5G – Die Zukunft des Mobilfunks


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5G, die fünfte Mobilfunk-Generation, wird aktuell weltweit eingeführt. Anlass für die Entwicklung von 5G war eine Reihe herausfordernder Anwendungen, die von der bisherigen Technologie nicht im erforderlichen Umfang unterstützt werden.

Die von der Fachwelt definierten Anwendungsprofile für 5G sind:

  • Extrem zuverlässige Echtzeitkommunikation (Ultra-Reliable and Low Latency Communications, URLLC) – Übertragung mit extrem niedriger Latenz (geringster Verzögerung), großer Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit für beispielsweise Smart Factory, Verkehrssysteme, autonomes Fahren und eHealth-Anwendungen.

  • Höchste mobile Bandbreiten (enhanced Mobile Broadband,  eMBB) – Hohe Datenraten zur Versorgung einer drastisch ansteigende Zahl an Nutzern und Anwendungen, beispielsweise für mobile Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen, bargeldloses Bezahlen, Monitoring-Anwendungen und Alarmsysteme oder das mobile Streamen hochauflösender Videos.
  • Massenkommunikation (Massive Machine Type Communications, MMTC) – Mobile Kommunikation muss an verschiedensten Orten und dabei energieeffizient möglich sein, um die erwartet riesige Anzahl von Geräten und Komponenten in ihrem Informationsaustausch unterstützen zu können, beispielsweise: Sensornetze, vernetzte Maschinen, Industrie 4.0, Wearables wie Fitness- oder Vital-Tracker, intelligente Logistik und Immobilienmanagement aber auch für Gerätekommunikation mit beispielsweise Satelliten.

Das 5G-Netz nutzt hierzu verschiedene Funkfrequenzen, die unterschiedliche Anforderungen erfüllen. In höheren Frequenzbändern (3,4 bis 3,8 Gigahertz) funkt 5G besonders gut auf kleiner Fläche mit einem Radius von etwa einem Kilometer und bietet ein extrem schnelles Netz. Das sind die bevorzugten Frequenzen für Städte. Dagegen bringt 5G auf niedrigen Frequenzen (um 700 Megahertz) nicht ganz so schnelles Internet, dafür aber auf einer Fläche mit einem Radius bis zu 20 Kilometern. Dies wiederum sind die bevorzugten Frequenzen für den ländlichen Raum.

In ganz Deutschland wurden und werden von den Netzbetreibern vorhandene und neu errichtete Mobilfunk-Masten nach und nach mit 5G-Technologie ausgestattet. Das ist ein fließender Prozess, der über die vierte Mobilfunk-Generation (LTE) zu 5G führt. In Darmstadt liegt laut Telekom die 5G-Netzabdeckung durch die rund 70 Mobilfunk-Standorte bei nahezu 100 Prozent. Jetzt geht es an den Netzausbau, um den Empfang in Gebäuden zu verbessern und noch mehr Bandbreite für noch mehr Schnelligkeit zur Verfügung zu stellen.

Für die 5G-Technologie werden zwei Elemente kombiniert. Zum einen ist das eine massive Ausweitung des als MIMO (Multiple Input, Multiple Output) bezeichneten Prinzips. Es setzt auf mehrere Antennen beim Sender und auch Empfänger. Massive MIMO steigert die Zahl der auf beiden Seiten eingesetzten Antennen um ein Vielfaches. Der Empfänger braucht entsprechend ein 5G-fähiges Gerät. Durch die massive Steigerung der Elemente auf der Senderseite kann jede Funkzelle mit 5G auch ein Vielfaches mehr an Endgeräten versorgen. Das wird notwendig, wenn etwa durch eine drastische Zunahme an Endgeräten, vernetzten Sensoren und Telematikdiensten in Fahrzeugen die Zahl der Nutzer deutlich steigt.

Zum anderen ist das eine Technologie namens Beamforming, die den Mobilfunk aus seiner Passivität bringt und dafür sorgt, dass die Signale genauer dort ankommen, wo sie gebraucht werden: Statt sie gleichmäßig in alle Richtungen auszusenden, können die aktiven Antennen ihre Signale vollautomatisch in die ungefähre Richtung der eingeloggten Nutzer bündeln. Das bedeutet eine höhere Datenrate bei weniger aufgewendeter Energie.

Soweit die aktuelle Mobilfunk-Generation 5G mit den Erwartungen und ausgewählten Technologien – aber das nächste Etappenziel ist bereits gesteckt: Ab dem Jahr 2030 soll 6G in noch kleineren Funkzellen Daten bis zu 100 Mal schneller übertragen als 5G. Daran forscht unter anderem das nationale Projekt Open6GHub unter der Leitung des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Konsortium vereint dafür die Kompetenzen von insgesamt 17 Universitäten und außeruniversitären Forschungseinrichtungen – darunter auch die TU Darmstadt mit dem Forschungsschwerpunkt Resilienz.

BEAMFORMING

Datenplattform
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