Was hat es mit 5G auf sich

Alle deutschen Betreiber haben oder wollen jetzt eine Form von 5G-Mobilfunknetz eingeführt. Aber was genau ist 5G, und wie schnell ist es im Vergleich zu 4G? Hier sind die Fakten, die wir bisher kennen.

„Landesweites 5G“ ist hier, aber für viele Menschen scheint es keinen großen Unterschied zu machen. Für unsere Tests zum Thema „Schnellste Mobilfunknetze 2020“ sind wir in 26 Städte gereist, um 5G auf allen drei großen US-Betreibern zu testen. Wir stellten fest, dass sich das 5G von AT&T und T-Mobile sehr wie 4G anfühlt, und obwohl sich das 5G von Verizon radikal anders anfühlt, hat es nur eine sehr geringe Abdeckung.

Das mag die Leute dazu veranlassen, sich zu fragen, was das große Problem mit 5G ist. Ist das, was wir im Moment sehen, überhaupt 5G? Die Antwort ist ja – technisch gesehen. Es stellt sich heraus, dass 5G-Technologie und eine „5G-Erfahrung“ sehr unterschiedliche Dinge sind, und gerade jetzt in den Deutschland bekommen wir Ersteres ohne Letzteres.

5G ist eine Investition für das nächste Jahrzehnt, und bei früheren mobilen Übergängen haben wir die meisten der großen Veränderungen schon Jahre nach der ersten Ankündigung erlebt. Nehmen Sie zum Beispiel 4G. Die ersten 4G-Telefone in den USA erschienen 2010 und kamen wenig  später bei uns an. Aber die 4G-Anwendungen, die unsere Welt veränderten, kamen erst später auf. Snapchat kam 2012 auf den Markt, und Uber wurde 2013 weit verbreitet. Auch Videoanrufe über LTE-Netzwerke wurden um 2013 in aller Welt weit verbreitet.

Mit dem 5G-Übergang gibt es eine weitere Wendung. Es gibt im Wesentlichen drei Arten von 5G-Niedrigband, Mittelband und Hochband. Während die USA auf Niedrig- und Hochband setzen, stellt sich heraus, dass das Mittelband wahrscheinlich der beste Weg ist, dies zu erreichen.

Wenn Sie diesem Plan folgen, sollten Sie also damit rechnen, dass die großen 5G-Anwendungen gegen Ende 2021 oder 2022 auftauchen werden, während wir uns gerade mit 5G beschäftigen.

1G, 2G, 3G, 4G, 5G

Zunächst einmal, wenn Sie von 5G Wi-Fi oder den „5G E“-Telefonen von der Telekom hören, dann sind das keine 5G-Mobiltelefone.

Und wenn Sie hören, dass 5G Funkwellentürme an jedem Laternenmast bedeutet, ist das nicht wahr. Das ist nur eine der drei Hauptformen von 5G, die wir im Moment sehen.

Das G in diesem 5G bedeutet, dass es sich um eine Generation der drahtlosen Technologie handelt. Während die meisten Generationen technisch durch ihre Datenübertragungsgeschwindigkeiten definiert wurden, ist jede Generation auch durch einen Bruch in den Kodierungsmethoden oder „Luftschnittstellen“ gekennzeichnet, die sie mit der vorherigen Generation inkompatibel machen.

1G war analog zellular. 2G-Technologien, wie CDMA, GSM und TDMA, waren die erste Generation digitaler Zellulartechnologien. 3G-Technologien wie EVDO, HSPA und UMTS brachten Geschwindigkeiten von 200 kbps auf einige Megabit pro Sekunde. 4G-Technologien wie WiMAX und LTE waren der nächste inkompatible Sprung nach vorn, und sie skalieren jetzt auf Hunderte von Megabit- und sogar Gigabit-Geschwindigkeiten.

5G bringt drei neue Aspekte mit sich: größere Kanäle (zur Beschleunigung der Daten), niedrigere Latenzzeiten (um schneller reagieren zu können) und die Möglichkeit, viel mehr Geräte auf einmal anzuschließen (für Sensoren und intelligente Geräte).

Mit 4G ist es kein sauberer Bruch. 5G-Telefone benötigen alle 4G-Netzwerke und -Abdeckung. Ursprünglich nutzten alle 5G-Netze 4G, um ihre ersten Verbindungen herzustellen, etwas, das als „nicht eigenständig“ bezeichnet wurde. Wir bewegen uns jetzt davon weg und gehen zu „eigenständigen“ Netzen über, aber es gibt noch immer keinen Standard für Sprachanrufe über 5G. Jedes Mal, wenn Sie also einen Telefonanruf tätigen wollen, muss Ihr Telefon auf 4G zurückgreifen. Ein Teil der 5G-Spezifikation erlaubt es 5G-Telefonen auch, 5G- und 4G-Kanäle unsichtbar und nahtlos für den Benutzer zu kombinieren.

Diese Symbiose zwischen 4G und 5G hat dazu geführt, dass die Telekom ihr 4G-Netz ein wenig zu enthusiastisch geworden ist. Der Carrier hat begonnen, sein 4G-Netz „5G Evolution“ zu nennen, weil er die Verbesserung von 4G als einen wichtigen Schritt hin zu 5G ansieht. Das ist natürlich richtig. Aber die Formulierung soll weniger informierte Verbraucher verwirren, so dass sie denken, 5G Evolution sei 5G, obwohl es nicht 5G ist.

Dies alles bedeutet zum Teil, dass die Anbieter zwar ihre 2G- und 3G-Netze in den nächsten Jahren abschalten werden, 4G als Teil der 5G-Gleichung aber noch viele Jahre vor sich hat.

Niedrig, mittel und hoch

5G bietet den Fluggesellschaften mehr Optionen in Bezug auf den Äther als 4G. Vor allem eröffnet es „High-Band“-Luftwellen mit kurzer Reichweite, die mit der 4G-Technologie nicht funktioniert haben. Aber 5G kann auf jeder Frequenz betrieben werden, was zu drei sehr unterschiedlichen Arten von 5G-Erfahrungen führt – niedrig, mittel und hoch.

Der Schlüssel zum Verständnis ist hier, dass 5G-Geschwindigkeiten in direktem Zusammenhang damit stehen, wie breit die verfügbaren Kanäle sind und wie viele zur Verfügung stehen. Mit 4G können Sie bis zu sieben 20-MHz-Kanäle kombinieren, um ein Spektrum von insgesamt 140 MHz zu nutzen. Die meiste Zeit verwenden Telefone jedoch 60 MHz oder weniger.

Mit den aktuellen Telefonen im niedrigen und mittleren 5G-Band können Sie zwei 100-MHz-Kanäle für die Nutzung mit 200 MHz kombinieren und drei weitere 20-MHz-4G-Kanäle darauf stapeln. In High-Band-5G können Sie bis zu acht 100-MHz-Kanäle verwenden. Die großen Geschwindigkeiten, die die 5G-Träger versprechen, sind gerade dabei, mehr Funkwellen auf einmal zu nutzen. Aber wenn Sie nicht über die verfügbaren Ätherwellen verfügen, können Sie die Geschwindigkeiten nicht erreichen.

Die Betreiber können auch Kanäle zwischen 4G und 5G flexibel gemeinsam nutzen, indem sie die dynamische gemeinsame Nutzung von Frequenzen (Dynamic Spectrum Sharing, DSS) nutzen. DSS macht die Wände zwischen 4G- und 5G-Kanälen beweglich, so dass die Carrier Kanäle zwischen 4G und 5G je nach Bedarf aufteilen können.

Low-Band 5G arbeitet in Frequenzen unter 2GHz. Dies sind die ältesten Mobilfunk- und TV-Frequenzen. Sie legen große Entfernungen zurück, aber es sind keine sehr breiten Kanäle verfügbar, und viele dieser Kanäle werden für 4G verwendet. Daher ist Low-Band 5G langsam. Im Moment wirkt und fühlt es sich an wie 4G. Low-Band 5G-Kanäle haben eine Breite von 5 MHz (für AT&T) bis zu 15 MHz (für T-Mobile), man sieht also, dass sie nicht geräumiger sind als 4G.

Erschwerend kommt hinzu, dass die Low-Band-Telefone von AT&T und T-Mobile manchmal 5G-Symbole anzeigen, wenn sie nicht einmal 5G verwenden, so dass es schwierig ist, einen Unterschied festzustellen.

Das mittlere 5G-Band liegt im Bereich von 2-10 GHz. Das deckt die meisten aktuellen Mobilfunk- und Wi-Fi-Frequenzen sowie Frequenzen etwas darüber ab. Diese Netze haben eine gute Reichweite von ihren Masten, oft etwa eine halbe Meile, so dass sie in den meisten anderen Ländern die Arbeitstiere sind, die den meisten 5G-Verkehr übertragen. Die meisten anderen Länder haben jedem ihrer Träger etwa 100 MHz für 5G im mittleren Band angeboten. Hier in den USA nutzt T-Mobile derzeit bis zu 60 MHz im mittleren 5G-Band, obwohl das Unternehmen über mehr verfügt, als es derzeit nicht nutzen kann. AT&T und Verizon werden kleine Teile ihres 4G-Spektrums mittels DSS für das 5G-Mittelband abschneiden, 10MHz hier und 10 dort. Neue 280 MHz, bekannt als das C-Band, werden Ende 2020 versteigert und ab 2021 genutzt werden.

High-Band 5G, oder Millimeterwelle, ist das wirklich Neue. Bislang handelt es sich dabei meist um Luftwellen im Bereich 20-100 GHz. Diese Ätherwellen wurden bisher noch nicht für Verbraucheranwendungen genutzt. Sie haben eine sehr kurze Reichweite; unsere Tests haben etwa 250 Meter Entfernung von Türmen gezeigt. Aber es gibt dort oben riesige Mengen ungenutzten Spektrums, was sehr hohe Geschwindigkeiten mit bis zu 800 MHz auf einmal bedeutet. Verizon verlässt sich weitgehend auf das High-Band, das es als „Ultrabreitband“ bezeichnet. O2 hat einige, in kleinen Teilen von 35 Städten. T-Mobile hat einige in sieben Städten. Leider stellten wir bei unseren Tests fest, dass das Netz von Verizon auf unseren stadtweiten Fahrten nur eine Abdeckung von vier bis fünf Prozent aufweist.

Hochfrequenzbänder wurden schon früher für Backhaul verwendet, um Basisstationen mit entfernten Internetverbindungen zu verbinden. Aber für Verbrauchergeräte wurden sie bisher nicht genutzt, weil die Rechenleistung von Handheld-Geräten und miniaturisierte Antennen nicht verfügbar waren. Millimeterwellensignale fallen auch mit der Entfernung schneller ab als Signale mit niedrigerer Frequenz, und die riesigen Datenmengen, die sie übertragen, erfordern mehr Verbindungen zum Internet-Festnetz. Daher werden Mobilfunkanbieter viele kleinere Basisstationen mit geringerer Leistung (in der Regel mit einer Leistung von 2 bis 10 Watt) statt weniger, leistungsfähigere Makrozellen (mit einer Leistung von 20 bis 40 Watt) einsetzen müssen, um die Multi-Gigabit-Geschwindigkeiten bieten zu können, die Millimeterwellennetze versprechen. Wegen des sehr schnellen Abfallens sind die Wellen ziemlich schwach, wenn sie zu Ihnen gelangen.

In vielen Großstädten haben die Netzbetreiber diese „kleinen Zellen“ installiert, um die 4G-Kapazität ab 2017 zu erhöhen. In diesen Städten müssen sie nur ein zusätzliches Funkgerät an den bestehenden Standort anschliessen, um ihn zu 5G zu machen. Anderswo gibt es jedoch einen Kampf, bei dem die Netzbetreiber Schwierigkeiten haben, die Städte davon zu überzeugen, dass sie kleine Zellen in den Vorstadtbezirken installieren dürfen. Das ist ähnlich wie frühere Kämpfe um die Einrichtung eines Mobilfunkdienstes überhaupt in vielen dieser Städte.

Wie 5G funktioniert

Wie andere zellulare Netzwerke verwenden 5G-Netze ein System von Zellstandorten, die ihr Gebiet in Sektoren unterteilen und verschlüsselte Daten über Funkwellen senden. Jeder Zellstandort muss mit einem Netzwerk-Backbone verbunden sein, sei es über eine drahtgebundene oder drahtlose Backhaul-Verbindung.

5G-Netze verwenden einen Codierungstyp namens OFDM, der der Codierung ähnlich ist, die 4G-LTE verwendet. Die Luftschnittstelle ist jedoch für eine wesentlich geringere Latenzzeit und größere Flexibilität als LTE ausgelegt.

Mit den gleichen Funkwellen wie 4G kann das 5G-Funksystem dank effizienterer Kodierung etwa 30 Prozent höhere Geschwindigkeiten erreichen. Die verrückten Gigabit-Geschwindigkeiten, von denen man hört, sind darauf zurückzuführen, dass 5G für die Nutzung viel größerer Kanäle ausgelegt ist als 4G. Während die meisten 4G-Kanäle 20 MHz haben und bis zu 140 MHz gleichzeitig nutzen, können 5G-Kanäle bis zu 100 MHz betragen, wobei Verizon bis zu 800 MHz gleichzeitig nutzt. Das ist eine viel breitere Autobahn, aber sie erfordert auch größere, klare Blöcke von Ätherwellen, als sie für 4G verfügbar waren.

Hier kommen die höheren Kurzstrecken-Millimeterwellen-Frequenzen ins Spiel. Während niedrigere Frequenzen von 4G, von Fernsehsendern, Satellitenfirmen oder vom Militär belegt sind, gab es in den USA eine riesige Menge an im Wesentlichen ungenutzten höheren Frequenzen, so dass die Betreiber problemlos breite Straßen für hohe Geschwindigkeiten bauen konnten.

5G-Netze müssen viel intelligenter sein als frühere Systeme, da sie mit viel mehr, kleineren Zellen jonglieren, die Größe und Form verändern können. Aber selbst mit den vorhandenen Makrozellen wird 5G laut Qualcomm in der Lage sein, die Kapazität um das Vierfache gegenüber heutigen Systemen zu erhöhen, indem größere Bandbreiten und fortschrittliche Antennentechnologien genutzt werden.

Das Ziel ist es, weit höhere Geschwindigkeiten und eine weit höhere Kapazität pro Sektor bei weitaus geringerer Latenz als 4G zur Verfügung zu haben. Die beteiligten Normungsgremien streben Geschwindigkeiten von 20 Gbps und eine Latenzzeit von 1 ms an, und an diesem Punkt beginnen sehr interessante Dinge zu geschehen.

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