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Definition Was ist 5G?

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Stefan Luber / Nico Litzel

5G ist die Mobilfunk- und Netzwerktechnik der fünften Generation und Nachfolgestandard von Long Term Evolution (LTE). Die Technik nutzt ein breites Frequenzspektrum, bietet hohe Datenraten von zehn Gigabit pro Sekunde und mehr und hat Latenzzeiten von unter einer Millisekunde. 5G stellt wichtige technische Voraussetzungen zur Digitalisierung der Gesellschaft zur Verfügung.

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(Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

Die Abkürzung 5G steht für die Mobilfunk- und Netzwerktechnik der fünften Generation. Sie ist der Nachfolger von 4G (auch als Long Term Evolution – LTE – bezeichnet). 5G darf nicht als reiner Mobilfunkstandard verstanden werden, sondern ist vielmehr eine Sammlung umfassender Kommunikationsstandards für moderne Netzwerkinfrastrukturen zur Übertragung der Daten mobiler Anwendungen.

Im Vergleich zu den Vorgängerstandards 3G (UMTS) und 4G (LTE) unterstützt 5G ein wesentlich größeres Frequenzspektrum, das bei Frequenzen unter einem Gigahertz beginnt und sich bis in den Millimeterwellenbereich (Frequenzen im Bereich von circa 30 Gigahertz bis circa 100 GHz) erstreckt. Um eine hohe spektrale Effizienz zu erzielen, nutzt 5G Techniken wie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), Massive MIMO, Beamforming, variable Trägerbandbreiten- und -abstände und Small Cells (besonders kleine Funkzellen).

Als Standardisierungsorganisation ist unter anderem das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) tätig. 5G-Netze und 5G-Infrastrukturen stellen die Grundlage für verschiedene Anwendungen zur Digitalisierung der Gesellschaft zur Verfügung. Neben der Kommunikation im Privatbereich mit mobilen Geräten wie Smartphones unterstützt 5G professionelle und industrielle Anwendungen wie die digitalen Prozesse der Industrie 4.0, autonomes Fahren, Internet der Dinge (IoT), Smart Cities und Vieles mehr.

5G New Radio

Die Funkschnittstelle der Mobilfunktechnik der fünften Generation wird auch als 5G New Radio (5G NR) bezeichnet. Erste Spezifikationen des 3GPP von 5G NR erschienen als Release 15 (5G NR Phase 1) im Jahr 2018. Die Spezifikation von Release 16 (Phase 2) wird voraussichtlich 2020 abgeschlossen sein. Wesentliche Merkmale von 5G sind Datenraten im bis zu zweistelligen Gigabitbereich, Latenzzeiten von unter einer Millisekunde und Anschlussdichten von einer Million Geräten und mehr pro Quadratkilometer.

Die Versteigerung von 5G-Frequenzen erfolgte in Deutschland im Jahr 2019. Die Mobilfunkprovider 1&1 Drillisch, Telefónica Germany, Telekom Deutschland und Vodafone ersteigerten Frequenzen und haben mit dem Aufbau ihrer Netze begonnen. Mittlerweile sind in ersten deutschen Städten 5G-Mobilfunknetze in Betrieb. Auch erste Smartphones und Internetrouter mit 5G-Technik sind am Markt verfügbar. Bis 2025 werden 5G-Netzabdeckungen von über 99 Prozent der Bevölkerung und 90 Prozent der Fläche Deutschlands erwartet.

Wichtige technische Merkmale von 5G

Wichtige technische Merkmale von 5G sind:

  • maximale Datenraten von 10 Gbit/s bis 20 Gbit/s
  • Nutzung eines breiten Frequenzspektrums bis in den Millimeterwellenbereich (circa 30 Gigahertz und mehr)
  • hohe spektrale Effizienz
  • niedrige Latenzzeiten von unter einer Millisekunde
  • geeignet für Echtzeitanwendungen
  • Unterstützung hoher Anschlussdichten von einer Million Geräten und mehr pro Quadratkilometer
  • geeignet für weltweit bis zu 100 Milliarden mobile Geräte
  • geringerer Energiebedarf pro übertragenem Bit im Vergleich zu Vorgängerstandards

Anwendungsfälle und Frequenzbereiche von 5G

Die 5G-Mobilfunk- und -Netzwerktechnik hat eine Vielzahl verschiedener Anwendungen abzudecken. Die Anwendungen haben hinsichtlich der Übertragungsraten, Latenzzeiten, Endgerätedichten, Verfügbarkeit und Energieeffizienz teils sehr unterschiedliche Anforderungen. Sie lassen sich in diese drei grundsätzlichen 5G-Anwendungsprofile einordnen:

  • Massive Machine Type Communications (mMTC): Versorgung vieler Endgeräte mit geringen Datenraten und geringem Energieverbrauch
  • Enhanced Mobile Broadband (eMBB): Versorgung von Mobilgeräten mit hohen Datenraten
  • Ultra Reliable and Low Latency Communications (uRLLC): zuverlässige Verbindungen mit niedrigen Latenzzeiten für echtzeitfähige Anwendungen

Die Luftschnittstelle 5G NR unterstützt im Vergleich zu den Vorgängerstandards LTE und UMTS ein wesentlich größeres Frequenzspektrum. Je höher die verwendete Funkfrequenz ist, desto größer ist zwar die maximal mögliche Datenübertragungsrate, doch reduziert sich gleichzeitig die Reichweite der Funkwellen. Die kurzwelligen Funksignale werden von Gegenständen oder Gebäudewänden und -decken stärker absorbiert. Die Funkwellen niedriger Frequenz erzielen daher zwar größere Reichweiten, bieten aber keine sehr hohen Übertragungsraten. So lassen sich für Anwendungen, die hohe Datenraten benötigen, hohe Frequenzen nutzen. Niedrige Frequenzen mit großen Wellenlängen bieten zwar nicht die hohen Geschwindigkeiten, sind aber für Anwendungen einsetzbar, die Geräte an ungünstigen Standorten wie in Kellern mit Mobilfunk versorgen.

Grundsätzlich sind 5G-Mobilfunknetze in der Lage alle Frequenzbereiche zu nutzen, die auch für 2G, 3G oder 4G im Einsatz sind. Darüber hinaus reicht das theoretisch unterstützte Frequenzspektrum von unter einem Gigahertz bis zu den Millimeterwellen von bis zu 100 Gigahertz. Dank dieses riesigen Frequenzspektrums kann 5G die vielfältigen Anforderungen der unterschiedlichsten Anwendungsfälle erfüllen.

Technologien des 5G-Mobilfunks

5G nutzt Techniken wie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), Massive MIMO, Beamforming, variable Trägerbandbreiten- und -abstände und Small Cells (besonders kleine Funkzellen).

Mithilfe von untereinander vermaschten sogenannten Small Cells mit niedrigen Sendeleistungen lässt sich die Netzabdeckung verbessern. Massive MIMO (Massive Multiple Input Multiple Output) erlaubt durch die geschickte Ausnutzung vieler Sende- und Empfangsantennen die Datenübertragung über parallele Verbindungen und sorgt für einen höheren Datendurchsatz. Mit Beamforming ist es möglich, die Übertragungsleistung in bestimmte Raumrichtungen zu bündeln und zu optimieren. So lassen sich Signale gezielt in Richtung eines mobilen Endgeräts ausstrahlen. Das orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) ist eine Modulationstechnik, die sehr flexibel arbeitet und die Kombination verschiedener variabler Trägerfrequenzen mit unterschiedlichen Bandbreiten und Abständen erlaubt.

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