5G: LTE-Nachfolger macht großen Technologiesprung

Alles wartet auf 5G, das ultraschnelle Mobilfunknetz. Die Erwartungen reichen von 5G-Consumer-Applikationen – wie Videospiele mit virtueller Realität, Virtual Reality-Brillen für Videos und 4K-Content – bis hin zu Anwendungen für das Internet der Dinge (IoT). Mehr noch: Über 5G können sich ganze Branchen miteinander vernetzen, Automotive ebenso wie Maschinenbau und industrielle Software.

Was ist 5G eigentlich?

Abgesehen davon, dass es sich um die nächste Generation mobiler Netze handelt, die 4G ablösen wird, weiß keiner so richtig, was 5G mit sich bringt. Das liegt daran, dass 5G bisher nicht standardisiert ist. Und das wird wahrscheinlich noch einige Zeit so bleiben.

Die Telekommunikationsbranche hat das aber nicht daran gehindert, die Leistungsverbesserungen vorherzusagen, die von dieser nächsten Generation der mobilen Netzinfrastruktur zu erwarten sind. 5G lässt sich sowohl von der Service- als auch von der Netzwerkseite aus betrachten. Hier liegt der Fokus auf dem Netzwerkaspekt.

Verschiedene Interessengruppen in der Wireless-Netzwerk-Branche — von Geräteherstellern über Mobilfunknetzbetreiber (Mobile Network Operators, MNOs) bis hin zu Analysten — haben recht unterschiedliche Vorstellungen, was 5G-Netze betrifft. Zu den erwarteten Leistungssteigerungen zählen beispielsweise:

• bis zu 1000-faches Wachstum der Bandbreite pro Bereich
• bis zu 100-mal mehr angeschlossene Geräte
• Verbindungsraten für mobile Geräte von bis zu 10 Gbps
• wahrgenommene Netzverfügbarkeit von bis zu 99,999 Prozent
• wahrgenommene Netzabdeckung von bis zu 100 Prozent
• maximale End-to-End-Roundtrip-Verzögerung (Latenzzeit) von 1 Millisekunde
• bis zu 90 Prozent geringerer Energieverbrauch der Netze

Auch wenn 5G mehr bedeutet, als nur die Bandbreite zu erhöhen, steht dieser Punkt ganz oben auf der Wunschliste der Mobilfunknutzer. Ein Grund dafür ist die große Relevanz des mobilen Videokonsums. Für die nächste Generation der Netzwerk-Infrastruktur sind hohe Ziele gesteckt. Gut möglich, dass einige der Erwartungen einen Dämpfer erhalten, wenn Leistung und Kosten in Einklang zu bringen sind. Schon heute lässt sich jedoch abschätzen, dass 5G dem IoT einen kräftigen Schub geben wird. Mit der neuen Technologie werden Unternehmen außerdem anders arbeiten, neue Märkte erobern sowie neue Geschäftsmodelle erschließen können.

Wie lässt sich ein 5G-Netzwerk aufbauen?

Durch den Aufbau eines heterogenen Netzes (häufig als HetNet bezeichnet) können Provider Leistungssteigerungen bei Geschwindigkeit, Latenzzeit und Abdeckung erreichen. Solch ein Netz setzt sich aus vielen unterschiedlichen Zellentypen zusammen – darunter fallen WiFi-Zellen, Kleinzellen und die altbekannten Macro-Zellen. Durch den intelligenten Einsatz dieser Zellentypen entsteht eine hochflexible mobile 5G-Netzarchitektur, die für eine signifikante Verbesserung der Gesamtleistung optimiert ist.

Die Entwicklung von 5G-Netzen wird die gesamte End-to-End-Netzinfrastruktur beeinflussen: von der Virtualisierung des Radio Access Network (RAN) und des Evolved Packet Core (EPC) bis hin zur Aufrüstung der Funk- und Luftschnittstellen sowie der Segmente, die luft- und bodenbasierte Netze verbinden — dem mobilen Backhaul-Netzwerk (MBH). Damit einher gehen signifikante Verbesserung von Kapazität, Verfügbarkeit und Latenzzeiten.

Wie wird dieser Kapazitätsbedarf adressiert?

Die zunehmenden Kapazitätsansprüche lassen sich durch den Einsatz von Ethernet-Datenraten im Bereich von 1-Gigabit-Ethernet (GbE) bis 100-Gigabit-Ethernet (100GbE) – in wenigen Jahren 400GbE – abdecken. Die gewählte Übertragungsrate wird dann vom prognostizierten Datenverkehr zwischen den einzelnen WiFi-, Klein- und Macrozellen und dem Core-Knoten abhängen. Dort nämlich aggregieren zahlreiche Zellenstandorte den Datenverkehr. Der Datenverkehr in das Core-Netzwerk bis hin zu den riesigen Rechenzentren mit den gehosteten Inhalten erhöht sich dadurch beträchtlich.

Das Bandbreitenwachstum im Core-Netzwerk wird durch den Einsatz kohärenter DWDM-Datenraten von 100G, 200G und darüber hinaus adressiert. Dies ist bereits heute aufgrund der Einführung von 4G der Fall. Kurz gesagt: Der Anstieg der Access-Geschwindigkeiten führt zu höheren Datenraten im globalen Netz.

Hochverfügbarkeit lässt sich mit Schutz- und Redundanzoptionen erzielen, die bereits bei den meisten Serviceprovidernetzen zum Einsatz kommen. Mithilfe von Netzwerkschutzoptionen, wie beispielsweise G.8032 Ethernet Rings, können Netzbetreiber hochzuverlässige Aggregations- und Core-Netze garantieren.

Redundante Geräte und Stromversorgungen, wie zweifache Netzgeräte und Notstromversorgungen mit Batterien oder Generatoren, stellen auch die Hochverfügbarkeit der Netzwerkknoten selbst sicher. Intelligente Netze ermöglichen, Fehler zu umgehen und überlastete Knoten zu vermeiden. Mobile Nutzer erhalten so ein konstant verfügbares Netz. Softwaremethoden wie Micro-Services werden zusätzlich dazu beitragen, dass die mobilen 5G-Netze zuverlässiger und besser skalierbar werden.

Lassen sich mit 5G Latenzzeiten von einer Millisekunde erreichen?

Erwartet wird, dass die Latenzzeit bei 5G-Netzen bis zu fünfmal niedriger ist als bei 4G-Netzen. Als ehrgeiziges Ziel gilt eine Millisekunde. Jedoch gibt es physikalische Gesetze, die sich nicht außer Kraft setzen lassen. Aufgrund der Eigenschaften des Glasfaserkerns bewegt sich Licht in Lichtwellenleitern um etwa ein Drittel langsamer als in einem Vakuum.

Wireless Mobile Backhaul (MBH) ist schneller, da es sich um ein luftbasiertes Kommunikationsmedium handelt. Die Einschränkungen in Bezug auf Kapazität, Reichweite und Verfügbarkeit sind hier jedoch wesentlich höher. Unabhängig davon hat Wireless Backhaul seinen Platz in den meisten MNO-Netzen. Dies wird auch so bleiben. Es wird keine Entscheidung zwischen optischem und MBH und Wireless-MBH geben – beide werden in Zukunft ihre Berechtigung haben.

Um die Dinge in der richtigen Perspektive zu sehen: Damit ein Mobilservice eine Verzögerung von einer Millisekunde erreicht, muss die Konnektivität innerhalb einer Entfernung von einem Kilometer zum mobilen Nutzer stattfinden. Außerdem sind andere, nicht das Netz betreffende Technologien erforderlich, um diese Latenzzeit zu erreichen. Beim Mobile Edge Computing wird vorgeschlagen, die IT und die zugehörigen Cloud-Computing-Funktionen direkt im RAN selbst zu platzieren. Wenn Content, Services, Applikationen und Funktionen so nahe wie möglich beim mobilen Benutzer untergebracht werden, lassen sich Latenzzeiten erheblich senken.

Allerdings sind enorme Investitionen erforderlich, um die vorhandenen mobilen Netze neu aufzubauen. Daher stellt sich die Frage, ob eine Latenzzeit von einer Millisekunde tatsächlich Teil des 5G-Standards sein wird oder ob dieses Ziel gelockert oder sogar ganz aufgegeben wird. Fest steht, dass die Entwickler von 5G eine niedrigere Latenzzeit als bei 4G anstreben. Schließlich ermöglichen niedrigere Latenzzeiten neue Services und damit verbunden neue Einnahmequellen. Auf diese Art und Weise können sich die Betreiber von Mobilnetzen dann auch differenzieren.

Auswirkungen auf die Zukunft

Die Zukunft mit 5G wird große Veränderungen in Bezug auf die Netzwerkleistung mit sich bringen. Auch wird damit eine unglaubliche Vielfalt an neuen Services einhergehen, selbst wenn nach wie vor darüber diskutiert wird, wie das neue 5G-Netzwerk genau aussehen wird. Die meisten innovativen neuen Services, die uns erwarten, existieren bisher noch nicht einmal in der Phantasie!

Werden die wichtigen MBH-Netze in der Lage sein, die angestrebten Leistungsziele zu erbringen, wie auch immer diese aussehen mögen? Ich denke ja, denn ich glaube, dass die beste Methode, ein scheinbar unmögliches Ziel zu erreichen, darin besteht, der Forschungsgemeinschaft zu sagen, dass sie dazu nicht fähig ist, und dann dem Ehrgeiz der Ingenieure zu vertrauen.

5G wird mit neuen Fähigkeiten die unterschiedlichsten Märkte und Branchen beeinflussen, beispielsweise durch sicherere Transaktionen und die Förderung des IoT. Es wird zu Änderungen bei Organisationen führen und Chancen für neue Applikationen, Anwendungsfälle und Geschäftsmodelle bieten. Wer hätte vor einigen Jahrzehnten gedacht, dass das gesamte Wissen der Menschheit einmal auf einer Handfläche verfügbar sein würde? Es überrascht nicht, dass sich mit 5G alles ändern wird. Zwar ist es noch ein Geheimnis, wie genau das Netz aussehen wird – aber es ist kein Geheimnis, dass Ingenieure sich der Herausforderung stellen werden, um 5G Realität werden zu lassen.