5G

5G, die fünfte Generation der Mobilfunktechnologie, markiert einen entscheidenden Wendepunkt in der Art und Weise, wie wir mit der Welt um uns herum kommunizieren und interagieren. Diese neueste Evolution des Mobilfunks stellt nicht nur eine Verbesserung der Geschwindigkeit und der Latenz im Vergleich zu ihrem Vorgänger, 4G/LTE dar, sondern öffnet auch die Tür zu einer Vielzahl von neuen und revolutionären Anwendungen.

Was ist 5G? 

Die Erklärung zu der Bezeichnung 5G ist leicht zu verstehen: Das G bedeutet Generation und die 5 heißt lediglich, dass es die fünfte Mobilfunkgeneration ist. Die fünfte Generation löst damit LTE, oder auch Advanced LTE (eine Unterkategorie von 4G) genannt, als neueste Mobilfunkgeneration ab. Vorgänger der vierten Generation ist UMTS (3G). 5G ist momentan die neueste Generation im Mobilfunk. Verfügbar ist das 5G Netz in Deutschland seit September 2019. Sie bietet deutlich höhere Geschwindigkeiten, geringere Latenzzeiten und eine verbesserte Kapazität. Dies ermöglicht eine Vielzahl neuer Anwendungen und Dienste in Bereichen wie dem Internet der Dinge (IoT), Industrie 4.0, autonomes Fahren und erweiterte Realität (AR).

Was für Verbesserungen bringt 5G? 

Der 5G Ausbau bringt signifikante Verbesserungen für Unternehmen und Verbraucher:innen mit sich, darunter:

• Höhere Datenraten: 5G ermöglicht Geschwindigkeiten, die deutlich über denen von 4G liegen, mit der Fähigkeit, Daten nahezu in Echtzeit zu übertragen.

• Verbesserte Kapazität: Das Netzwerk kann eine größere Anzahl von gleichzeitig verbundenen Geräten unterstützen, was für IoT-Anwendungen entscheidend ist.

• Reduzierte Latenz: 5G bietet extrem niedrige Verzögerungszeiten, was für Anwendungen wie das autonome Fahren und interaktive AR/VR-Erlebnisse wichtig ist.

• Energieeffizienz: Fortschritte in der Technologie ermöglichen einen energieeffizienten Betrieb, was zur Nachhaltigkeit beiträgt.

Wie funktioniert 5G?

Das 5G Mobilfunknetz nutzt ein Übertragungssystem mit MIMO-Technologie (Multiple Input Multiple Output), bei dem der Datenstrom über mehrere Sende- und Empfangsantennen übertragen wird. Dies verbessert das Empfangssignal und vergrößert die mögliche Distanz und erhöht den Datendurchsatz.

LTE benötigt maximal acht Antennenelemente, die kombiniert werden. Im Gegensatz dazu erfordert 5G deutlich mehr: Bei Millimeterwellen kommen häufiger mehrere hunderte Antennen an Sende- und Empfangsstationen zum Einsatz. Dies nennt man die optimierte Mehrantennentechnik, Massive-MIMO genannt, was die Kapazität des Mobilfunknetzes eben um ein Vielfaches verbessert.

Bei der Massive-MIMO benötigt man allerdings noch eine weitere Technik, um die Vorteile der Millimeterwellen voll auszuschöpfen: Das sogenannte Beamforming sorgt dafür, dass die Signale fokussiert und zuverlässig übertragen werden. Beamforming ist eine neue Antennentechnik, bei der steuerbare Signale ganz gezielt ausgerichtet werden können und die Sendeleistung so nach Bedarf angepasst werden kann.

Gegenüber LTE hat 5G eine höhere Datenkapazität und eine mehr als tausendfach schnellere Datenübertragung. Aufgrund von kaum merklicher Latenzzeiten ermöglicht der Mobilfunkstandard eine blitzschnelle Reaktion im Netz und benötigt dabei weniger Strom.

Ermöglicht werden diese Verbesserungen durch neuartige Übertragungstechniken auf der Luftschnittstelle, sowie durch deutlich erhöhte Funkfrequenzbereiche. Diese Frequenzen bieten den Vorteil, dass eine größere Anzahl an Informationen in weniger Zeit übertragen werden können. Das Netz verliert dadurch jedoch stark an Reichweite. Folglich müssen für ein großflächiges 5G-Netz künftig mehr Mobilfunkmasten errichtet werden als für das bisherige LTE Netz.

Technologie hinter 5G 

Die 5G Technik nutzt fortschrittliche Technologien wie Massive MIMO (Multiple Input Multiple Output) und Beamforming. Massive MIMO ermöglicht es, den Datenverkehr über Hunderte von Antennen zu steuern und zu optimieren, was die Kapazität und Effizienz des Netzwerks erheblich verbessert. Beamforming optimiert die Signalrichtung, um die Verbindungseffizienz und -qualität zu erhöhen. Die Implementierung der Technologie von 5G, 5G-Netzwerke insbesondere, fördert massive Machine Type Communication (mMTC), was eine Revolution in der IoT-Industrie durch verbesserte Konnektivität und Geschwindigkeit verspricht.

Unterschiede zu früheren Generationen 

Im Vergleich zu 4G/LTE bietet der Mobilfunkstandard 5G:

• Höhere Übertragungsgeschwindigkeiten und mehr Bandbreite.

• Geringere Latenz für schnelle Reaktionszeiten.

• Bessere Unterstützung für eine massive Anzahl von IoT-Geräten.

• Flexible Netzwerke durch Netzwerk-Slicing, um spezifische Anforderungen verschiedener Anwendungen und Dienste zu erfüllen.

Was sind die Vorteile des 5G Netzes? 

Der größte Vorteil wurde bereits genannt: 5G hat eine weitaus höhere Geschwindigkeit bei der Datenübermittlung. Ob bei Fernsehübertragungen aus mehreren Perspektiven per Internet oder beim Austausch von intelligenten Autos, um Unfälle zu verhindern. Die Datenrate steigt also ebenso wie die Anzahl an Geräten in einem Netzwerk; Latenz- und Ladezeit sinken jedoch. Das Netz wird also schneller und besser und verbraucht dabei weniger Energie.

Auch wenn diese Punkte positive Entwicklungen für Verbraucher:innen sind, fördern sie vor allem die Wirtschaft und Industrie 4.0 (Internet of Things/Digitalisierung). Die Zusammenarbeit erlebt neue Möglichkeiten: Virtuelle Realitäten können zur gleichen Zeit an verschiedenen Orten erlebt werden, aufwändige Simulationen können leicht weitergeleitet werden und ganze Städte werden zu Smart Cities.

Was sind die Nachteile von 5G? 

Natürlich gibt es nicht nur Vorteile durch 5G. Die hohen Frequenzen, die in der 5G-Technologie versendet werden, benötigen eine große Anzahl an Sendemasten. Das bedeutet, dass die Kosten für die Errichtung und den Betrieb des 5G Netzes deutlich teurer werden als für das 4G-Netz. Für die Inbetriebnahme werden aufwändige Tests zur Netzabdeckung, Qualitätssicherung und Integration in der schon bestehenden Infrastruktur benötigt.

Wie sicher ist das 5G-Netz? 

Berechtigterweise stellt sich nun die Frage, wie sicher das 5G-Netz ist. Durch die Installation des Netzwerks werden unterschiedliche Sicherheitsvorkehrungen geprüft und verbessert, damit ein sicheres Netz aufgebaut wird.

Folgende Neuerungen aus der Spezifikation sollte man hier besonders betonen:

• 5G-Komponenten werden mit neuen kryptografischen Lösungen gesichert, was dafür sorgt, dass im Falle einer Kompromittierung einzelner Komponenten der Schutz anderer Komponenten weiterhin besteht.

• "Authentication Confirmation" (AC) ist ein neuer Mechanismus und soll für mehr Sicherheit beim Roaming sorgen. Dabei schickt das Endgerät des Teilnehmers einen kryptografischen Beweis über die Identität des Mobilfunkbetreibers, in dessen Netzwerk sich das Endgerät eingewählt hat, zurück an den heimischen Mobilfunkbetreiber. Bisherige Mobilfunknetzwerke unterstützen diese Funktion nicht.

• Die Langzeit-Identität der Teilnehmer, oft als IMSI (International Mobile Subscriber Identity) bezeichnet, wird ab 5G verschlüsselt übertragen. Diese IMSI dient als eine Art Langzeitkennung, die einem Mobilfunknutzer zugeordnet ist und es ermöglicht, ihn im Netzwerk zu identifizieren. Diese Informationen werden bei 2G/3G/4G derzeit ohne Verschlüsselung übertragen

Obwohl diese Mechanismen existieren, kann man momentan nicht einschätzen, ob auch tatsächlich alle Sicherheitsfunktionen zum Einsatz kommen werden. Der erste wichtige Punkt ist, dass nicht klar ist, wie schnell die Mobilfunkanbieter ihre Netze zu 5G wechseln werden, da dies nicht vom Gesetzgeber oder den 5G-Spezifikation festgelegt wurde. Der Wechsel erfolgt also von jedem Mobilfunkanbieter individuell und hängt auch davon ab, wie 5G von den Verbraucher:innen angenommen wird. Viele der Vorteile dieser Mobilfunk Technologie wie schnellere Übertragungsraten können nämlich auch mit 4G genutzt werden, allerdings gelten die Sicherheitsmaßnahmen hier dann nicht.

5G Stand-Alone (SA)  

Mit der Einführung von 5G SA können Betreiber ein vollständig unabhängiges 5G-Netzwerk bereitstellen, das nicht auf 4G-Infrastruktur angewiesen ist. Dies ermöglicht die vollständige Nutzung der 5G-Technologie, einschließlich ultra niedriger Latenz und Netzwerk-Slicing.

Sicherheit in 5G-Netzen 

5G-Netze implementieren fortschrittliche Sicherheitsprotokolle und -architekturen, die eine verbesserte End-to-End-Sicherheit bieten. Neue kryptografische Techniken und die verschlüsselte Übertragung von Identitäten erhöhen den Schutz vor Eingriffen und Missbrauch.

Kommunikationsstandard statt Mobilfunkstandard 

Die Digitalisierung wächst rasant und entwickelt sich immer weiter. Durch sie können sich Menschen und Maschinen untereinander und miteinander vernetzen. Dafür benötigen sie aber auch leistungsstarke Netze und eine passende Infrastruktur. Für die immer größer werdenden Datenvolumen soll es auch immer schnellere Möglichkeiten für den Transport der Datenübertragung geben.

Der 5G Standard als Mobilfunkstandard ist dabei nicht nur eine Weiterentwicklung des Mobilfunk, sondern auch die Zukunft. Die Ansprüche an die Netzinfrastruktur sind groß und 5G hilft besonders in der Vielzahl von Anwendungen rund um die Datenkommunikation. Das 5G Zeitalter ist also nicht ausschließlich der Mobilfunkstandard, sondern auch der Kommunikationsstandard.

Ausblick und zukünftige Entwicklung

Der Ausbau von 5G wird weltweit vorangetrieben, mit einem zunehmenden Fokus auf 5G SA für eine vollständige Realisierung seiner Potenziale. Gleichzeitig beginnt die Forschung und Entwicklung von 6G, um die Grundlage für noch schnellere Geschwindigkeiten, geringere Latenzen und innovative Anwendungen der nächsten Generation zu legen.