Eigentlich war die kommerzielle Einführung des neuen Mobilfunkstandards 5G erst ab 2020 geplant, doch die Standardisierung und technische Entwicklung sind bereits so weit fortgeschritten, dass erste Rollouts schon deutlich früher erfolgen werden. Die Erwartungen an die neue Generation des Mobilfunks sind groß. Schließlich soll er die Infrastruktur liefern, die Zukunftsthemen wie autonomes Fahren, Smart City, IoT und IIoT erst ermöglichen. Das Versprechen dahinter ist nichts anderes als eine neue Form der Vernetzung.

Auf dem Mobile World Congress in Barcelona Anfang des Jahres hat sich gezeigt, dass die fünfte Generation des Mobilfunks bereits jetzt schon deutlich an Zugkraft gewonnen hat. In der Vergangenheit haben Netzwerkausrüster und Netzbetreiber stets betont, dass mit der kommerziellen Einführung von 5G nicht vor 2020 zu rechnen sei. Schließlich war ursprünglich auch der Standardisierungsprozess auf diesen Zeitpunkt ausgelegt. Tatsächlich sind die Netzausrüster dem Zeitplan voraus und neben der technischen Entwicklung ist auch die Standardisierung weit fortgeschritten.

Diese wird in den Gremien des Funksektors der Internationalen Fernmeldeunion (ITU-R, einer Sonderorganisation der UN) und des Third Generation Partnership Projects (3GPP) als Standardisierungsorgan der Mobilfunkindustrie vorangetrieben. Dabei ist die Rollenverteilung klar geregelt: Die ITU-R setzt die wesentlichen Ziele und Anforderungen fest, die der neue Mobilfunkstandard erfüllen soll. Das 3GPP hat anschließend bis 2020 die Aufgabe, die technischen Spezifikationen zur Umsetzung festzulegen, die die ITU-R anschließend wiederum bewertet und zulässt. Dadurch will man sicherstellen, dass auf Basis des neuen Mobilfunkstandards die technischen Komponenten herstellerübergreifend funktionieren.

2016 hat die ITU-R unter der Bezeichnung IMT-2020 unter anderen folgende Anforderungen und Bewertungskriterien für 5G festgelegt, die die Basis für drei Anwendungsszenarien bilden. Dabei handelt es sich um: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Massive Machine Type Communication (mMTC) und Ultra-Reliable and Low-Latency Communications (URLLC). „Mit eMBB werden gezielt Hotspots, etwa Flughäfen, Stadien oder Großveranstaltungen, versorgt; mMTC unterstützt hingegen Anwendungen aus dem IoT-Umfeld, während URLLC bei kritischen Anwendungen vor allem in der Industrie 4.0, aber später auch beim vernetzten Fahren zum Einsatz kommen wird“, erklärt Dr. Helge Lüders, Manager Access Network Strategy bei Telefónica Deutschland. Die besagten in IMT-2020 festgelegten Anforderungen und Bewertungskriterien für die 5G-Technik sind:

  • Download-Spitzenrate von 20 GBit/s,
  • Uplink-Spitzenrate von 10 GBit/s,
  • 100 MBit/s im Down- und 50 MBit/s im Uplink für Endanwender,
  • eine interne Flächenkapazität von 10 MBit/s pro m² für eMBB,
  • eine Verzögerungszeit von nicht mehr als 4 ms (eMBB) und 1 ms (URLLC),
  • Senkung des Energieverbrauchs auf ein Zehntel des Verbrauchs heutiger Systeme und
  • Steigerung der relativen Bewegungsgeschwindigkeit auf 500 km/h.

Die Einführung von 5G soll laut 3GPP in zwei Phasen stattfinden. Phase 1 ist die Verabschiedung des Releases 15 im Juni 2018. Damit sollten bereits mit Erscheinen dieses Hefts alle dringenden Teilmengen für kommerzielle Deployments festgelegt worden sein, die vor allem eMBB-Anwendungen betreffen. Phase 2 soll anschließend im März 2020 fertiggestellt sein und alle in IMT-2020 identifizierten Use Cases und Anforderungen (mMTC und URLLC) umfassen.

„Derzeit haben wir das 3GPP-Release 15 (Dezember 2017), wir erwarten aber, dass im Juni 2018 die Vervollständigung von Release 15 erfolgt. Der Unterschied liegt im Wesentlichen darin, dass ein Next-Generation Core mit Flow-basiertem QoS-Management und echte Netzwerk-Slicing-Funktionalitäten hinzukommen“, erklärt Volker Held, Head of 5G Market Development bei Nokia.

Erst durch das sogenannte Netzwerk-Slicing, also die Etablierung von speziell für die Anforderungen erstellten virtuellen Netzabschnitten beziehungsweise Sub-Netzen, kann sich die Macht von 5G entfalten, da sich die Anwendungen dadurch nicht mehr gegenseitig beeinflussen und behindern können. „Das Network Slicing in 5G ermöglicht einerseits, schnell und effizient Zugangsmöglichkeiten für unterschiedliche Anforderungen der Industrie bereitzustellen. Gleichzeitig bietet es Privatkunden eine nahtlose mobile Breitbandanbindung“, sagt Antje Williams, Executive Program Manager 5G bei der Deutschen Telekom.

Das 3GPP hat vier sogenannte Smarters (Services and Markets Technology Enablers) für 5G identifiziert: Massive MTC, Network Operation, Critical Communications und Enhanced Mobile Broadband. Bild: 3GPP

Bis 5G jedoch in industriellen Szenarien über den Status von Pilotprojekten hinausgeht, wird es – auch auf aufgrund der ausstehenden Standardisierung (Phase 2) – noch einige Zeit dauern. Schließlich wird kein Hersteller auf eigene Faust ein proprietäres System einführen wollen.

Derzeit arbeiten Netzausrüster und -betreiber im Rahmen des Releases 15 an der Einführung von eMBB-Anwendungen. Dabei handelt es sich laut Stefan Koetz, CEO von Ericsson Deutschland, um die Weiterentwicklung des aktuellen Mobilfunks, darunter beispielsweise der blitzschnelle Upload von Video-Content. Das bisherige Netz (4G/LTE) war hingegen eher auf den Download von datenintensiven Diensten ausgelegt. „Die Fortsetzung des Smartphone-Geschäftsmodells ist ein möglicher Garant für die generelle Entwicklung des 5G-Ökosystems an Netzwerkprodukten und Chipsets für Endgeräte“, erklärt Michael Lemke, Senior Technology Expert bei Huawei Technologies. Die ersten 5G-Endgeräte erwartet man bei den Netzausrüstern bereits im nächsten Jahr. „2019 wird es laut aktuellem Stand erste Smartphone-fähige Chipsets geben, die auch die entsprechende Größe haben“, sagt Stefan Koetz.

Stefan Koetz, CEO von Ericsson Deutschland: „2019 wird es laut aktuellem Stand erste Smartphone-fähige Chipsets geben, die auch die entsprechende Größe haben.“ Bild: Ericsson

Erste Rollouts in USA und Asien

Die ersten Rollouts von eMBB finden jedoch nicht in Europa, sondern in China, Japan, Korea und den USA statt. Vor allem Japan forciert laut Nokia-Manager Held für die olympischen Spiele 2020 verstärkt das Thema 5G. In den USA ist der neue Standard als Ersatz für den stationären Breitbandzugang von Bedeutung – für Huaweis Lemke ein Anwendungsfall, der auch in Deutschland eine Rolle spielen könnte. Hierzulande arbeiten neben den Netzausrüstern auch die Netzbetreiber an verschiedenen Pilotprojekten und Testfeldern mit am neuen Mobilfunkstandard.

Die Deutsche Telekom hat in Berlin beispielsweise die ersten kommerziellen 5G-Antennen für 5G New Radio in das Live-Netz integriert. Bis zum Sommer soll in der Berliner City ein ganzer 5G-Cluster mit mehr als 70 Antennen entstehen, so Antje Williams. Mitbewerber Vodafone hat im Mai diesen Jahres sein „5G Lab“ in Düsseldorf eröffnet. Dort forscht, entwickelt und testet der Carrier mit seinen Partnern an intelligenten Lösungen, die mit dem neuen Funkstandard kommen sollen. Auch Telefonica beteiligt sich an verschiedenen Feldversuchen und Pilotprojekten zu 5G, die sich teils an dem ersten offiziell verabschiedeten Standard vom Dezember 2017 orientieren. „Wir sehen viele Projekte, die an eine 5G-Performance heranreichen, aber als ‚Pre-5G‘ zunächst auf 4,5G oder 4,9G aufsetzen“, erläutert Telefónica-Experte Lüders. Der Provider testet beispielsweise in seinem Projekt „TechCity“ in München bereits auf 5G anwendbare Neuerungen.

Sein volles Potenzial bei der Vernetzung von Menschen, Sensoren und Maschinen wird die neue Mobilfunkgeneration jedoch erst später, mit der zweiten Standardisierungsphase, entfalten können. „Die 5G-Standardisierung ist noch nicht beendet. Der nächste Schritt 2019 wird die Grundlagen für die technologisch auch sehr anspruchsvollen Anwendungsbereiche etwa im Bereich Robotik und allgemein der Fertigungsautomatisierung legen“, sagt Huawei-Mann Lemke.

Michael Lemke, Senior Technology Expert bei Huawei Technologies: „Die Fortsetzung des Smartphone-Geschäftsmodells ist ein möglicher Garant für die generelle Entwicklung des 5G-Ökosystems an Netzwerkprodukten und Chipsets für End-geräte.“ Bild: Huawei

Durch die zunehmende Vernetzung sind dann nicht mehr nur einige Hundert Smartphones in einer Zelle, sondern Zigtausende Geräte und Sensoren. Dazu muss ein Mobilfunknetz erst einmal in der Lage sein, erläutert Antje Williams von der Telekom: „Der Energieverbrauch wäre viel zu hoch und die Netze würden unter der Last von zigtausend Geräten und Sensoren in einer Funkzelle rasch zusammenbrechen.“ Aus diesem Grund führe der Weg in die vernetzte Welt mittels NB-IoT (Narrowband IoT) über eine schmalbandige LPWA-Funktechnik (Low Power Wide Area). Das Maschinennetz arbeitet mit Funkwellen, die eine besonders großflächige Abdeckung ermöglichen und dabei auch dicke Betonmauern durchdringen, um auf diese Weise auch entlegene Winkel eines Gebäudes bis tief in den Boden zu erreichen. Da die Sensoren meist zu einem festen Zeitpunkt oder in bestimmten Zeitintervallen kleine Datenpakete senden, lassen sich diese über Jahre ohne Batteriewechsel betreiben. Die Anwendungsfälle solcher IoT- oder IIoT-Szenarien fasst die 3GPP unter der Bezeichnung mMTC zusammen.

Network Slicing kommt zentrale Rolle zu

Besonders bei den 5G-Anwendungen in der Industrie, in der Logistik- und der Automobilbranche wird Network Slicing nach Meinung von Nokia-Mann Held eine zentrale Rolle spielen, da hier extreme und sehr unterschiedliche Qualitätsanforderungen abzudecken sind. Er rechnet damit, dass vor allem ein Ausbau von Edge-Clouds stattfinden wird, um einerseits Verzögerungen aufgrund langer Transportwege durch das Netz zu minimieren und andererseits die Sicherheit für kritische Anwendungen zu erhöhen. Schließlich sind beispielsweise beim autonomen Fahren oder in speziellen Industrie-4.0-Szenarien extrem niedrige Latenzzeiten sowie ein im höchsten Maße ausfallsicheres Netz nötig, damit die Technik überhaupt funktionieren kann.

„Anwendungsfälle der Kategorie URLLC, die Attribute höchster Verfügbarkeit mit Echtzeitverhalten kombinieren, spielen für die Anwendungsfälle der produzierenden Industrie eine große Rolle für die Realisierung neuer Einsatzszenarien“, fasst Held zusammen. Nur ein hochverfügbares Netz mit einer extrem niedrigen Latenz ermöglicht es beispielsweise einem autonomen Auto, unmittelbar auf gefährliche Situation zu reagieren. Auch ist es durch die Echtzeitmessung in der automatisierten Produktion möglich, unverzüglich in den Produktionsprozess einzugreifen. Für Telekom-Expertin Williams ist diese garantierte Latenz sogar eine der herausragenden Eigenschaften von 5G.

Neben bereits bestehenden Anwendungsszenarien wird 5G auch völlig neue Bereiche erschließen und neue Geschäftsmöglichkeiten eröffnen. Huawei geht beispielsweise davon aus, dass sich der neue Mobilfunkstandard im Zuge der Digitalisierungsbemühungen von Unternehmen zunehmend auf kabelgebundene Kommunikationslösungen ausbreiten wird. „Das geht einher mit vertieften Kooperationen mit etablierten 5G-Netzbetreibern, um Spezialnetz-Nutzung, beispielsweise für innere Betriebsabläufe, zu verwenden, beziehungsweise sogar eine eigene Infrastruktur in den Aufbau der Netze einzubringen“, sagt Huawei-Experte Lemke. Er rechnet damit, dass es eine weitere Flexibilisierung der Geschäftsmodellformen des 5G-Verbindungsschicht in Kombination mit weiteren Dienstleistungen geben wird.

Dr. Helge Lüders, Manager Access Network Strategy: „Es braucht noch einige weitere Vorbereitungen, insbesondere im Core- und Transportnetz, um 5G ausrollen zu können, etwa eine Virtualisierung zahlreicher Netzelemente und geeignetes Spektrum.“ Bild: Telefónica

Für den kommerziellen 5G-Rollout sind hierzulande neben der weiteren Standardisierung auch noch zusätzliche technische Anforderungen zu erfüllen. „Wir fühlen uns gut gerüstet für einen Start von 5G. Dennoch braucht es noch einige weitere Vorbereitungen, insbesondere im Core- und Transportnetz, um 5G ausrollen zu können, etwa eine Virtualisierung zahlreicher Netzelemente und geeignetes Spektrum“, erläutert Telefónica-Manager Lüders.

Glasfaserausbau und Frequenzversteigerung

Wichtiges Element ist vor allem der Ausbau der Glasfaserinfrastruktur, damit die späteren 5G-Basisstationen dementsprechend angebunden sind und sich Engpässe hinsichtlich Kapazität und Geschwindigkeit vermeiden lassen. Ebenso wichtig ist auch eine langfristige Vergabe der entsprechenden Frequenzen.

Für einen flächendeckenden Einsatz ist die Verwendung unterschiedlicher Frequenzbänder im Low-Band (<1 GHz), Mid-Band (3,4 bis 3,7 GHz) und High-Band (28 GHz) nötig, erklärt Nokias Held: „Dadurch lässt sich sowohl die notwendige Kapazität durch höhere Frequenzen als auch die notwendige Flächendeckung durch niedrigere Frequenzen erreichen.“

Volker Held, Head of 5G Market Development bei Nokia: „Anwendungsfälle der Kategorie URLLC, die Attribute höchster Verfügbarkeit mit Echtzeitverhalten kombinieren, spielen für die Anwendungsfälle der produzierenden Industrie eine große Rolle für die Realisierung neuer Einsatzszenarien.“ Bild: Nokia

In Deutschland bereitet die Bundesnetzagentur derzeit die Vergabe der für 5G benötigten Funkfrequenzen vor. Wie bereits in der Vergangenheit, etwa bei den UTMS-Frequenzen, soll auch dieses Mal die Vergabe wieder über eine Auktion stattfinden. In Deutschland steht zunächst das 3-GHz-Band im Fokus. Auf Gegenliebe stößt die Bundesnetzagentur mit der erneuten Versteigerung der Frequenzen nicht. Sowohl Netzbetreiber als auch die Netzwerkausrüster bemängeln, dass die Ausgaben für die Frequenzen am Ende bei den Investitionen in den Ausbau der Netzwerkinfrastruktur fehlen werden. Ein anderes Modell gibt es beispielsweise in Frankreich: Dort vergibt man die für 5G benötigten Frequenzen gegen Ausbauverpflichtungen der Infrastruktur an die jeweiligen Interessenten.

Kein flächendeckender Rollout

Dennoch wird die Einführung von 5G in Deutschland zu einer besseren Abdeckung und Verfügbarkeit von höheren Datengeschwindigkeiten führen. Ein flächendeckender Rollout ist jedoch vermutlich auch mit dem neuen Mobilfunkstandard nicht zu erwarten. Stattdessen ist davon auszugehen, dass sich die neue Funktechnik ebenso wie ihre Vorgänger zunächst auf Städte, Siedlungsbereiche und Autobahnen konzentriert, wo die ersten Anwendungen eine Wertschöpfung für die Betreiber bedeuten.