5G – was ist das?

5G, oder anders ausgedrückt: Die 5. Generation des Mobilfunkstandards ist keine neue Technologie, sondern sendet Signale technisch genauso wie 3G oder 4G. Waren die ersten drei Mobilfunkgenerationen hauptsächlich für das Übertragen von Sprach- und Textsignalen vorgesehen, wurde mit 4G die mobile Internetnutzung mit hohen Datenübertragungsraten möglich. Mit 5G können aber neben den bisher genutzten Frequenzen von 2 GHz auch Frequenzen zwischen 3,4 und 3,7 GHz genutzt werden. Bei höheren Frequenzen sinkt zwar die Reichweite, die Übertragungsrate steigt aber und ist mit 5G erstmals auf dem Niveau einer Glasfaser, unter Idealbedingungen könnten bis zu 10 Gbit/s erreicht werden. Als praktischen Vergleich kann man sich vorstellen, dass bei einer 50 Mbit DSL-Leitung der Download von 5 Gigabyte Daten ca. eine Viertelstunde und mit 5G nur ein paar Sekunden beträgt. 5G bietet aber nicht nur schnellere Datenübertragungen für Handys, sondern wird die Kommunikation zwischen Geräten aller Art nachhaltig verändern.

Signalübertragungen in Echtzeit

Dafür ist auch die bei 5G viel niedrigere Latenz verantwortlich. Denn für zukünftige Anwendungen ist eine geringe Latenzzeit, d.h., die Zeit vom Senden eines Signals bis zur entsprechenden Antwort entscheidend. Liegt diese bei LTE noch zwischen 60 und 90 Millisekunden (ms), beträgt sie bei 5G nur ca. 1ms. Dies stellt einen digitalen Quantensprung dar, denn es werden neue vernetzte Anwendungen möglich sein. Insbesondere betrifft das die Industrie mit Robotereinsätzen, Multiplayergaming erlebt eine neue Qualität und das vernetzte Fahren kann endlich Wirklichkeit werden. Denn gerade hier werden Signalübertragungen in Echtzeit notwendig sein, müssen doch Fahrzeuge in dem immer dichter werdenden Verkehr digital besser reagieren können, als dass es der Mensch vermag.

Neue Sendeanlagen: bessere Performance

Für ein 5G mit voller Performance sind neue Sendeanlagen notwendig, sogenannte Beamforming Antennen. Sie können 64 Signale parallel ausstrahlen und formen dabei 64 Beams (Keulen), die jeweils die Zellen für mehrere Empfängerantennen darstellen. Wird das Mobilfunksignal bisher kreisförmig ausgestrahlt und an den Rändern der Funkzelle schwächer, nimmt die aktive 5G Antenne direkten Kontakt mit dem Empfänger auf und sendet mit der jeweils für die Anwendung notwendigen Performance. Dabei kann dieselbe Frequenz für alle Geräte verwendet werden, da sich die gebündelten Strahlen nicht kreuzen. Mit der 5G Technik können durchschnittlich 1 Million vernetzter Geräte pro Quadratkilometer bedient werden, im Gegensatz zu ca. 100.000 heute.

Stadt, Land, Frequenz

Da wie immer alles Physik ist, kommt es bei den Antennen auch zum ersten Nachteil von 5G: Bei höheren Frequenzen sinkt die Reichweite und die Durchdringung von Gebäudemauern wird schwächer. Daher werden die Mobilfunkmasten im ländlichen Raum auch mit 5G eher niedrige Frequenzen senden, um die nötigen Reichweiten zu erzielen. Im urbanen Raum werden aufgrund der höheren Nutzeranzahl und der höheren Anforderungen an die Datenübertragungsraten Sendeanlagen im Abstand von ca. 300 Metern notwendig.

Versteckte Sender für optimale Abdeckung

Diese hohe Anzahl von Sendeanlagen kann nicht auf Dächern oder Mobilfunkmasten installiert werden, sondern wird in Form verschiedener Arten von Kleinzellen in Straßenlaternen, Ampeln, Litfaßsäulen oder Haustürlichtern verbaut. Damit wird ein flächendeckendes und performantes 5G Netz in dicht besiedelten Gebieten erreicht. Durch ein nationales Roaming oder ein Zusammenlegen von Sendemodulen könnte die Antennenanzahl reduziert werden. Mit beiden Forderungen konnte sich die Bundesnetzagentur bei der 5G Lizenzversteigerung allerdings nicht durchsetzen. Dadurch wird es auch in Zukunft ein Ärgernis sein, wenn der Handynutzer in bestimmten Gegenden zwar ein Netz vorfindet, es aber über seinen Provider nicht nutzen kann.

Wozu das alles, es gibt doch LTE?

Die Notwendigkeit von 5G wird in der Bevölkerung bei gut ausgebauten LTE-Netzen oftmals hinterfragt. Insbesondere kommen die zwei Themen höherer Energieverbrauch und höhere Strahlenbelastung immer wieder auf. 5G verbraucht bei gleichen Datenmengen deutlich weniger Energie als die Vorgängergenerationen. Oder anders ausgedrückt, es verbraucht mehr Energie, aber bei deutlich höheren Datenübertragungen.

Man kann sich das gut am Beispiel eines ICE (5G) vorstellen, der deutlich mehr Energie benötigt als ein Auto (LTE). Wenn aber mehr Autofahrer in den ICE umsteigen, wird insgesamt für die gleiche Strecke viel weniger Energie benötigt. Nach Angaben von O₂ verbraucht 5G bis zu 90 % weniger Energie pro transportiertem Byte als die Vorgängergenerationen. Dies wird durch die neuen Mobilfunkantennen und die zunehmende Virtualisierung von Hardware erreicht. Auch das unterschiedliche Vorgehen bei der Kommunikation zwischen Sender und Empfänger wirkt sich positiv auf den Energiebedarf aus. Wird bei der inaktiven LTE Mobilfunkantenne das Signal permanent kreisförmig unabhängig von der jeweiligen Nutzung gesendet, nimmt die aktive 5G Antenne nur bei Nutzung direkten Kontakt mit dem Empfänger auf.

CO₂ Einsparung durch 5G

Die zunehmende Digitalisierung wird einen weiteren, indirekten Einfluss auf den Energiebedarf von 5G haben. Wissenschaftliche Untersuchungen gehen davon aus, dass sich Geräte und Fahrzeuge durch die zunehmende Vernetzung in Zukunft sehr viel effizienter nutzen lassen, als dies bisher möglich ist. So können zum Beispiel Branchen wie die Logistik oder die Landwirtschaft besonders profitieren. Wenn Felder nur noch dort gedüngt werden, wo es notwendig ist und LKW auf die Minute abgestimmt fahren, lassen sich viele Tonnen CO₂  sparen.

Erhöhte Strahlenbelastung durch 5G?

Bei dem Thema Strahlenschutz gibt es bisher keine Nachweise, dass höhere Frequenzen von bis zu 3,7 GHz negative gesundheitliche Auswirkungen auf die Menschen haben.

„Eindeutig nachgewiesen ist bislang lediglich, dass die hochfrequenten Felder eine thermische, also wärmende Wirkung haben. Das kennt man auch aus der Mikrowelle“,

sagt Sarah Drießen vom Forschungszentrum für elektromagnetische Umweltverträglichkeit an der RWTH Aachen. Dabei spielt weniger die Sendeantenne, die im Zweifel mindestens ein paar Meter von Menschen entfernt installiert ist, als das Handy am Kopf eine Rolle. Hat dieses noch schlechten Empfang, also versucht permanent eine Verbindung zu halten oder aufzubauen, wird es sehr warm und könnte somit gesundheitliche Auswirkungen auf den Menschen haben. Dafür gibt es den sogenannten SAR-Wert, die spezifische Absorptionsrate in elektromagnetischen Feldern. Je niedriger der Wert, desto unkritischer die Gefahr für den Menschen. Das Bundesamt für Strahlenschutz empfiehlt einen Wert bis max. 2. Auf der Seite des Bundesamtes können sich Handybesitzer über den jeweiligen SAR-Wert ihres Gerätes informieren.

Datensicher surfen mit 5G

Beim Thema Sicherheit punktet das 5G Netz auch gegenüber LTE. So werden mit 5G beispielsweise die Nutzeridentitäten nur noch verschlüsselt übermittelt, bisher erfolgte sie unverschlüsselt. Die Komponenten werden ebenfalls durch neue Technologien besser gegen Angriffe von außen geschützt.

Neue Möglichkeiten – Campusnetze

Wird 5G von privaten Nutzern teils noch kritisch gesehen, gibt es in der Industrie einen riesigen Bedarf. Wie schon beim Thema Energiebedarf geschrieben, werden Unternehmen mit Hilfe von 5G in Zukunft in der Lage sein, sowohl bisherige Geschäftsmodelle effizienter betreiben zu können als auch neue Geschäftsmodelle zu generieren. Katalysator dafür können die sogenannten Campusnetze sein. Hier beantragt ein Unternehmen bei der Bundesnetzagentur eine Mobilfunklizenz und baut dann ein autarkes 5G Netz für seinen Campus auf. Ein solches 5G Campusnetz hat alle Funktionalitäten des öffentlichen Mobilfunknetzes, ist aber nur auf dem Firmengelände und mit dafür autorisierten Geräten erreichbar. Insbesondere ist die Kommunikation innerhalb des Unternehmens vor Angriffen von außen, anders als über das Internet geschützt. Unternehmen, die weltweit aufgestellt sind, könnten zum Beispiel mehrere Campusnetze zu einem virtuellen Mobilfunknetz zusammenschalten oder als neues Geschäftsmodell Teile des Campusnetzes an andere Unternehmen vermieten.

Deutschland droht den Anschluss zu verpassen

An diesen Beispielen sieht man, wie wichtig der 5G Ausbau für den Wirtschaftsstandort Deutschland sein wird. Ursprünglich hatte Deutschland das Ziel, als „5G Weltmeister“ zu agieren, ausgerufen. Angesichts verschiedener weltweiter Rankings, was den 5G Ausbau betrifft, ist dieses Ziel in weite Ferne gerückt. In vielen Ländern kann ein 5G Netz auf „der grünen Wiese“ zwar schneller aufgebaut werden als in Ländern wie Deutschland mit guter LTE-Infrastruktur, trotzdem hemmen hierzulande vor allem die übermächtige Bürokratie einen schnellen Ausbau. In Ländern wie Südkorea, Singapur oder Kuwait ist der 5G Ausbau so weit fortgeschritten, dass man sich schon mit Anwendungen beschäftigen und diese praktisch testen kann. Hier hat Deutschland dringenden Nachholbedarf, ansonsten verliert das Land wiederholt bei einer Schlüsseltechnologie den Anschluss an die Weltspitze und gefährdet damit langfristig die Wettbewerbsfähigkeit des Wirtschaftsstandortes Deutschland.

Ohne Glasfaser geht es nicht

Wenn man über 5G spricht, muss man auch über die dafür notwendige, hinter dem Mobilfunknetz liegende Infrastruktur sprechen. Anders als vielleicht noch landläufig gedacht, bedarf es für die 5G Sendeanlagen eine performante Verbindung zur Backend-Infrastruktur. Diese kann nur über Glasfaser hergestellt werden. Das heißt, dass jede 5G Sendeanlage, auch die Kleinantenne in der Straßenbeleuchtung, einen Glasfaseranschluss benötigt, um die enormen Datenmengen über die Rechenzentren zwischen den Nutzern zu transportieren und dabei eine höchstmögliche Datenübertragungsrate sicherzustellen. Daher wird auch in Zukunft die Glasfaser eine wichtige Rolle spielen und notwendige Voraussetzung beim Ausbau des Mobilfunknetzes sein. Denn ohne geht nicht!

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass 5G mit den hohen Übertragungsraten und der kurzen Latenz eine Revolution in der Kommunikation zwischen Nutzern und Geräten darstellen wird. 5G wird die Kommunikation zwischen Geräten aller Art nachhaltig verändern. Durch die hohe Anzahl von notwendigen 5G Antennen wird auch der Bedarf an Glasfaserinfrastrukturen steigen, um die gewaltigen Datenmengen performant transportieren zu können. Deutschland muss deutlich schneller bei Genehmigungen und dem Ausbau werden, um den Anschluss an die Weltspitze nicht zu verlieren. Denn die beschäftigt sich schon mit 6G, was an geeigneter Stelle weiter erläutert werden kann.

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Über Traeno GmbH

Die Traeno GmbH ist ein im Juni dieses Jahres gegründetes Beratungsunternehmen mit Sitz in Erfurt. Unter dem Motto „Bessermachen – vom #changemanagement zum #bettermanagement“ unterstützt die Traeno GmbH Kunden in der Organisations- und Prozessentwicklung sowie im operativen Projektmanagement.

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Über Heiko Kahl

Heiko Kahl ist Geschäftsführer der Traeno GmbH. Bis Mai 2022 war Heiko Kahl Geschäftsführer der Digitalagentur Thüringen, die Landesinstitutionen und Kommunen im Glasfaserausbau und der Digitalisierung berät. Zuvor war Heiko Kahl 13 Jahre bei Computacenter tätig und verantwortete zuletzt als Servicedirektor die Transformation und Transition komplexer Rechenzentrumsinfrastrukturen.

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