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5G: So funktioniert der aktuelle 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 / Julian Ruecker

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Einige Aussteller des Mobile World Congress waren sich schon 2016 sicher: Die 5G-Technologie wird so flexibel, dass sie 4G/LTE und 2G/GSM (nicht jedoch 3G) mit enthält, die Zauberformel lautet "Single RAN". Man kann eine 5G-Basisstation so konfigurieren, dass sie 5G-kompatibel mit LTE- oder GSM-Handys kommuniziert. 5G wird Anwendungen abdecken, die von unter dem, was derzeit mit GSM möglich ist, bis weit über das reichen, was 4G/LTE entspricht. "Unter GSM" bedeutet insbesondere niedrige Bitraten und einen niedrigen Energieverbrauch, aber auch nur niedrige nötige Feldstärken am Ort des Modems, und "über LTE" bedeutet besonders hohe Bitraten und kurze Ping-Zeiten.

5G NB-IoT, Massive MIMO

Einige der neuen Funktionen von 5G, vorwiegend Massive MIMO und NB-IoT, sind bereits in 4G implementiert. Insbesondere auf den derzeit mit 4G benutzten Frequenzen bei 700, 800, 1800 und 2600 MHz ist ein Mischbetrieb von 4G und 5G möglich (5G DSS), indem Parametersätze (etwa Kanalbandbreite und Frame-Länge) verwendet werden, die mit einem 4G-Betrieb kompatibel sind. Auf den neuen "reinen" 5G-Frequenzen zunächst bei 3,6 GHz werden hingegen auf 5G optimierte Parameter verwendet werden, vornehmlich kürzere Frame-Längen für kürzere Ping-Zeiten und höhere Bandbreiten für höhere Maximalbitraten.

Übergang von 4G auf 5G ohne harten Schnitt

Das Reno 5G von Oppo, eines der ersten 5G-fähigen Handys. Das Reno 5G von Oppo, eines der ersten 5G-fähigen Handys.
Foto: Swisscom Anders als beim Wechsel von 3G zu 4G gibt es beim Übergang von 4G zu 5G keinen harten Schnitt, wenn man von der offiziell verkündeten kompletten Abschaltung der 3G-Technologie (UMTS) im Jahr 2021 absieht.

NSA - Ihr seid nicht alleine

5G verwendet ein neues Modulationsverfahren, um die Signale (Sprache, Daten) über den Funkkanal zu transportieren. Es wird "NR" (= New Radio) genannt. Dabei werden neue noch effizientere Modulationsverfahren verwendet. Im Hintergrund ist aber noch ein 4G-Kern-Netzwerk (Core) notwendig und deshalb wird das auch als "Non-Stand-Alone" (NSA) bezeichnet. Das erleichtert den Übergang. Der künftige Netz-Grundausbau wird weiter aus 4G (LTE) bestehen, was dann in "Hotspots" (wo viel Kapazität oder Bandbreite oder kurze Latenzen gebraucht werden) um 5G erweitert wird.

Zunächst wird 5G-NR nur im Downstream eingesetzt. Zur Steuerung und zum Upload der Daten oder zum Abtransport dahinter ins Netz bleibt vorerst noch 4G (LTE) im Spiel. Nach NSA folgt als nächste Stufe "Stand Alone" oder kurz SA. Bei 5G-SA braucht die Anlage keine 4G-Unterstützung mehr. 5G-SA gibt es schon, im Augenblick aber überwiegend in sogenannten Campus-Netzen, das sind abgeschlossene "private" Netze für Firmen, Forschungsunternehmen oder die Landwirtschaft. Es ist aber jetzt schon absehbar, dass 5G-SA auch in öffentlich nutzbaren Netzen zum Einsatz kommen wird. Erst mit 5G-SA können alle Vorteile von 5G richtig ausgenutzt werden.

5G flächendeckend?

In der politischen Diskussion wird 5G gerne mit flächendeckender Netzversorgung (bis zu letzten "Milchkanne") verwechselt. Auf den dafür anfangs gedachten Frequenzen bei 3,6 GHz wäre das logistisch und wirtschaftlich kaum möglich. Diese Frequenzen, und künftige noch weiter oberhalb, haben eine viel zu geringe Signal-Reichweite. Es müssten - grob geschätzt - rund 800 000 Basisstationen aufgebaut werden, aktuell sind es so um die 40 000 (alle Netzanbieter in Deutschland zusammen).

Der Trick mit 5G DSS

Ein aktuelles 5G-Flaggschiff: das Samsung Galaxy S20 Ultra
TechInsights Also sagten sich die Techniker, man müsste doch 5G auch auf niedrigeren Frequenzen machen können. Es wurde eine Bestandsaufnahme gemacht und festgestellt, dass man auf ältere Technologien verzichten könnte.

In einigen Ländern hat man die 2G-Technologie abgestellt, in Deutschland hat man sich für die Abschaltung von 3G entschieden, als Termin wurde Mitte/Ende 2021 bekannt gegeben.

3G fand hierzulande ausschließlich auf 2,1 GHz statt. Diese Frequenz wird seit einiger Zeit auch für LTE/4G und jetzt auch für 5G genutzt. Das Geheimnis lautet Dynamic Spectrum Sharing (DSS). Man verwendet die Frequenzen scheinbar gleichzeitig (eher abwechselnd) für 4G und 5G.

Da 5G im Moment noch auf 4G aufsetzt (NSA) nimmt man eine "Ankerzelle" im 4G-Band und verknüpft sie mit einem 5G-Sender in einem anderen Band, z. B. bei 2,1 GHz. Aber auch 2,1 GHz hat nicht die ideale Reichweite. Je tiefer die Frequenz, desto besser die Reichweite. In Deutschland wurde 700 MHz den Fernsehmachern abgeknöpft und als "Digitale Dividende II" dem Mobilfunk zugeschlagen. Also wird 700 MHz jetzt teilweise für 5G verwendet. In den USA funkt man sogar schon auf 600 MHz.

5G-Netzausbau schneller als gedacht

Durch diese Tricks konnten bereits weite Flächen von Deutschland mit 5G ausgeleuchtet werden. Allen voran die Deutsche Telekom, gefolgt von Vodafone und o2, die erst ein Jahr nach den Mitbewerbern mit 5G angefangen haben.

Der vierte Netzbetreiber 1&1-Drillisch pokert immer noch, ob er außerhalb von Ballungsgebieten viel günstiger als "Untermieter" bei Telekom, Vodafone oder o2 mitfunken darf. Kosten soll es aber möglichst wenig.

Die bereits etablierten Netzbetreiber sehen nicht ein, dass ihre hohen Netzinvestitionen "entwertet" werden, weil ein preisaggressiver Anbieter, der dann auch noch mit nationalem Roaming bundesweit nutzbar wäre, für viele Kunden wesentlich attraktiver wäre. Die Folge: Noch mehr preissensible Kunden würden den teureren Anbieter verlassen, dem dann das Geld zum Netzausbau fehlen würde. Die weitere Folge: Insgesamt schlechteres oder an vielen Stellen weiter kein Netz. 1&1 will ab Sommer 2023 und vor allem ab 2024 verstärkt sein eigenes Netz aufbauen.

Das Problem mit den "5G-fähigen" Handys

Das iPhone 12 ist das erste 5G-fähige Modell von Apple, das auf einen Qualcomm-Chip setzt. Mit 5G-DSS fremdelt das iPhone noch ein wenig.
Foto: Apple Inc. Zu Anfang konnten 5G-fähige Handys nur den Frequenzbereich zwischen 3,4 bis 3,8 GHz, der Fachmann spricht vom Band n77/n78. Doch diese Stationen stehen überwiegend nur in Großstädten. Neuere Handy-Modelle kommen auch mit niedrigeren Frequenzen klar. Doch dabei gibt es wieder Tücken: Liegen Ankerzellenfrequenz und 5G-Frequenz zu "nahe" beieinander, kommen verschiedene Handys damit nicht so richtig klar.

Auch das heiß erwartete iPhone 12 von Apple oder Edelmodelle wie das Samsung Galaxy Note 20 oder Galaxy S20 haben Probleme. Die Kombination Band 3 (1800 MHz) mit LTE gekoppelt mit Band n1 (2100 MHz) mit 5G mag das iPhone nicht, und eine Kombination von Band 20 (800 MHz) mit Band n28 (700 MHz) soll auch nicht funktionieren. Andere Handys haben möglicherweise andere Probleme. Eine Lösung könnte sein, dass die Netzbetreiber an jeder Station verschiedene Frequenzkombinationen anbieten, damit für möglichst jedes Handy eine übrig bleibt.

5G auf niedrigen Frequenzen ist langsam

Wer sich stolz ein 5G-fähiges Handy kauft und dann den ersten Speedtest startet, wird zunächst enttäuscht sein. Statt Höchstgeschwindigkeiten im Gigabit-Bereich ist 5G hier nur unwesentlich schneller als 4G (LTE) oder in Einzelfällen sogar langsamer. Man kann die Physik kaum austricksen: Wenn es schneller werden soll, braucht man mehr Bandbreite, und die gibt es nur auf höheren Frequenzen oder durch Frequenzkombinationen, sprich Carrier Aggregation. Und mit viel, viel mehr Sendestationen als heute.

5G wird sich durchsetzen, 6G vor der Tür

Gleichwohl geht die 5G-Entwicklung mit Riesenschritten weiter. Fast täglich kommen neue Geräte in den Handel und stellen Chip-Hersteller ihre neuen Baugruppen und Chipsätze vor. Und in den Forschungslaboren und Normierungsgremien wird längst über Details des kommenden Standards 6G nachgedacht und geforscht.