Die mobile Kommunikation hat sich über mehrere „Generationen“ hinweg entwickelt. Diese interessante Geschichte beginnt mit der rückwirkend eingeführten Bezeichnung 0G, die analoge Systeme beschreibt, die vor dem zellularen System entwickelt wurden.

Mit der analog/digitalen Technologie der späten 1970er und frühen 1980er kamen die Dinge wirklich in Gang. 1G basierte auf zellularen Mobilfunksystemen, die analoge Funksysteme für Anrufe und digitale Systeme für Backhaul-Verbindungen verwendeten. 2G kam in den frühen 1990er-Jahren als vollständig digitales System auf. Noch vor der Jahrtausendwende wurde 3G eingeführt (aufbauend auf den Verbesserungen von 2,5G und 2,75G), das eine höhere Übertragungsrate ermöglichte und dadurch die Verbreitung von Smartphones unterstützte. Mit den Erweiterungen von 3G wurden die Übertragungsraten weiter erhöht, sodass mobiles Internet und Videostreaming möglich wurden.

4G basiert auf dem Standard Long Term Evolution (LTE) und wurde 2009 in Skandinavien eingeführt. Seitdem ist dieser Standard in weiten Teilen der Welt eingeführt worden und ist die Mobilfunktechnologie, die wir heute am häufigsten nutzen. Sie bietet eine maximale Übertragungsrate von 100 Mbit/s (im Vergleich zu etwa 15 Mbit/s bei 3G) und unterstützt hochauflösende Videos, Online-Spiele und Videokonferenzen.

Darauf folgt 5G. Dieser Standard wurde 2016 eingeführt und die 5G-Netzwerke werden derzeit ausgebaut. Er verspricht eine atemberaubende maximale Übertragungsrate von 32 Gbit/s (Downlink) und 13,6 Gbit/s (Uplink). Sobald 5G vollständig eingeführt ist, wird es direkt mit Glasfaserkabellösungen für die Internetversorgung konkurrieren können. Im Vergleich zu 4G bietet die Technologie außerdem geringere Latenzen, eine bessere Abdeckung und eine höhere spektrale Effizienz.    

5G ist also wie 4G, nur eben größer und besser. Aber das ist noch lange nicht alles. 5G bringt auch viele neue Technologien mit sich, die für Benutzer von Zoom, Netflix und TikTok zwar nur wenig interessant sind, sich aber als entscheidend für das Wachstum des IoT erweisen werden.

Willkommen „New Radio“

Das 3GPP (3rd Generation Partnership Project) ist eine weltweite Kooperation von sieben Organisationen, die sich mit der Entwicklung von Telekommunikationsstandards befassen. Es hat sich intensiv dafür eingesetzt, dass 5G nicht nur für anspruchsvolle Verbraucher, sondern auch für die zukünftigen Anforderungen von Unternehmen und des IoT entwickelt wird. Hinter den Kulissen haben Entwickler methodisch das Dokument zusammengestellt, das die Spezifikationen der International Mobile Telecommunications (IMT)-2020 beschreibt. IMT-2020 ist quasi die 5G-Bibel, in der detailliert beschrieben wird, wie 5G aufgebaut ist und wie es die anspruchsvollen Anforderungen von Verbrauchern und Industrie erfüllen will. Die Spezifikation beinhaltet: eine anfängliche Spitzendatenrate von 20 Gbps, eine typische Benutzerdatenrate von 100 Mbps, eine Latenzzeit von einer Millisekunde, eine „Flächenverkehrskapazität“ von 10 Mbps pro Quadratmeter und eine Verbindungsdichte von einer Million Geräten pro Quadratkilometer.

Diese Leitlinien unterstreichen deutlich, dass das 5G-Netz im Hinblick auf eine Kombination aus hoher Geschwindigkeit (für Verbraucher- und Handelsanwendungen) und hoher Gerätedichte (für das IoT) konzipiert wurde. 4G ist eher verbraucherorientiert (obwohl entsprechend modifizierte Netze zellulare IoT-Technologie wie NB-IoT und LTE-M unterstützen können). Die Dimension der Herausforderung für 5G wird deutlich, wenn man sich beispielsweise die herkömmliche Gerätedichte vor Augen führt. Tokio hat eine durchschnittliche Bevölkerungsdichte von über 6.000 Menschen pro Quadratkilometer und die meisten Menschen besitzen mindestens ein mobiles Gerät. Wenn alle diese Menschen auf das Internet zugreifen wollten, könnte das lokale Netz das dennoch bewältigen. Das ist zwar beeindruckend, liegt aber um Welten unter der geplanten Gerätedichte von 5G.

Ein Hinweis darauf, auf welche Weise 5G die Doppelanforderungen von Verbrauchern und dem IoT erfüllen wird, findet sich in den Details von IMT-2020. Das Dokument beschreibt zwei Elemente: 5G LTE-Technologie für klassische Benutzer und New Radio (NR) für andere Anwendungsfälle, einschließlich der speziellen Anforderungen des IoT. Entwickler bezeichnen diese Elemente als „Funkschnittstellentechnologien“ (Radio Interface Technologies, RITs).

Zusammen erfüllen die LTE- und NR-RITs alle technischen Leistungsanforderungen für die geplanten fünf Anwendungsbereiche:

• Hotspots in Innenräumen (unter Verwendung von Enhanced Mobile Broadband (eMBB))
• dichte städtische Gebiete (eMBB)
• ländliche Gebiete (eMBB)
• städtische Makrobereiche (Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC))
• städtische Makrobereiche (massive Machine Type Communication (mMTC))

Die letzten beiden Anwendungsfälle, URLLC und mMTC (verwandt), unterstützen in erster Linie das IoT.

LTE und NR arbeiten in Frequenzbändern unterhalb von 7,125 GHz, die für die IMT-Nutzung vorgesehen sind, aber NR kann auch die IMT-Frequenzbänder oberhalb von 24,25 GHz nutzen. Die so genannten oberen Mittelbänder (3,3 bis 7,125 GHz) sind die wichtigste 5G-Ressource und bieten ausreichende Übertragungsraten und Reichweiten für Verbraucher und den kommerziellen Bereich. Die „hohen Bänder“ über 24 GHz ermöglichen sowohl eine hohe Gerätedichte als auch extreme Übertragungsraten.

5G, aber nicht so wie wir es kennen

Es hat sich gezeigt, dass 5G noch nicht einmal eine zellulare Technologie sein muss. Das IMT-2020-Dokument enthält einen Verweis auf den „ersten nicht-zellularen 5G-Standard“: nämlich DECT-2020 NR. Dieser Standard unterstützt eine Million Geräte pro Quadratkilometer und lehnt sich, obwohl er nicht rein zellular ist, an viele Technologien von zellularen Systemen an.

DECT 2020 NR ist eine interessante Technologie, die deutlich macht, wie umfassend IMT-2020 den Anwendungsbereich von 5G definiert. Die Technologie nutzt das weltweite – und für den 5G-Betrieb ungewöhnlicherweise lizenzfreie – 1,9-MHz-Band und unterstützt mMTC in drahtlosen Mesh- und anderen Netzwerkarten. Diese Netze bilden in der Regel die Basis für IoT-Anwendungen mit einer sehr hohen Installationsdichte und hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und niedrige Latenzen, wie z. B. Tausende von kleinen Sensoren/Aktuatoren in industriellen Automatisierungsanwendungen.

DECT-2020 NR schneidet im Vergleich zu anderen drahtlosen IoT-Technologien, die für mMTC verwendet werden, gut ab. Bei Unterstützung der maximalen Knotenpunktdichte bietet diese Technologie beispielsweise einen Spitzendurchsatz von 100 KBit/s bei einer Latenz von unter 10 ms. Das ist ideal für typische IoT-Anwendungen.

5G ist die erste Generation zellularer Mobilfunktechnologie (mit einigen nicht zellularen Technologien), die von Anfang an so konzipiert wurde, dass sie nicht nur den klassischen Mobilfunk, sondern auch aufstrebende drahtlose Technologien wie das IoT unterstützt. 6G ist bereits in der Entwicklung und verspricht – vielleicht nicht überraschend - deutlich schneller zu sein als 5G. Geplant ist die Nutzung von Frequenzen zwischen 100 GHz und 3 GHz, wobei die Unterstützung von Verbraucheranwendungen und dem IoT bis hin zu neuen Bereichen wie der KI und der vollständig immersiven VR reichen wird. Wenn man die jahrzehntelange Taktung bei der Einführung neuer Generationen von Mobilfunktechnologien zugrunde legt, ist damit zu rechnen, dass bereits 2030 6G-fähige Smartphones auf den Markt gebracht werden.