Digitale Infrastruktur

Smartes Deutschland: Eine Nation auf dem Weg zum Supernetz

Bild: Deutsche Telekom AG

Viele Anforderungen für die Standardisierung von 5G stehen fest. Jetzt gilt es, den Ausbau des Mobilfunknetzes in Deutschland voranzutreiben und die Fragen rund um die Realisierung umfassend zu klären

Zwei Modellautos liefern sich ein Rennen. Statt die Carrerabahn zu beobachten, verfolgen die Fahrer die Rallye über Augmented-Reality-­Brillen (AR, erweiterte Realität) und erhalten darüber zeitgleich wichtige Informationen zu ihrer Fahrtaktik und Navigation. Dieses Szenario fand im Herbst 2017 statt und war eine Sensation. Denn zum ersten Mal wurde 5G über vier Funk­antennen in Berlin-Schöneberg bei einer ­Livedemonstration getestet. Der Vorab-Standard der fünften Mobilfunkgeneration (5G New Radio) erreichte dabei Übertragungsraten von 2 Gigabit pro Sekunde. Das entspricht einer Downloadrate von 2000 Mbit/s, eine Installationsgeschwindigkeit, bei der Start und Ende miteinander verschwimmen.

Die Latenzzeit des 5G-Tests betrug nur 3 Millisekunden, was den Einsatz der AR-Brillen erst möglich macht, da diese sehr geringe Signalverzögerung von den Nutzern überhaupt nicht wahrgenommen wird. Bei einem herkömmlichen LTE-Netz dagegen hätte man spürbare Übertragungsverzögerungen in Kauf nehmen müssen.

Die Netzwelt von morgen

„5G ist viel mehr als nur die nächste Mobilfunkgeneration“, sagt Prof. Dr. Thomas Magedanz, Leiter des Geschäftsbereichs softwarebasierte Netze am Fraunhofer-Institut FOKUS. „5G ist eine zukunfts-weisende Technologie, die völlig neue Businessmodelle für verschiedenste Anwendungsbereiche ermöglichen soll. Dies gelingt, weil 5G ein programmierbares, also ein softwarebasiertes System ist, in dem sich Netz- und Dienstfunktionen dynamisch kombinieren lassen. Im laufenden Betrieb optimiert es sich sogar noch mittels Datenanalyse und maschinellem Lernen.“

Das heißt, das Netz ist nicht nur um ein Zigfaches schneller und damit effizienter als sein Vorgänger, sondern passt sich auch noch den Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen an. Diese lassen sich in drei Kategorien unterteilen, die als 5G-Anwendungsdreieck bezeichnet werden. Zunächst einmal geht es um Multimediadienste, die eine hohe Übertragungsbandbreite benötigen. Die derzeitigen LTE-Netze erreichen aktuell rund 100 Megabit pro Sekunde (Mbit/s). 5G dagegen kann bis zu 10 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) realisieren. Das entspricht 10.000 Mbit/s. Damit ist die Downloadrate von 5G einhundertmal schneller. Eine unvorstellbare Geschwindigkeit.

Der zweite Bereich ist das Internet of Things (IoT). Hier müssen Millionen von Geräten gleich-zeitig Zugang zum Netz erhalten, um unterein­ander Daten austauschen zu können. Das einzelne Gerät benötigt vielleicht keine hohe Bandbreite, aber in ihrer Summe stellen die Endgeräte eine immens hohe Anforderung an die Netzkapazität. Analysten des Marktforschungsunternehmens Gartner gehen davon aus, dass ab 2020 schon 20 Milliarden „Dinge“ weltweit miteinander vernetzt sein werden.

„Der dritte Bereich stellt die größte technologische Herausforderung dar“, sagt der Fraunhofer-Forscher. „Denn er umfasst Anwendungen, die eine Vernetzung mit niedriger Latenzzeit sowie einen hohen Sicherheits-, Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsstandard verlangen.“ Dazu gehören u. a. die Maschinensteuerung in der Produktion, autonome Fahrzeuge oder AR-Datenbrillen, die von Servicetechnikern für Reparaturen genutzt werden. 5G soll die Laufzeit der Signale um das Vierzigfache gegenüber LTE verringern, sodass die Reaktionszeit nur noch maximal 1 Millisekunde beträgt.

Deutschland als wichtiger Player

„Um die Chancen von 5G nutzen zu können, müssen Netzbetreiber, Ausrüster und die unterschiedlichen Wirtschaftszweige zusammengeführt werden. Hier gibt es bereits erste Aktivitäten, wie z. B. in der GSMA-Arbeitsgruppe zum Network Slicing oder die globale 5G Slicing Alliance“, so der FOKUS-Experte weiter. „Deutschland befindet sich in einer guten Position. Denn unsere Netzbetreiber sind sehr aktiv, erfahren und in vielen Bereichen federführend“, lobt er. Auch die von 5G profitierende Industrie sei hervorragend aufgestellt. „Von der industriellen Fertigung über die Logistik und Gesundheitsbranche bis zu den Automobilherstellern, unsere Akteure gehören weltweit zur Topliga“, erklärt Magedanz. „Von daher kann man Deutschland bereits jetzt eine wichtige Rolle beim 5G-Aufbau und bei der ­frühzeitigen Nutzung der Technik in verschiedenen Branchen attestieren.“

Dennoch würde er die Erwartungen, dass 5G hierzulande schon 2020 anläuft, zurückschrauben. „Zwar gibt es erste Netzaufbauaktivitäten, aber die Vorgängertechnologie 4G steht vor einem radikalen Umbruch. Das benötigt Zeit“, sagt er.

Dabei beziehe sich der Umbau auf die Zusammenführung verschiedener Netze, so Magedanz. „Bereits bestehende breit­bandige, mobile und feste ­Zugangs­netze wie Wifi, DSL, LTE, sogar ­Satelliten lassen sich in 5G integrieren.“ Das Festnetz soll dann Teil von 5G sein. „­Langfristig ge­sehen hat das Supernetz das Potenzial einer generalisierten Konnektivitäts­plattform für vernetzte Anwendungen.“

Grundsätzlich bescheinigt Magedanz Deutschland im internationalen Vergleich eine gute Netzinfrastruktur, auch wenn diese nicht bis in die letzten ­Winkel des Landes reichen würde.

„Die große Herausforderung bei 5G ­besteht darin, das Netz sinnhaft auszubauen und vor allem den Glasfaserausbau voranzutreiben, denn im Bereich Basisinfrastruktur hinkt Deutschland deutlich anderen Nationen hinterher.“ Auch die Anzahl der Antennen müsse erhöht werden. „Besonders für die Multimediadienste, die einen hohen Bedarf an Breitband haben, müssen wir die Antennenverteilung drastisch verdichten.“

5G  – Katalysator für die Wirtschaft

Der Standardisierungsprozess für die Anwendungsbereiche IoT und Multimedia könne nach Einschätzung von Magedanz noch in diesem Jahr in einer ersten Version abgeschlossen sein. Der dritte Bereich des Anwendungsdreiecks dagegen bietet noch ein Entwicklungspotenzial für die nächsten Jahre. „Hier stehen jetzt viele Forschungen an“, so Magedanz.

Die Anwendungsmöglichkeiten von 5G seien so vielfältig, dass viele erst noch erfunden werden müssen, führt der Experte an. Eine von ihnen ist der Einsatz von Augmented und Virtual Reality, die im Eingangsszenario beschrieben wurde. „Die mobile Telekommunikation war schon immer ein Katalysator für die Wirtschaft“, erläutert Thomas Magedanz. „2G änderte grundlegend die Art und Weise der Kommunikation. 5G dagegen wird das Fundament der Digitalisierung sein und dafür sorgen, dass jede beliebige Firma, die ein vernetztes Produkt herstellt, bei Bedarf ihr eigener virtueller Netzbetreiber werden kann.“

Der Lego-Baukasten

Durch die Netzprogrammierung lassen sich 5G-Netze so schnell und effizient verändern, dass sie den individuellen Anforderungen der Nutzer, in diesem Fall der Industrie, entsprechen. Das sogenannte Network Slicing, also die Realisierung von „Netzscheiben“ (Bezeichnung für hochoptimierte Netzfunktionen für bestimmte Anwendungsbereiche, siehe Anwendungsdreieck), ist ein wesentliches Designmerkmal von 5G. Wenn ein Unternehmen eine Netzinfrastruktur mit einer hohen Bandbreite benötigt wie z. B. ein Computerspiel-hersteller, kann er sich ein entsprechendes Netz von einem 5G-Netzbetreiber zur Verfügung stellen lassen und ein virtuelles Spezialnetz nach seinen Wünschen aufbauen und ­betreiben. Auf diese Weise werden Nutzer in Zukunft selbst zu Netzbetreibern. Zusätz-lich zur Industrie, die ihre eigenen sicheren Fertigungsnetze aufbaut, profitiert auch die Gesellschaft vom neuen Supernetz im „Lego-Baukasten-Format“. So kann die Gesundheits-branche ein dediziertes E-Health-Netz aufbauen, um zum Beispiel sichere, patientenspezifische Daten bereitzustellen.

Auch Städte und Kommunen können mithilfe von Network Slicing ihre virtuellen Netze so individuell konzipieren, dass sie auf die Anforderungen ihrer Verkehrssysteme oder Energieversorgung zugeschnitten sind.

Ein weiterer Technologietrend im Zuge von 5G ist das Edge Computing, über das die Datenverarbeitung dezentral stattfinden kann. Nur so können Anwendungen mit geringen Latenzanforderungen, wie im Anwendungsdreieck rechts unten beschrieben, unterstützt werden. Nehmen wir das Beispiel Straßenverkehr: Um hochauflösende Verkehrskarten für das autonome Fahren zu erstellen, werden Daten von Fahrzeugen in einer Basisstation in der Nähe der Fahrbahn mithilfe von Computermodulen gesammelt, gefiltert, verarbeitet und mit einer extrem geringen Latenzzeit verteilt. Dabei agiert jedes Fahrzeug auch als Sensor, das Probleme auf der Straße erkennt und die anderen Fahrzeuge warnt.

„Doch bis es so weit ist, muss Deutschland erst einmal flächendeckend mit Glasfaser und weiteren Antennen ausgestattet sein. Außerdem gilt es, noch weitere Fragen zu klären, unter anderem, wer die Netze betreibt“, so Magedanz.


Das kann 5G

  • 100-mal höhere Datenrate (also bis zu 10.000 Mbit/s)
  • Rund 1000-fach höhere Kapazität bzgl. Teilnehmer und Geräte
  • Weltweit 100 Mrd. mobilfunkfähige Geräte gleichzeitig ansprechbar
  • Extrem niedrige Latenzzeit von unter 1 Millisekunde
  • Höhere Verfügbarkeit in Form von Abdeckung und Zuverlässigkeit
  • Energieeffizienz

 

Dieser Artikel erschien im Einblick Politikbrief, Ausgabe 01/2018 Download Politikbrief 01/2018