Fakten

5G: Vom Hype zur Ernüchterung

teltarif.de-Autor Henning Gajek hat alle Mobil­funk­netze vom A-Netz bis 5G erlebt und erprobt. Er gibt einen kurzen Über­blick zur Vorge­schichte bis zum aktu­ellen Stand der Dinge.
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Jedes Mal, wenn eine neue Mobil­funk­genera­tion am Hori­zont erscheint, über­schlägt sich die Branche, erwartet Wunder, verspricht Wunder, neue Geschäfts­modelle, neue Anwen­dungen und Möglich­keiten. Henning Gajek gibt einen kurzen Über­blick zur Vorge­schichte bis zum aktu­ellen Stand der Dinge beim Wunder-Netz 5G.

1G: Am Anfang war alles analog

Mobilfunktechnologie von links A-Netz, C-Netz, B-Netz, in der Hand ein GSM-Handy (von Motorola)Mobilfunktechnologie von links A-Netz, C-Netz, B-Netz, in der Hand ein GSM-Handy (von Motorola) Als der zellu­lare Mobil­funk (im dama­ligen West­deutsch­land) mit "1G" begann, sprach noch niemand vom Begriff "1G". "Auto­telefon", also mobiles Tele­fonieren im Auto war der pure Luxus. Die wenigen Kunden ärgerten sich eher, dass an den Landes­grenzen meist Schluss war, von wenigen spezi­ellen Ausnahmen abge­sehen. (Das B-Netz konnte hand­vermit­teltes Roaming in Nieder­lande, Luxem­bourg und Öster­reich). Der in der Schweiz verwen­dete NMT-Stan­dard konnte Roaming mit den skan­dina­vischen Staaten (DK, S, N, FI).

2G: Die zweite Genera­tion

Vermutlich das beste GSM-Handy, was Nokia je gebaut hat: Das Nokia 6310i.Vermutlich das beste GSM-Handy, was Nokia je gebaut hat: Das Nokia 6310i. Die zweite Genera­tion des Mobil­funks ab 1991 war erst­malig richtig digital und von der deutsch-fran­zösi­schen Arbeits­gruppe "Groupe Special Mobile" (=GSM) entwi­ckelt worden. Diesen Namen deutete man schnell in "Global Stan­dard for mobile Commu­nica­tions" um. Nachdem die USA bei einer Technik-Konfe­renz mit einem in Licht­geschwin­digkeit montierten und voll funk­tionie­renden Test­netz der Swisscom auf ameri­kani­schem Boden über­zeugt worden waren, begann der Siegeszug. Die USA wech­selten nur die GSM-Frequenzen auf 850 und 1900 MHz, weil 900/1800 MHz in den USA für Mobil­funk nicht zur Verfü­gung standen.

Schon bei GSM wurden raffi­nierte Tech­niken ange­wendet. Beispiels­weise diese: Wir senden ein Signal, dessen Original der Empfänger schon von andersher kennt. Das empfan­gene Signal wird auf der Funk­strecke "gestört", kommt also fehler­haft an. Anhand des bekannten "Origi­nals" kann der Empfänger sich nun "ausrechnen", wie er die "fehler­haften" Ergeb­nisse "korri­gieren" oder "umrechnen" muss, damit es doch noch passt.

2G: Vorteile eines welt­weiten Systems - Daten zu langsam

Schnell setzten sich die Vorteile eines globalen welt­weiten Systems durch. Nur mit der Daten­über­tragung war es bei 2G nicht wo seit her. Mit CSD (Circuit Swit­ched Data) erreichte man 9600 Bit/s, mit HSCSD (High Speed Circuit Swit­ched Data), was nur Mannes­mann/Voda­fone und E-Plus in ihren Netzen frei­gaben (Telekom jedoch nicht) gingen dann noch "bis zu" 14 400 Bit/s.

Grund­lage Paket­daten

Einen echten Fort­schritt brachte die paket­vermit­telte Tech­nologie (GPRS/EDGE 2,5G), welche die Daten­raten auf 100-200 kBit/s hoch­schraubte. Diese Paket-Technik wurde im Grund­prinzip bis heute beibe­halten. Man muss sich das wie einen Güterzug vorstellen, in dessen Loren-Anhänger Daten­pakte einge­laden und ausge­laden werden. Diese Züge verkehren wie eine U-Bahn in einem bestimmten Zeit­takt auf der Strecke.

Was damals "schnell" war, ist heute lang­weilig

3G oder Universal Mobile Tele­commu­nica­tion Systems (UMTS) lockte mit damals sensa­tionellen 384 kBit/s, die wir heute eher als "langsam" bezeichnen würden. Mit verbes­serten Proto­kollen ließ sich 3G per HSDPA (High Speed Down­load Packet Access), HSUPA (High Speed Upload Packet Access), heute HSPA (High Speed Packet Access) noch in die MBit/s-Liga aufsteigen. Aber UMTS hat ein Problem: Ist eine Zelle voll, dann "leiden" alle Nutzer drunter, nicht nur die, die nicht mehr rein kommen. Das zweite Problem: UMTS basierte auf Code Divi­sion Multiple Access (CDMA), eine Technik, die weit­gehend auf Patenten von Qual­comm beruhte, die ihr Wissen nicht ganz unei­gennützig weiter­geben wollten.

Wie funk­tioniert 3G?

Um 3G zu verstehen, stellen wir uns einen Raum vor, in dem sich Leute unter­halten. Am besten in verschie­denen Spra­chen oder Dialekten. Sind wenige Leute im Raum, verstehen sie sich gut. Sind mehr Leute da, spricht man lauter (die Zelle atmet), ist der Raum über­füllt, hilft auch Schreien nichts mehr.

Das Erkennen der Spra­chen oder Dialekte ("Codes") ist rechen­aufwendig und erfor­dert hohe Rechen­leis­tungen, die ersten Handys wurden gut warm und brauchten die Akkus schneller leer, als man schauen konnte.

Und was bringt 4G?

Das Innenleben einer LTE (4G) Sendestation von Telefónica im Berliner Untergrund.Das Innenleben einer LTE (4G) Sendestation von Telefónica im Berliner Untergrund. 4G oder Long Term Evolu­tion (LTE) ist die Basis des heutigen Mobil­funks - bis einschließ­lich 5G! Ohne 4G funk­tioniert 5G derzeit nicht. Die Physik hinter LTE ist OFDMA, was für "Ortho­gonal Frequency Divi­sion Mult­plex" steht. Hier werden verschie­dene Frequenzen verwendet und man schickt die Funk­wellen gleich­zeitig in verschie­denen Winkeln durch den Raum. Dazu stellen uns Sinus­wellen vor, die nicht nur auf-ab-schwingen, sondern dabei auch gedreht oder gekippt werden. Dadurch entsteht ein komplexes drei­dimen­sionales Bild.

CA "klebt" Frequenzen zusammen

OFDMA nutzt die Frequenzen schon recht gut aus. Frequenzen sind kostbar, sollen also optimal genutzt werden. Mit LTE wurde die Technik der Carrier Aggre­gation (CA) einge­führt, die man auch als LTE-A (LTE-Advanced) bezeichnet. Der Trick ist folgender: Weil es nur bestimmte Frequenz­bereiche gibt, die meist zu klein sind, nimmt man verschie­dene und "klebt" sie zu einem größeren (brei­teren) Signal zusammen. Dadurch bekommt man genü­gend Band­breite, um höhere Daten­raten zu ermög­lichen.

Heutiges 5G ist derzeit eher 4,9G

Bei 5G-NR (New Radio), was im Moment eher ein 4,9G ist, werden diese mathe­matisch komplexen Verfahren noch besser ausge­nutzt. Dazu kommt, dass man die Antennen hinter dem Nutzer "her bewegt", um bestimmten Nutzern ein opti­maleres Signal (= mehr Geschwin­digkeit) als einem anderen Nutzer zu geben. Bei 5G können viel mehr Nutzer auf einer kleinen Fläche bedient werden, als es vorher möglich war. (Der Korrekt­heit halber: Die Antennen bewegen sich nicht, durch die Kombi­nation vieler kleiner Einzel­antennen, wird funk­tech­nisch eine "Bewe­gung" reali­siert.)

5G-NSA

5G braucht im Moment noch 4G als Basis. Man nennt das auch den Non-Stand-Alone-Modus, kurz NSA, der mit dem ameri­kani­schen Geheim­dienst (National Secu­rity Agency) nichts zu tun hat. Die nächste Stufe von 5G wird dann der SA-Mode (Stand Alone) Modus sein.

Wer ist 3GPP?

Die Erfolgs­gerichte von GSM wurde von der GSMA (Global Stan­dards for Mobile Commu­nica­tion Asso­ciation) begründet. Für die Entwick­lung von 3G wurde die Third Genera­tion Public Part­nership (3GPP) gegründet, die sich seitdem mit der Normung von 3G, 4G, 5G und bald 6G beschäf­tigt, und zwar zwischen Staaten/Regie­rungen ("Public") und Herstel­lern ("Private"). Aktuell ist Release 16 gültig, der 5G NR (New Radio) NSA (siehe oben) defi­niert.

Mit Release 17 wird 5G dann "selbst­ständig", man könnte also ein eigenes 5G-Netz aufbauen und betreiben.

Wie ist das mit den Frequenzen?

Funk­frequenzen gibt es viele, aber sie reichen nicht, müssen also sorg­fältig geplant und genutzt werden.

Nied­rige Frequenzen reichen sehr weit. U-Boote beispiels­weise sind per Funk auf Längst­wellen (VLF) zu errei­chen, aber die Band­breite (also die Daten­mengen, die man zu einer Zeit errei­chen kann), ist sehr sehr gering. Als die Funk­technik noch jung war, konnte man nur Morsen, eine frühe Form der Digi­talüber­tragung, es gibt Punkt (Dit) und Strich (Da).

Zellu­larer Mobil­funk begann in Deutsch­land auf 149 MHz (A-, B-Netz), später kam das C-Netz ("C-Tel") auf 450 MHz dazu. Das D-Netz star­tete auf 900 MHz und eroberte später 1800 MHz. UMTS bekam Frequenzen bei 2100 MHz = 2,1 GHz. LTE begann auf 1800 MHz (weil da noch Platz war) und eroberte dann 800 MHz und 2600 MHz. Später kamen LTE auf 700 und 900 MHz dazu.

Tech­nolo­gieneu­tral

Heutige Single-RAN-Stationen haben eine software-gesteuerte Sammlung aller Mobilfunktechnologien in einem Gehäuse.Heutige Single-RAN-Stationen haben eine software-gesteuerte Sammlung aller Mobilfunktechnologien in einem Gehäuse. Längst werden die Frequenzen tech­nolo­gieneu­tral vergeben.

Bei 5G ist die Frequenz total egal, sie muss (oder sollte) nur frei sein. Die ersten Frequenzen, die von 5G ziem­lich welt­weit genutzt werden, liegen zwischen 3,4 und 3,8 GHz, in den USA werden auch schon 26 GHz in größerem Stil erprobt, in Deutsch­land gab es nur einen (been­deten) Versuch bei o2 für funk­basierten Zugriff auf die letzte Meile (Fixed Wire­less Access = FWA).

Reich­weite vs. Band­breite

Wie jeder schon gemerkt hat, nimmt die Reich­weite mit stei­gender Frequenz ab: Ein Sender des C-Netzes (450 MHz) kam richtig weit, beim D-Netz ging es auch noch relativ gut, beim E-Netz (1800 MHz) brauchte man (grob) doppelt so viele Sende­stationen wie beim D-Netz. Bei 3,6 GHz bräuchte man also (grob) vier­fach so viele Stationen wie beim D-Netz.

Hohe Frequenzen haben viel Platz (Band­breite), d.h. man bekommt hohe bis sehr hohe Daten­raten hin. Nied­rige Frequenzen haben wenig Platz, dafür ist die Reich­weite größer.

5G findet, wie schon erwähnt, zwischen 3,4 und 3,8 GHz statt, könnte aber auch auf 2,6 oder 1,8 oder 0,9 oder 0,8 oder 0,7 GHz statt­finden. Das ist eine Entschei­dung des Mobil­funk­anbie­ters, was er machen will.

Von daher wundert es nicht, das T-Mobile USA, die auf 600 MHz funken, mit 5G nur unwe­sent­lich schneller ist als mit 4G (LTE).

Die Sache mit den super­hohen Frequenzen

In den USA (und kurz­zeitig auch in Deutsch­land) wurde 5G schon auf 26 GHz auspro­biert, eine Frequenz, die nur wenige 100 Meter reicht, solange nichts im Wege ist, was Wellen schluckt. Die erzielten Daten­raten waren absolut toll, solange man freie Sicht auf irgend­einen Sender hatte. Der Aufwand zwischen einer 26-GHz- und einer 0,9-GHz-Versor­gung ist also (grob) der Faktor 32. Es müssen, also 32 mal so viele Stationen auf 26 GHz wie vorher auf 900 MHz aufge­baut werden, um eine gleich­wertige Versor­gung hinzu­bekommen. Reine Theorie.

Mögliche Stra­tegien

Man wird versu­chen, auf möglichst nied­rigen Frequenzen (hier­zulande am tiefsten bei 700 MHz) möglichst große Flächen mit 4G/5G-Mobil­funk-Signalen abzu­decken. Für die buch­stäb­liche Milch­kanne, die ihren Füll­stand oder die Tempe­ratur an die Zentrale funken möchte, würde das absolut ausrei­chen. Überall da, wo viele Nutzer mit großem Daten­bedarf zu finden sein werden, wird man auf höheren Frequenzen verdichten, sprich Sender dazu stellen, die dann auf 1800, 2600 oder 3,4-3,8 GHz funken.

Der größte Treiber für die 5G-Entwick­lung ist die Produk­tions­indus­trie. Wenn eine Firma heute dies und morgen das produ­zieren will, muss sie ihre Fließ­bänder anhalten und umbauen und alle Geräte frisch verka­beln. Das kostet viel Zeit und Geld. Da wäre es doch schön, wenn man die Kabel sein lassen und alles "drahtlos" machen könnte.

"Drahtlos" heißt auf englisch "Wire­less". WiFi (Wire­less Fide­lity) oder WLAN (Wireles Local Area Network) funkt nach Stan­dards bei 2,4 GHz oder 5 GHz, aber diese Bänder sind hoff­nungslos verstopft mit Fern­steue­rungen, Kopf­hörern, Computer-Tasta­turen oder Mäusen, und alles ist unge­regelt. Viele Firmen versu­chen sich auf WLAN, haben aber oft Probleme.

Was Eigenes, bitte

Zu den 3 etablierten Netzbetreibern kommt für 5G noch ein 4. Anbieter dazu.Zu den 3 etablierten Netzbetreibern kommt für 5G noch ein 4. Anbieter dazu. Also möchte die Indus­trie Frequenzen haben, wo klar gere­gelt ist, wer wann wie funken kann und darf. Da der Mobil­funk­ausbau in Deutsch­land so unend­lich langsam vom Fleck kommt, verlor die Indus­trie die Geduld und fragte nach eigenen Frequenzen, um in Eigen­regie schneller ausbauen zu können. Die Idee der Campus-Frequenzen wurde geboren, die es so nur in Deutsch­land gibt.

Wie sieht der Fahr­plan aus?

Die großen Mobil­funk­anbieter bauen in Groß­städten mehr oder weniger koor­diniert 5G-Stationen aus, befinden sich aber momentan noch im Expe­rimen­tier- und Versuchs­stadium. Die ekel­haft hohen Frequenz stecken voller Über­raschungen. Wer schon ein 5G-fähiges Smart­phone mit frei­geschal­teter SIM-Karte hat, wird einige Über­raschungen erleben. Die oft propa­gierten 1 GBit/s Down­load-Rate bei 5G sind nur unter absolut idealsten Bedin­gungen möglich, d.h. freie unbe­lastete Zelle und freie Sicht auf die Antenne und kein anderer Nutzer, der per "Beam­forming" das Haupt­signal bekommt.

Die Indus­trie wird bauen

Inter­essierte Indus­trie­betriebe werden Campus-Netze mit 5G-Technik aufbauen. Teil­weise auf den exklu­siven Campus-Frequenzen, teil­weise auch auf "öffent­lichen" Frequenzen mit Hilfe eines etablierten Netz­betrei­bers wie Telekom, Voda­fone oder Telefónica und künftig (irgend­wann) viel­leicht auch 1&1-Dril­lisch.

Und wir Kunden?

Für Mobil­funk­kunden, die vor der Entschei­dung für ein Neugerät stehen, offen für neue Technik sind und dafür auch Geld ausgeben können oder wollen, kann die Kauf­entschei­dung für ein 5G-Gerät inter­essant sein, um am Puls der Zeit dabei zu sein. Die ausge­lieferten Geräte werden einige Updates bekommen, bis die Hard­ware nicht mehr geeignet ist, die Technik ist schnell­lebig.

Wer ein Handy als Arbeits­werk­zeug sieht, braucht 5G im Moment noch nicht. Man sollte unbe­dingt darauf achten, dass das gewünschte Gerät 4G (LTE) beherrscht, und zwar nicht nur für LTE-Daten, sondern auch VoLTE (Sprache über LTE) und VoWiFi (Sprache über WLAN), und der gebuchte Tarif das auch beherrscht.

Wo gibt es 5G?

In Deutsch­land wird 5G derzeit von zwei Netz­betrei­bern ange­boten, nämlich Telekom und Voda­fone. Bei beiden Anbie­tern braucht man einen aktu­ellen Lauf­zeit-Tarif, der für 5G (meist ohne Aufpreis) frei­gegeben ist, eine 5G-fähige SIM-Karte (das sollte jede SIM-Karte sein, die 3G/4G unter­stützt, ältere SIM-Karten müssen ggf. ausge­tauscht werden) und ein 5G-fähiges Endgerät. Das Angebot ist derzeit noch über­schaubar, aber ständig kommen neue Modelle dazu.

5G mit Prepaid gibt es versuchs­weise bei Voda­fone, kann aber jeder­zeit wieder abge­schaltet werden.

Der Netz­betreiber Telefónica (o2) hat den 5G-Start für 2020 auf der Agenda. Wir erwarten Stationen in Berlin, München und weiteren Ballungs­gebieten. Daneben wird Telefónica den Ausbau mit 4G in der Fläche voran­treiben müssen, wobei auch das eigene Verbin­dungs­netz­werk, das die Signale von und zu den Sende­stationen trans­portiert aufge­bohrt werden muss, denn "LTE" alleine, bedeutet nicht auto­matisch beste Daten­raten.

Rätsel­raten um Nummer vier

Der Netz­betreiber "1&1-Dril­lisch" wird mit "ausge­liehenen" Frequenzen von o2 bei 2600 MHz anfangen. Diese Frequenzen eignen sich nur für stark besuchte Bereiche (Fußgän­gerzonen, Bahn­höfe, Einkaufs­zentren). Durch die Part­nerschaft mit o2 ist davon auszu­gehen, dass 1&1-Dril­lisch schon zum Netz­start eine relativ gute Verfüg­barkeit für 2G-3G-4G-Sprach­tele­fonie haben wird. Die mögliche Daten­versor­gung wird der des o2-Netzes entspre­chen. Bis es eine nennens­werte 5G-Versor­gung geben wird, kann es noch dauern.

Auch gilt es nicht als ausge­macht, ob 1&1-Dril­lisch über­haupt mit 5G an den Start geht, wenn sich aufgrund einer poli­tisch schwer abschätz­baren Regu­lierung von Liefe­ranten (Bedenken gegen "Made in China") die geplanten Geschäfts­modelle nicht mehr rechnen sollten. Als Neuein­steiger hat 1&1-Dril­lisch nur Chancen über den Preis, der muss also spürbar güns­tiger sein als alles, was bisher da gewesen ist. Warum sollte sonst jemand dorthin wech­seln?

5G-Blick über die Grenzen

In der Schweiz gibt es es bereits kommer­ziell (für Kunden verfüg­bare) 5G-Ange­bote der Swisscom und des Heraus­forde­rers Sunrise. Als Roaming-Kunden hat man davon noch wenig, da es bislang kaum Roaming-Abkommen gibt, die dürften aber bald kommen.

In Frank­reich ist gerade die Verstei­gerung der Frequenzen ange­laufen. Man darf davon ausgehen, dass mindes­tens der Markt­führer France Telecom/Orange in Ballungs­gebieten wie Paris/Ile de France mit 5G starten wird.

In Öster­reich haben die Lizenzen nur 188 Millionen Euro (für alle Anbieter) gekostet, und 5G ist bereits bei allen drei Mobil­funk­anbie­tern Mobilkom A1, Magenta.at (ex T-Mobile) und Drei.at gestartet, derzeit eher im Groß­raum Wien.

In Tsche­chien testet o2.cz bereits 5G. Trotz des Namens hat "o2.cz" nichts mehr mit der "o2" von Telefónica zu tun, sondern gehört einem regio­nalen Anbieter, glei­ches gilt auch für o2.sk. Auch in der Slowakei wurde bereits ein 5G-Versuchs­netz getestet.

In Luxem­bourg haben die klei­neren Anbieter 5G schon auspro­biert, die "Post" wollte noch Tests abwarten.

In den Nieder­landen hielt sich hart­näckig das Gerücht, dass 5G die Ursache eines merk­würdigen Vogel­ster­bens in Den Haag gewesen sei. Das konnte jetzt wider­legt werden. Die Vögel sind zwei­fels­frei an giftigen Bestand­teilen der Eibe­beeren verendet. Alle unter­suchten Vögel hatten Rück­stände dieses Giftes in der Leber.

Belgien hingegen "verwei­gert" sich der 5G-Technik, wie es eine große Tages­zeitung berichtet, aus "Angst vor dem Strahlen-Tsunami". Die Wahr­heit ist dann doch etwas kompli­zierter, es gibt wohl noch poli­tischen Streit um regu­lato­rische Dinge, wie die Vertei­lung der mögli­chen Steu­erei­nahmen aus den Lizenzen, aber auch verstärkt verun­sicherte Bürger, die der neuen Technik nicht über den Weg trauen.

Hochpräzise Feinmechanik: Mehrkanalverstärker bei 300 GHz für den übernächsten Mobilfunkstandard 6GHochpräzise Feinmechanik: Mehrkanalverstärker bei 300 GHz für den übernächsten Mobilfunkstandard 6G In Skan­dina­vien (Däne­mark, Norwegen, Schweden, Finn­land) ist man in Sachen 5G schon weiter. Der Markt­forscher GlobalData schätzt für 2023 bereits 23,2 Prozenzt der däni­schen Mobil­funk­verträge als für 5G nutzbar, gefolgt von Portu­gual und der Schweiz (jweils 16,2 Prozent), Finn­land (15,9 Prozent) und den Nieder­lande (15,4 Prozent). In Norwegen will die ehemals staat­liche Telenor mit 5G in diesem Jahr starten, Liefe­rant wird Ericsson sein.

Und 6G?

Was 6G genau ist, wissen im Moment nur wenige. Soviel scheint klar: Noch gigan­tischere Daten­mengen, die in noch kürzerer Zeit auf noch höheren Frequenzen über­tragen werden sollen. Dabei werden physi­kali­sche Grenzen erreicht und vermut­lich früher oder später auch über­schritten. Oder auch nicht.

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