Neuer Mobilfunkstandard 5G

Die fünfte Dimension

Hochautomatisiertes Fahren, Industrie 4.0, Virtual Reality: Damit Visionen der digitalen Zukunft Wirklichkeit werden, müssen Milliarden von Geräten in Bruchteilen von Sekunden miteinander kommunizieren. Die wichtigste Voraussetzung dafür ist eine neue, drahtlose Übertragungsinfrastruktur: 5G.

Text Matea Prgomet

Anfang 2018 sollen in Südkorea Olympische Winterspiele der Superlative stattfinden. Diese Spiele versprechen die ultimative „Sportlererfahrung“ für den Zuschauer vom heimischen Sofa aus. Mittels Rundum-Kameras und Hologramm-Aufnahmen soll der Zuschauer live miterleben, wie ein Skispringer mehrere hundert Meter in die Tiefe gleitet und Bobfahrer durch enge Eistunnel rasen. Mittels 3D-Brille können sich Zuschauer dabei in die Lage der Athleten versetzen lassen. So zumindest lautet der Plan. Das könnte ein Testlauf sein für den nächsten Schritt in eine digitale Zukunft.

Bereits bis 2020 sollen erste Mobilfunknetze mit dem Mobilfunkstandard der nächsten Generation, 5G genannt, ausgestattet sein. Dabei ist 5G weit mehr als eine bloße Erweiterung des aktuellen 4G-Standards. »Es geht darum, ein universelles Netz für die drahtlose Kommunikation von Geräten mit unterschiedlichsten Anforderungen zu schaffen“, sagt Johannes Dommel, der am Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, in Berlin zum 5G-Standard forscht.

Die kommende fünfte Generation des Mobilfunks soll die Grundlage für technische Innovationen im Bereich Industrie, Mobilität, Energie und Gesundheit sein. Hochautomatisiertes Fahren erfordert beispielsweise, dass Autos sicher und ultraschnell miteinander kommunizieren können. Im Bereich der Telemedizin könnten Ärzte Patienten so auch aus großen Entfernungen behandeln beziehungsweise könnten hochspezialisierte Chirurgen von einem anderen Ort zugeschaltet werden und Operationen über Telepräsenz begleiten. Das smarte Wohnen von Menschen mit körperlichen Beeinträchtigungen soll ebenso erleichtert werden wie die Energiewende auf Basis von intelligenten Netzen, sogenannten Smart Grids.

„Die Anforderungen, die sich daraus ergeben, stellen dabei völlig neue Herausforderungen dar. „Will man nun – wie im Fall von 5G – den Datenverkehr um den Faktor 10.000 beziehungsweise die Anzahl der teilnehmenden Geräte um den Faktor 100 steigern, so erfordert das völlig neue Konzepte“, erklärt der Experte. „Für 5G werden daher verschiedene Technologien kombiniert, etwa die Erschließung neuer Frequenzbereiche oder der Einsatz massiver Mehrantennensysteme.“

Konkret bedeutet das: „Das elektromagnetische Spektrum, also die zur Verfügung stehende Bandbreite, ist eine der wichtigsten Ressourcen im Mobilfunk“, so Dommel. Man muss versuchen, das ohnehin schon stark begrenzte und reglementierte Frequenzspektrum weiter auszubauen. „Der normale Mobilfunk arbeitet im Frequenzbereich zwischen circa 0.8 und 2,6 Gigahertz. Für 5G werden daher Bereiche bis zu 60 Gigahertz evaluiert“, erläutert Dommel. „Hinter den Mehrantennensystemen verbergen sich sogenannte Multiple-Input-Multiple-Output-Systeme, kurz Massive MIMO, die die Übertragungskapazität drastisch erhöhen können. Man stelle sich vor: Anstatt einer Sendeantenne hat man hunderte pro Basisstation zur Verfügung.“

 

Unvorstellbares Tempo

Während die Aussichten vielversprechend sind, ergeben sich im Hier und Jetzt noch allerlei Probleme, die ein komplexes Netz wie 5G mit sich bringt. Eins ist beispielsweise die Erhöhung der Ausfallsicherheit. Immer noch kennen Mobilfunkkunden Netzlöcher, abgebrochene Telefonate und stockendes Internet. Soll künftig aber die Sicherheit von Passagieren oder das Leben von Patienten von einer Datenverbindung abhängen, dann müsste diese stets zuverlässig funktionieren. 5G soll dafür Eigenschaften des klassischen Mobilfunks mit WLAN und anderen Techniken kombinieren. Dieses Supranetz soll auch bei sehr hoher Geschwindigkeit in Autos, Zügen und sogar Flugzeugen funktionieren.

Das drahtlose Internet der Dinge soll ein Tempo ermöglichen, das der menschlichen Reaktionszeit von rund einer Millisekunde entspricht – was von Ingenieuren als Taktiles Internet bezeichnet wird. Die Zauberformel für die Zukunft dürfte lauten: Zwei Gigabit pro Sekunde Download bei weniger als drei Millisekunden Verzögerung. Was in etwa bedeutet: Ein hochauflösender Kinofilm in Full HD-Qualität könnte innerhalb einer Sekunde auf das Smartphone geladen werden.

Solche, heute noch ungewöhnlich schnellen, Ladegeschwindigkeiten erfordern neben einem funktionierenden 5G-Datennetz zusätzlich Mobile Edge Clouds. Das sind Rechenzentren, die in der Nähe von Sendemasten die notwendigen Informationen speichern und verarbeiten. Das „Edge“ im Namen steht hierbei nicht etwa für den alten Mobilfunkstandard gleichen Namens, sondern für eine neue Art von dezentralen IT-Systemen. Diese „Mini-Clouds“ sollen sich zukünftig an jeder Straßenecke befinden und wären damit immer so nahe wie möglich am Geschehen, um die Übertragungszeiten so gering wie möglich zu halten.

Hochautomatisiertes Fahren etwa basiert auf unzähligen Sensorinformationen, die konstant ausgewertet werden müssen. In unter einer Millisekunde muss eine mehrfache Hin- und Rückkommunikation stattfinden. Damit dies möglich ist, darf die Information nicht allzu weite Strecken zurücklegen. Die Signale könnten dabei in einer Millisekunde 300 Kilometer überbrücken. Werden sie aber erst in eine weit entfernte Zentrale geschickt, dort verarbeitet und dann wieder zurückgesendet, ist der Unfall längst passiert, bevor die beteiligten Fahrzeuge gewarnt werden.

 

Sicherheit ist unabdingbar

Damit all das möglich wird, ist auch in Zukunft Sicherheit unabdingbar. „Die Übertragung sowie die Analyse der Daten muss bereits auf der Luftschnittstelle robust sein. Besonders sicherheitskritische Anwendungen müssen vor Angriffen geschützt sein“, sagt der IT-Spezialist Dommel. Erst wenn die Sicherheit gegeben ist, kann sich 5G und damit die zunehmende Verknüpfung zwischen Mensch und digitaler Welt weiterentwickeln. „Ein Ziel von 5G ist es, die Kommunikation im Hintergrund laufen zu lassen. Wir sollen nicht bemerken, dass wir verbunden sind, wenn zum Beispiel das Auto mit der Werkstatt, der Kühlschrank mit dem Supermarkt oder die Puls-Uhr mit dem sozialen Netzwerk kommuniziert“, so Dommel.

Ob das schon zu Olympia 2018 so weit sein wird? Johannes Dommel ist gespannt. Selbst die Olympischen Spiele 2020 in Tokio sind eine große Herausforderung – obwohl die Japaner wie auch die Südkoreaner längst das Ziel von 5G-Spielen ausgerufen haben.