5G

Definition von 5G

Als 5G bezeichnet man die fünfte Generation des Mobilfunks. Der Standard wird in Deutschland, seit 2019 die Frequenzen durch die Bundesnetzagentur versteigert wurden, kontinuierlich eingeführt: die neueste Mobilfunkgeneration ist also nicht nur eingeführt, sondern findet allmählich auch eine immer größere Verbreitung. 5G war laut einer Erhebung der Bundesnetzagentur im Oktober 2021 schon in 53 Prozent des Landes von mindestens einem Mobilfunkanbieter verfügbar. Diese Zahl sollte sich in den kommenden Jahren deutlich erhöhen: bis Ende 2025 will die Deutsche Telekom 99 Prozent der Bevölkerung mit 5G-Zugang versorgen können. Dabei ist eine Abdeckung von 90 Prozent der Landesfläche vorgesehen. Es gibt also noch viel zu tun.

Warum braucht es 5G?

Aber warum ist 5G so wichtig? Die Bedeutung von 5G zeigt sich vor allem als eine Basis für Verbreitung von Innovationen. 5G hat für einige Zukunftstechnologien eine eklatante Bedeutung und ist in manchen Fällen gar Voraussetzung. Dazu gehört das Internet of Things (IoT), das autonome Fahren und Industrie 4.0 und Edge Computing. Die Anwendungsbereiche für 5G lassen sich grob in drei Segmente aufteilen. Die Dienstkategorien für 5G sind:

1. Die Verbesserung der mobilen Breitbandverbindung: Enhanced Mobile Broadband (eMBB)

Möglichst viele klassische mobile Endgeräte, wie beispielsweise Laptops- und Smartphones sollen mit hohen Datenraten versorgt werden können. Oder einfacher: schnelles Internet für alle! Hier tritt 5G also sowohl die Nachfolge von LTE-Advanced an als auch in Konkurrenz mit den bereits vorhandenen Möglichkeiten des Internetzugangs, wie zum Beispiel dem Kabelinternetzugang. Der meiste Ausbau hat in den ersten Jahren der Einführung in dieser Dienstkategorie stattgefunden.

2. Die Kommunikation von Maschinen untereinander – Machine to Machine (M2M). Und zwar im ganz großen Stil. Hier spricht man von Massive Machine Type Communication (mMTC)

Viele vor allem kleine Geräte mit vergleichsweise geringen Datenraten und einem niedrigen Energieverbrauch müssen verbunden werden. Vor allem im Internet der Dinge (IoT) und seinem industriellen Gegenstück dem Industrial Internet of Things (IIoT) ist das unabdingbar. Logisch! Wenn man beispielsweise in der Landwirtschaft riesige Felder mit Sensoren ausstatten würde, um die Versorgung mit Nährstoffen und Wasser zu optimieren und überwachen, sind viele Verbindungen notwendig.

3. Die Stichworte sind Echtzeit und Zuverlässigkeit: Ultra reliable low latency communications (uRLLC)

Besonders beim autonomen Fahren oder in der Industrie werden zuverlässige Verbindungen mit einer möglichst geringen Latenz benötigt. Die Kommunikation muss also nahezu in Echtzeit erfolgen und ein Ausfall könnte große Konsequenzen nach sich ziehen. Als zuverlässig gilt eine Verbindung, wenn sie 99,999 Prozent der Zeit garantiert werden kann. Dies wird als gleichwertig zu anderen Anbindungsformen wie Glasfaserverbindungen angesehen.

Vorteile von 5G

Die fünfte Generation der Mobilfunktechnik bringt einige Vorteile mit sich. Welche Vorteile sind das? 5G hat höhere Datenraten, eine geringere Latenz, unterstützt eine größere Anzahl an gleichzeitigen Verbindungen und verbraucht weniger Energie. Die 5G-Technologie erlaubt laut Spezifikation Datenraten von theoretisch 10 Gigabit pro Sekunde, zukünftig stehen sogar schon bis zu 20 Gigabit pro Sekunde im Raum. Zum Vergleich: die Erweiterung des Vorgängers 4G, auch als LTE („Long-Term-Evolution“) bezeichnet, LTE-Advanced erlaubt lediglich bis zu 1 Gigabit pro Sekunde im Download. Ein deutlicher Unterschied. Mit 5G können mehr Benutzer und angeschlossene Geräte bedient werden. Erreicht werden soll dies durch eine höhere Zelldichte. Ein weiterer Vorteil von 5G ist die geringere Verzögerung: die Latenzen sinken auf wenige Millisekunden, im Extremfall bei uRLLC-Diensten auf unter 1 ms. Bei LTE-A kann man von Latenzzeiten zwischen 15 und 80 ms ausgehen. Aber Achtung: in der echten Welt gibt es wesentlich mehr zu beachten als diese Latenz. Die Latenzzeiten beziehen sich hier auf die Luftschnittstelle also die Verbindung von Gerät zu Bodenstation. Werden etwa Daten von einem Server abgerufen, kann die Verarbeitung von Daten durch den Server natürlich ein Flaschenhals sein. 5G-Anbindungen lösen dieses Problem nicht.

Kein alleiniger Heilsbringer

Der 5G-Standard darf somit in keinem Fall als Heilsbringer verstanden werden. Zumal Ziele nicht immer erreicht werden: auch bei den Vorgängern gab es Ziele, die nicht vollumfänglich erreicht werden konnten. Was zählt ist die Praxis. Dies gilt auch für einen weiteren theoretischen Fortschritt der 5G-Technologie. Diese ist wesentlich energieeffizienter. Durch die Notwendigkeit von mehr Standorten im Hochfrequenzbereich wird der Energiebedarf in Summe nämlich trotzdem höher. Auch der steigende Energieverbrauch der Endgeräte bei der Übertragung von großen Datenmengen könnte hier einen zusätzlichen Effekt haben. Mehr Hardware braucht auch mehr Ressourcen, inklusive dem Energieverbrauch entlang der Produktionskette. Es bleibt also fraglich, ob ein Umstieg auf 5G also am Ende nicht nur energieeffizienter, sondern auch energieeffektiver ist.

Steigende Komplexität der Netze

Mit 5G wird es größere räumliche Abweichungen in der Standortdichte geben. Die Standorte werden sich auch optisch und von der Leistungsfähigkeit her deutlicher voneinander unterscheiden, als es bisher üblich war. Klar! Denn wenn auf der Millimeterwelle – den Teilen des Frequenzspektrums die 5G benutzt, die die Vorgänger nicht verwenden – müssen die Abstände zwischen den Standorten mit Mobilfunkantennen geringer sein. Dann ist eine gute Abdeckung gewährleistet, aber wesentlich mehr Standorte nötig. Neben den Bereits üblichen Funkmasten sind auch kleine Boxen an beispielsweise Laternen- oder Ampelmasten denkbar. Die Vielzahl der zum Teil konkurrierenden Anforderungen an 5G sorgen außerdem dafür, dass es kein gleichförmiges 5G-Netz für alle geben wird. Viele individuelle, virtuelle Spezialnetze, die auf die jeweiligen Anwendungen zugeschnitten sind, werden die Norm.

Die Herausforderungen der Einführung von 5G

Jede neue Technologie bringt auch ihre Tücken mit sich. Neben den Schwierigkeiten beim großflächigen Ausbau von jeder Art von Infrastruktur, die durch die Notwendigkeit von mehr Standorten verschärft werden, gibt es auch andere Hindernisse für den Ausbau von 5G. Neue Technologien sorgen oft für Angst und Skepsis. Auch im Falle von 5G gibt es eine lautstarke Minderheit in der Gesellschaft, die sich um die Folgen für die Gesundheit durch aus ihrer Sicht immer größere Strahlenbelastung macht. Generell lässt sich so viel sagen: 5G verwendet nicht-ionisierende Strahlung, d.h. das Erbgut wird nicht verändert. Mobilfunkstrahlung hat nicht genügend Energie, um Erbgut zu brechen. Für Mobilfunknetze gelten in Deutschland strenge Grenzwerte, was die Angst relativieren sollte. Negative Auswirkungen von 5G auf die Gesundheit sind wissenschaftlich derzeit nicht belegt. Ende 2022 wird eine Risikoeinschätzung der Weltgesundheitsorganisation WHO erwartet, die das gesamte Frequenzspektrum, also auch die 5G-Frequenzen, betrifft.

5G für Rechenzentren

Gerade im Zusammenhang mit uRLLC und mMTC werden 5G-gestützte Edge-Mini-Rechenzentren immer interessanter. Damit die Vorteile von 5G bei kritischer Infrastruktur genutzt werden können, braucht es eine entsprechend nahe und schnelle Datenverarbeitung, damit neben der theoretischen Latenz von 5G auch die anderen Faktoren, die im realen Anwendungsfall für Verzögerung bei der Datenverarbeitung und Weitergabe existieren, gering bleiben. 5G begleitet uns in eine interessante Zukunft – auch in Rechenzentren.