Was ist 5G? Wissenswertes über das 5G-Netz

5G steht für die fünfte Generation (des Mobilfunks) und bezeichnet den neuesten Mobilfunkstandard, der sich seit 2019 zunehmend verbreitet. 5G baut auf dem bestehenden Mobilfunkstandard LTE (Long Term Evolution) auf und stellt den Nachfolger der früheren Mobilfunkgenerationen 2G (GSM), 3G (UMTS) und 4G (LTE) dar.

5G schafft die Grundlage für neue Kundenerlebnisse wie zum Beispiel Augmented Reality Spiele oder die Vernetzung von Maschinen in der Industrie und intelligenten Geräten, das sogenannte Internet of Things (IoT). Außerdem unterstützt die Technik die Digitalisierung vieler Lebensbereiche.

Technische Grundlagen von 5G

Zentraler Unterschied zu den Vorgängernetzen LTE (4G) und UMTS (3G) ist, dass die Anzahl der in einem Gebiet sendenden Mobilfunkstationen bei den 5G-Netzen nicht mehr so sehr von der Besiedlungsdichte abhängt. Das hängt damit zusammen, dass sich die Mobilfunkgeneration 5G stark nach den Anforderungen der Anwender vor Ort richtet.

Die heutigen Mobilfunknetze bestehen aus klassischen Dachstandorten und frei stehenden Masten, die sowohl die Flächenabdeckung als auch die Netzkapazität für ein bestimmtes Gebiet zur Verfügung stellen. Mit 5G, dem Netz der Zukunft, werden sich diese optisch und von ihrer Leistungsfähigkeit her deutlich verändern. Neben den weiter benötigten Dachstandorten wird insbesondere die kleinzellige Netzarchitektur weiter ausgebaut. Die Vielzahl der zum Teil konkurrierenden Anforderungen führt dazu, dass es kein gleichförmiges 5G-Netz für alle geben wird, sondern viele individuelle, virtuelle Spezialnetze, die auf die jeweiligen Anwendungen zugeschnitten sein werden. Diese Netze werden unter einer Art "5G-Dach", das heißt auf Basis einer gemeinsamen physischen Infrastruktur. betrieben.

4G- und 5G-Netze werden zunächst gemeinsam, beziehungsweise parallel betrieben, sodass der Ausbau stufenweise erfolgen kann. Jedoch bedeutet die Einführung von 5G nicht das Ende von LTE, sondern entwickelt dieses weiter. Der parallele Betrieb beider Netzwerktechnologien ermöglicht zukünftig größere Kapazitäten und schnellere Netzwerkgeschwindigkeiten. Mit der 5G-Einführung erwartet uns nicht nur höhere Bandbreiten und einen höheren Datenaustausch; es eröffnen sich auch neue technologische und digitale Möglichkeiten.

Das 5G-Netz im Vergleich zum Vorgänger Netz LTE

Die Technologie für 5G stellt eine Weiterentwicklung bisheriger Netztechnologien dar, allen voran LTE. So bietet die 5G-Technik deutlich höhere Datenübertragungsraten. Während diese bei 4G bis zu mehrere hundert Megabit pro Sekunde erreichen, können Sie bei 5G bei mehreren Gigabit pro Sekunde liegen. Dies lässt sich durch die sogennante Carrier Aggregation erreichen, die Bündelung der Kanäle bzw. Funkfrequenbereiche eines Netzbetreibers beschreibt.

Zudem wird der Frequenzbereich deutlich erhöht (3,4 - 3,8 GHz), wodurch eine höhere Sendeleistung erreicht wird und mehr Informationen schneller übertragen werden können. Gleichzeitig verringert sich jedoch die Reichweite, sodass künftig mehr Mobilfunkmasten errichtet werden müssen, um eine großflächige Abdeckung mit 5G sicherzustellen. Dabei wird auf aktive Mehrantennensysteme, auch Massive Multiple Input Multiple Output (MiMo), gesetzt. Durch diese können in einem Antennengehäuse mehrere Sende- und Empfangsantennen verwendet werden, um die Datenrate und Zuverlässigkeit zu erhöhen.-

Darüber hinaus verfügt die neue Technologie über niedrigere Latenzzeiten. Latenz bezieht sich auf die Verzögerung zwischen dem Senden und Empfangen von Daten. Demnach kommt es zu weniger Verzögerungen und die Kommunikation verläuft nahezu in Echtzeit.

Durch Beamforming können die Funkwellen einer Sendeantenne noch gezielter auf die Aufenthaltsorte der Nutzer aus, statt wie zuvor sektorweise Signale auszusenden. Durch diese Flexibilität können mehrere Nutzer gleichzeitig im Mobilfunk aktiv sein, ohne dass eine Reduzierung der Datenrate erfolgt.

Das sogenannte Network Slicing ermöglicht der 5G-Technologie den parallelen Betrieb mehrerer Netze, die an die jeweiligen Anforderungen der Nutzer angepasst sind. So können beispielsweise Netze mit einer besonders geringen Latenzzeit oder mit großen Datenmengen bereitgestellt werden.

Anwendungsgebiete von 5G Mobilfunk

Die 5G-Technik besteht aus mehreren Spezialnetzen, die gänzlich neue Möglichkeiten bieten und für spezifische Anwendungsfälle zugeschnitten sind. Dabei wird zwischen drei Anwendungsbereichen unterschieden: das ultraschnelle mobile Breitband (Enhanced Mobile Broadband), die Kommunikation zwischen Maschinen und Anwendungen (Massive Machine Type Communications, M2M) und ein Hochzuverlässigkeitsnetz mit kurzer Latenzzeit (Ultra-Reliable and Low Latency Communications). Für alle drei Bereiche gibt es unterschiedliche Herausforderungen und technische Rahmenbedingungen, weshalb das Netz hochflexibel sein muss. Der 5G-Standard weist deshalb mehr Durchsatz und Kapazität bei gleichzeitig sinkenden Betriebskosten auf.

Enhanced Mobile Broadband (eMBB) - Bandbreiten Management für hohe Datenrate

Die fortschreitende Digitalisierung und damit verbundene Technologien erfordern eine große Bandbreite, um die zunehmend wachsenden Datenmengen übertragen zu können. Der neue Standard für den Mobilfunk bietet mit Datenraten von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde hierfür die geeignete technische Basis und unterstützt somit Anwendungen, die entsprechend hohe Anforderungen an die Datenübertragung besitzen. Zu diesen gehören beispielsweise Virtual oder Augmented Reality.

Massive Machine Type Communications (mMTC) - Treiber für IoT Technologien

Während zuvor vor allem die Vernetzung von Menschen im Vordergrund stand, wird durch 5G künftig auch die Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M), das Internet der Dinge (IoT) und die Industrie 4.0. verbessert. Durch mMTC können eine Vielzahl von Geräten miteinander vernetzt werden und effizient miteinander kommunizieren. Davon können verschiedene Anwendungsgebiete profitieren. So ist 5G unter anderem eine wichtige Grundlage für Smart Cities, in denen beispielsweise durch intelligente Ampelsysteme der Verkehrsfluss in Echtzeit optimiert werden kann. Darüber hinaus kann es auch im Bereich der Logistik oder Landwirtschaft eine wichtige Stütze sein, um Prozesse zu optimieren und zu automatisieren.

Ultra-Reliable- and Low-Latency-Communications (uRLLC) - Extrem geringe Latenzzeiten

Bestimmte Anwendungen, beispielsweise autonomes Fahren, sind auf ultraschnelle und zuverlässige Informationsübertragung angewiesen. Der Nachfolger von 4G schafft durch seine kurzen Latenzzeiten eine gute Grundlage: mit einer Antwortzeit von nur einer Millisekunde können Daten schnell nahezu in Echtzeit übertragen werden. Zudem spielt die Zuverlässigkeit eine wichtige Rolle, die Ausfälle innerhalb des Netzes möglichst ausschließt. Neben dem autonomen Fahren eignet sich der Einsatz von 5G somit auch in Anwendungsfeldern wie der smarten Medizin oder der Industrie 4.0.

Wie weit ist der Netzausbau von 5G in Deutschland?

Die Grundsätze der internationalen Standardisierung wurden 2018 durch das zuständige Gremium 3rd Generation Partnership Project (3GPP) verabschiedet. Auf Grundlage dessen haben Unternehmen damit begonnen, entsprechende Hardware zu entwickeln. 2019 hat schließlich der Ausbau dieser neuen Technologie für den Mobilfunk begonnen.

Der 5G-Netzausbau in Deutschland ist bereits weit und flächendeckend vorangeschritten. Laut Tagesschau (Stand: Dezember 2023) werden 95 % der Menschen hierzulande mit 5G versorgt. Führende Kraft in Bezug auf das übertragene Datenvolumen ist dabei O2 Telefónica, die im Herbst 2020 den Ausbau ihres Netzes in den größten deutschen Städten Berlin, Hamburg, München, Köln und Frankfurt begonnen haben. Danach folgen die weiteren großen Netzbetreiber auf dem Markt, Telekom und Vodafone. Bis Ende 2025 möchte O2 die 100-prozentige Abdeckung mit seinem 5G-Netz erreichen.

Laut Vodafone hat das Wachstum des Datenverkehrs im 5G-Netz 2023 deutlich zugenommen. Demnach stieg dieser um 34 % im Vergleich zu 2022. Der Anteil des 5G-Netzes am gesamten mobilen Datenverkehr hat sich gar verdoppelt. Leicht gesunken ist hingegen die Telefonie mit 5G im Vergleich zum Vorjahr. Es wurden sowohl weniger Telefonate geführt als auch weniger SMS verschickt.

Nachteile und Kritikpunkte am Thema 5G

Die 5G Umstellung hat jedoch nicht nur Begeisterung hervorgerufen. Es gibt bestimmte Aspekte, die weiterhin umstritten sind. Dazu zählen:

Energieverbrauch und Reichweite

Der theoretische Energieverbrauch pro Bit ist bei 5G zwar deutlich geringer als bei den Vorgängern, durch den erwarteten Anstieg der Datenrate kann jedoch von einem Anstieg des Energieverbrauchs ausgegangen werden. Da der Strahlradius von 5G-Basisstationen geringer ist, werden zusätzlich mehr Basisstationen gebraucht als bei den Vorgängergenerationen.

Gesundheitsrisiko durch elektromagnetische Felder

Weiterhin umstritten ist die Diskussion um die Frage, ob 5G gesundheitsschädlich ist. Damit einhergehende Bedenken beziehen sich vor allem auf die elektromagnetische Strahlung, die bei der Datenübertragung über hochfrequentierte Felder entsteht. Jedoch muss an dieser Stelle angemerkt werden, dass sich die Frequenzbereiche, die bei 5G zum Einsatz kommen, nur in Teilen von den bisher genutzten Frequenzen unterscheiden.

Durch die kürzere Reichweite oder höheren Frequenzen ist zudem eine größere Anzahl Antennen nötig, die mit anderer Leistung und Technik arbeiten. Die neuen Sendeanlagen, sogenannte Small Cells, werden zukünftig etwa in Buswartehäuschen, Werbetafeln oder Laternenmasten eingesetzt und befinden sich somit näher am Menschen. Zudem arbeiten Small Cells mit Beamforming, sprich der gezielten Ausrichtung von Funksignalen.

Relevanter als die Antennen des Mobilfunknetzes ist jedoch das genutzte Endgerät, in der Regel Smartphones, von dem die meiste Strahlung ausgeht. Das Bundesamt für Strahlenschutz hat 2021 bereits eine umfassende Broschüre zum neuen Mobilfunkstandard 5G veröffentlicht, in dem es unter anderem auf den aktuellen Forschungsstand bezüglich gesundheitsschädigender Effekte eingegangen ist. Die aktuell genutzten Frequenzbereiche im Mobilfunk sind gut erforscht. Demnach sind nach dem damaligen Kenntnisstand unterhalb der bestehenden Grenzwerte keine gesundheitlichen Folgen zu erwarten.