu erreichen, müssten aber Politik und Telekommunikationsunternehmen Hand in Hand arbeiten.

Auch andere Länder wollen von 5G profitieren und ganz vorn mitspielen. So plant Südkorea die Einführung von 5G mit den Olympischen Winterspielen 2018, Japan vor dem Hintergrund der Sommerspiele 2020. „Die Bereitschaft der Bevölkerung, die Möglichkeiten neuer Mobilfunktechnologien zu nutzen, ist in Korea traditionell sehr hoch. Daher werden die Olympischen Winterspiele zum Beispiel die Vorteile von hochauflösendem Video demonstrieren und die koreanische Bevölkerung wird sie wahrscheinlich sehr aktiv nutzen“, so die Einschätzung von Michael Lemke von
Huawei.

Ob der Ausbau so zügig voranschreitet, wie von Alexander Dobrindt in Aussicht gestellt, hängt Lemke zufolge nicht zuletzt vom Markt­erfolg der neuen Technologie ab. Produkte für den Netzaufbau und die Endgeräte werden zur Verfügung stehen, da sei die Indus­trie bereits auf dem besten Wege. Zudem ergebe sich der Bedarf einer neuen Mobilfunkgeneration allein schon aus Kapazitätsgründen. Lemke: „Jede Mobilfunkgeneration ist gekennzeichnet durch die effizientere Nutzung des Spektrums, allgemein erfolgt ein Technologiesprung ungefähr alle zehn Jahre.“ Aus dieser Sicht wäre bereits im Jahr 2020 Zeit für die Einführung eines neuen Mobilfunkstandards.

Nach Meinung von Helge Erik Lüders von Telefónica ist derzeit schwer zu beurteilen, wie realistisch die Pläne der Bundesregierung sind: „Weder sind zum jetzigen Zeitpunkt alle 5G-Funktionalitäten eindeutig definiert noch gibt es kommerzielle Systeme. Auch kommt es später auf die jeweilige Anwendung an, die eine Versorgung mit 5G zwingend voraussetzt.“ Zudem setze die Einführung anspruchsvoller mobiler Dienste zunächst einmal eine grundlegende Infrastrukturvorleistung voraus – „nämlich die flächendeckende Verfügbarkeit von Glasfaser­anbindungen oder hochperformante Richtfunkverbindungen“.

Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 20 GBit/s eröffnen zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten. So lassen sich zum Beispiel Techniken wie Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) oder Ultra-HD-Streaming mit dem 5G-Funkstandard auch mobil nutzen.

Vodafone-Manager Eric Kuisch sieht für 5G vor allem dort neue Einsatzfelder, wo die geringen Reaktionszeiten benötigt werden. „Autos, Ampeln und Menschen werden per 5G verzögerungsfrei miteinander kommunizieren. Sie warnen sich gegenseitig vor Gefahren. Selbst wenn diese für Sensoren und Menschen unsichtbar sind – zum Beispiel an Kreuzungen oder hinter Bergkuppen.“ 5G führt seiner Meinung nach Deutschland in eine Zukunft ohne Staus und mit weniger Unfallopfern. Und 5G könne noch mehr: „In der Indus­trie oder in Krisengebieten können Roboter ferngesteuert Aufgaben übernehmen, die für den Menschen zu gefährlich wären. Humanoide 5G-Roboter können auch die Pflege von alten oder kranken Menschen revolutionieren. Sie können ferngesteuert die Pflege dort leisten, wo Ärztemangel herrscht.“ Im Bildungsbereich sieht Kuisch ebenfalls viele Chancen für 5G: „Universitäten und Bildungseinrichtungen können durch 5G noch digitaler werden. Die besten Professoren können zum Beispiel im Hörsaal in Harvard lehren, während Studenten in der virtuellen Welt in Echtzeit an der Vorlesung teilnehmen, dem Professor Fragen stellen und verzögerungsfrei interagieren – von jedem Ort auf dieser Welt aus. Das schafft Zugang zur Bildung für alle.“ Ein weiteres mögliches Einsatzgebiet ist Kuisch zufolge die Landwirtschaft: „Drohnen und Roboter können Tiere, Maschinen und Felder immer im Blick behalten.“ Die Anwendungsmöglichkeiten seien ungezählt.

Michael Lemke von Huawei sieht die Möglichkeiten für 5G insbesondere in den Bereichen virtuelle Realität, vernetztes und automatisiertes Fahren, Industrie 4.0 sowie bei dezen­tralisierten Smart-Grid-Anwendungen. Als Smart Grids bezeichnet man intelligente Stromnetze, die Stromerzeuger, Speicher und Verbraucher für eine optimale Energieversorgung miteinander vernetzen. „Diese Anwendungsbereiche bestimmen gegenwärtig die technologische Evolution in Richtung 5G.“

Werden also mit dem neuen Standard in erster Linie neue Services möglich oder tatsächlich auch neue Geschäftsmodelle, die heute noch nicht denkbar sind? „5G wird das Thema Digitalisierung aufgrund der umfassenden Vernetzung vorantreiben“, ist sich Lemke sicher. „Die Frage nach neuen Geschäftsmodellen ergibt sich daher eher aus dem Zusammenhang mit der Digitalisierung, der Tatsache, dass Daten immer stärker die Grundlage für Wertschöpfung und Geschäftstätigkeit werden. Natürlich werden sich im Zuge dieses Wandels wahrscheinlich neue Geschäftsmodelle ergeben.“ Davon würden all diejenigen profitieren, die die Digitalisierung als Chance begreifen.

Eines ist unbestritten – 5G ermöglicht neue Geschäftsmodelle und Anwendungen, sowohl für die Industrie als auch für Privatanwender. Angesichts des derzeitigen Hypes rund um 5G stellt sich dennoch die Frage, ob die neue Technik letztlich doch nur eine Fortentwicklung ist – wie es die Experten des Bankhauses HSBC sehen. Und vor allem: Lohnen sich die immensen Investitionen für die Netzbetreiber überhaupt?

Auch wenn mit 5G innovative Geschäftsmodelle wie vernetzte Autos, intelligente Stromzähler oder schlaue Straßenlaternen zu erwarten sind – mit einem ordentlichen und lückenlosen Ausbau des aktuellen Mobilfunkstandards LTE/4G mit maximaler Geschwindigkeit ließen sich viele Geschäftsmodelle auch heute schon problemlos flächendeckend umsetzen. „4G kann noch auf lange Sicht einen Großteil der verschiedenen Kundenansprüche an mobile Anwendungen befriedigen“, so Helge Erik Lüders von Telefónica Deutschland.