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5G: So funktioniert der neue Mobilfunk-Standard

Die logische Weiterentwicklung von LTE (4G) heißt 5G. Das revolutioniert die Mobilfunknutzung, da mit einem neuen Netz gleich mehrere Netz-Architekturen gebaut und Anforderungen erfüllt werden.

Von Kai Petzke / Henning Gajek

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Es gab bei den letzten Mobile-World-Congress-Terminen (vor Corona) in Barcelona keinen Ausrüster und kaum einen Netzbetreiber, der nicht seine Produkte und Ideen für das "Zaubernetz" 5G präsentierte. Die Deutsche Telekom hatte schon 2015 im Rahmen der von ihr stark unterstützten NGMN-Initiative ("Next Generation Mobile Network") zur Pressekonferenz gerufen. "2020 muss das neue Ding da sein", forderte der damalige Telekom-CTO Bruno Jacobfeuerborn klar und unmissverständlich. Und der Termin hat hingehauen.

Lange war nicht so ganz klar, wie das "neue 5G-Ding" aussehen könnte. Längst sind zahllose 5G-Netze in Betrieb. Wir geben einen Einblick in das, was 5G möglich machen kann.

5G hat die Grenzen dessen, was überhaupt mit Mobilnetzen möglich ist, erheblich erweitert. Die Entwicklung läuft in mehrere Richtungen gleichzeitig: Von "ultra-schnell" (ein bis mehrere Gigabit pro Sekunde in einer Zelle; mindestens 50 bis 100 MBit/s beim individuellen Nutzer) über "ultra-schnelle Antworten" (Ping-Zeiten) bis hinunter zu 1 ms Antwortzeit vom Netzwerk, statt derzeit typisch 30-50 ms) hin zu "ultra-sparsam" (Dauerbetrieb eines per Mobilfunk angebundenen Sensors mit einer handelsüblichen Batterie für zehn Jahre) reicht das Spektrum.

Endgeräte können auch direkt mit anderen Endgeräten Daten austauschen, zwar autorisiert über die Basisstation, aber ohne Umweg über die Basisstation. Nicht zuletzt: Die von den Netzen transportierte Gesamtdatenmenge hat sich vervielfacht und kann sich bald vertausendfachen, während der Gesamtstromverbrauch sinken soll, das Ziel wäre eine Halbierung.

Herausforderung angenommen

5G kann eigentlich 2 stellig, wenn auch nicht überall. 5G kann eigentlich 2 stellig, wenn auch nicht überall.
Bild: teltarif.de Es gehört zu den Gesetzen der Branche, dass solche Herausforderungen in der TK-Industrie regelmäßig eine gewisse Aufbruchsstimmung auslösen. Die technologischen Entwicklungen, die darauf basierenden Standardisierungen, die konkreten Produktentwicklungen und die nötigen Interoperabilitätstests sind ein permanent sich weiter entwickelnder Prozess.

Zwei Jahre vor dem eigentlichen Wunschtermin startete 5G in Süd-Korea (zur Winter-Olympiade 2018). Fix war die Schweiz (5G seit 2019), und auch in Deutschland gingen bereits 2019 die ersten 5G-Netze bei der Telekom und Vodafone in den öffentlichen Wirkbetrieb, wobei Vodafone für sich reklamiert, "erster" gewesen zu sein.

In den USA ist "5G-America" sehr weit vorangeschritten. T-Mobile USA nimmt für sich in Anspruch, das größte 5G-Netz "nationwide" zu betreiben, was nach allem, was bekannt ist, wohl stimmt.

Entwicklung beschleunigt sich

2015 zeigte Ericsson auf dem Mobile World Congress ein "mobiles" Endgerät ("mobil" im Sinne von: "kann geschoben werden") mit 5 GBit/s. Der südkoreanische Netzbetreiber SK Telecom gab damals an, darüber schon 7,5 GBit/s erreicht zu haben. 2016 hatten Ericsson, ZTE und viele andere bereits die 20 GBit/s überschritten. Und das ist noch lange nicht das Ende der Fahnenstange.

Doch bei aller Begeisterung heißt es aufpassen: Nicht überall, wo 5G draufsteht, ist wirklich 5G drin. In den USA beispielsweise zeigen bestimmte Handys auch in den 4G-LTE-Netzen mitunter bereits "5G" an.

Dutzende oder gar hunderte Antennen auf einmal

Die Steigerung der Gesamtkapazität eines Netzes kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden:

Bessere Modulation
angepasste Duplex-Verfahren
bis hin zu full duplex
Verdichtung der Zellen
Nutzung breiterer Frequenzbänder
mehr Antennen pro Zelle

Eine Maßnahme alleine reicht dabei nicht. Man kommt nicht umhin, mehrere Maßnahmen zu kombinieren, um die Ziele zu erreichen.

Massive-MIMO-Antenne von ZTE Massive-MIMO-Antenne von ZTE
Bild: teltarif.de ZTE zeigte in Barcelona eine angesichts der 256 einzelnen enthaltenen Antennen, Endverstärker, Empfänger und zugehörigen Baseband-Einheiten erstaunlich kompakte massive-MIMO-Antenne. Diese versorgte mit einem lediglich 20 MHz breiten LTE-Frequenzband im sogenannten TDD-Modus (in diesem senden Basisstation und Endgeräte abwechselnd auf derselben Frequenz) insgesamt ein Dutzend normale LTE-Endgeräte mit jeweils um die 35 MBit/s. In Summe wurden somit gut 400 MBit/s in einer Zelle übertragen. Mit herkömmlichen 4x2-MIMO (4 Antennen auf Seiten der Basisstation, je zwei im Endgerät) und TDD wäre hingegen nur ein Viertel dieser Gesamtbandbreite erreicht worden.

Möglichkeiten und Limitierungen von MIMO und Beamforming

ZTE stellte die Möglichkeiten und Grenzen vor: Deutliche Bandbreitensteigerung als auch die Limitierungen von MIMO und Beamforming: Die Ver-64-fachung der Zahl der Antennenelemente auf der Seite der Basisstation bringt nur eine Vervierfachung des Gesamtdurchsatzes. Kritiker geben immer wieder zu bedenken, dass MIMO ständig "over promised" und "under delivered" gewesen sei.

MIMO allein kann die nötige Kapazitäts-Erweiterung nicht leisten. Deswegen wird fortlaufend über weitere, zusätzliche Frequenzbänder nachgedacht und diskutiert. In den USA sind bereits 26 GHz und 60 GHz (sogenannte Millimeterwellen) in Benutzung, in Europa sind diese Frequenzen noch nicht vergeben. Strahlengegner bekommen schon "Kopfschmerzen", wenn sie über diese Frequenzen nur nachdenken.

Welche Probleme diese jedoch mit sich bringen, lesen Sie auf Seite 2 unseres 5G-Artikels.