5G – Das Highspeed-Mobilfunknetz der Zukunft

Der superschnelle Mobilfunkstandard 5G ist die Grundlage der vernetzten Gigabit-Gesellschaft. Er wird besonders Anwendungen mit hohen Anforderungen an den Datenaustausch beflügeln. In einer Smart City können dank 5G Stau- und Unfallwarnungen sowie freie Parkplätze in Echtzeit an Autofahrer gemeldet werden. Fahrzeuge können untereinander bzw. mit der Infrastruktur kommunizieren – die schnelle und sichere Datenübertragung ist ein Treiber für das hoch-automatisierte Fahren. Selbst Software-Updates mit neuen Funktionen für das Auto sind über die Mobilfunk-Schnittstelle in Sekundenschnelle möglich.

Ein anderes wichtiges 5G-Einsatzfeld ist die Industrie 4.0. Mit ihren vernetzten Wertschöpfungs- und Lieferketten, der breitflächigen Sensorüberwachung von Produktionsanlagen und miteinander interagierenden Robotern ist sie auf eine leistungsfähige Kommunikation angewiesen.

Auch die Nutzung von Medien wird dank des superschnellen Mobilfunks künftig individueller, flexibler und vielfältiger. Bei einem Konzert oder Fußballspiel können mehrere tausend Menschen gleichzeitig auf das mobile Internet zugreifen. Sie können das Event ohne Zeitverzögerung interaktiv und aus verschiedenen Perspektiven in 4K/8K Super-HD auf dem Smartphone mitverfolgen. Gegenüber LTE weist 5G eine um den Faktor 100 höhere Datenkapazität und eine mehr als tausendfach schnellere Datenübertragung auf. Dank kaum merklicher Latenzzeiten ermöglicht der Mobilfunkstandard eine blitzschnelle Reaktion im Netz und benötigt dabei weniger Strom. Die Basis für diese beeindruckenden Leistungen sind vier Innovationen.

Bisher nutzen Smartphones und andere elektronische Geräte einen engen Frequenzbereich zwischen 3 KHz und 3 GHz. Doch eine rasant wachsende Zahl an mobilen, vernetzten Geräten und Dingen teilen sich diesen Bereich – mit der Folge, dass die Datenübertragung immer langsamer wird und die Störanfälligkeit der Verbindung steigt. Die Lösung ist die Nutzung von Frequenzen im Bereich unter 6 GHz, aber insbesondere in dem Millimeterwellenbereich mit Frequenzen zwischen rund 30 und 300 GHz, in dem heute mobile Geräte noch keine Daten übertragen. Hier steht ausreichend Bandbreite für das Internet der Dinge bereit. Einen Nachteil haben allerdings Millimeter-Wellen: Sie durchdringen keine Hauswände aus Stein und können von Bäumen oder starkem Regen absorbiert werden.

Um Funklöcher bei der Datenübertragung im Millimeter-Bereich zu vermeiden, werden viele kleine Sendestationen in die räumliche Nähe der Teilnehmer gebracht. Sie bilden ein Small Cell Network, das als Verlängerung des bisherigen Mobilfunknetzes dient. Dieser Ausbau des bestehenden Netzwerkes ermöglicht Nutzer in der Nähe zu erreichen, wobei nur niedrige Sendeleistungen benötigt werden. Durch die geringeren Abstände der Stationen kann das Mobilfunkgerät oder IoT-Device immer eine gute Verbindung zur nächsten Station finden. Infineon liefert die dafür nötigen Höchstfrequenz-Bauelemente. Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMIC) ermöglichen die Datenübertragung mit Frequenzen von bis zu 90 GHz, aktuell fokussiert der Markt Frequenzen bis zu 40 GHz.

Bei einem Übertragungssystem mit MIMO-Technologie (Multiple Input Multiple Output) wird der Datenstrom über mehrere Sende- und Empfangsantennen übertragen. Das verbessert das Empfangssignal, vergrößert die mögliche Distanz und erhöht insgesamt den Datendurchsatz. Während LTE üblicherweise maximal acht Antennenelemente kombiniert, erfordert 5G deutlich mehr Leistung: Bei Millimeterwellen kommen häufig mehrere hundert Antennen an einer Sende- bzw. Empfangsstation zum Einsatz. Diese optimierte Mehrantennentechnik, Massive-MIMO genannt, steigert die Kapazität des Mobilfunknetzes um ein Vielfaches. Allerdings erfordert Massive MIMO eine weitere Technologie, um die Vorteile der Millimeterwellen zu nutzen: Nur mit dem sogenannten Beamforming können die Signale fokussiert und zuverlässig übertragen werden.

Von herkömmlichen Antennen werden die Signale gleichmäßig in alle Richtungen abgestrahlt. Überschneiden sich die Signale mit denen anderer Sender, kann es zu Interferenzen kommen, die Signalübertragung wird ernsthaft gestört. Die Mehrantennentechnik des Massive MIMO löst in Kombination mit dem Beamforming dieses Problem: Durch das zeitlich versetzte Senden desselben Signals mit mehreren Antennen peilt der Sender den ungefähren Standort des Clients an und richtet seine Übertragungsleistung entsprechend aus – so wird ein Signalstrahl geformt, auf Englisch Beamforming. Ein Beamforming-Sender kann so in verschiedene Richtungen individuelle Signale an einzelne Empfänger versenden. Das erhöht die Reichweite, sorgt für eine stabilere Verbindung sowie höhere Übertragungsraten und reduziert unerwünschte Funkstörungen.

Mit der zunehmenden Vernetzung steigt der Bedarf an Datensicherheit. Smart Homes, vernetzte Autos und Industrie 4.0 benötigen Schutz vor unbefugtem Zugriff und Sicherheit von Daten und Prozessen. Mit innovativen Halbleiter-basierten Security-Lösungen schützt Infineon auch die zukünftige 5G-Mobilfunkstruktur vor der steigenden Anzahl von Sicherheitsbedrohungen.

Das Meeting mit den Kollegen aus dem Vertrieb hatte mal wieder bis in den späten Abend gedauert. Isabell Gredinger steuert ihr Auto durch die nächtliche Großstadt auf dem Weg nach Hause. „Um diese Zeit gibt es glücklicherweise keine Staus mehr wie sonst zur Rush Hour“, geht ihr durch den Kopf. Die Fahrt aus dem Norden der Stadt bis zu ihrer Wohnung in einem südlichen Bezirk kann am frühen Abend schnell mal mehr als eine Stunde dauern.

Der Nachteil des späten Feierabends: Kaum freie Parkplätze in den Straßen. Doch deswegen macht sich Isabell keine Sorgen. Ihr Wohngebiet ist Teil eines Pilotprojekts. Die Straßenlaternen sind mit Radarsensoren und Funkchips ausgestattet. Sie erkennen, ob Parkplätze in der Nähe frei sind und geben diese Information über das Mobilfunknetz an einen zentralen Server weiter.

In Isabells Auto ist eine entsprechende App installiert. Sie zeigt ihr über das Navigationssystem an, unter welchen Laternen freie Parkplätze sind. Isabell muss tatsächlich nicht lange suchen: Nur etwa 150 Meter von ihrer Wohnung entfernt kann sie parken. „Eine echte Erleichterung“, denkt Isabell beim Einparken. „Das spart Zeit und Sprit. Und man nervt nicht die Nachbarn, wenn man zum dritten Mal durch ihre Straße fährt.“

Mehr Informationen zur intelligenten Straßenlaterne "eluminocity"

Auch Leon Becker steuert sein Auto gerade in eine Parklücke. Er hat das Fahrzeug erst vor wenigen Monaten geleast und ist immer noch begeistert von den neuen Möglichkeiten. Im Stau fährt es schon komplett autonom. „Ein Computer auf Rädern“, dachte er damals, nachdem der Händler ihm alle Funktionen erklärt hatte.

Als er den Motor abstellt, erhält er einen Hinweis im Display: Der Fahrzeughersteller bietet ihm ein neues Software-Update an mit einer Reihe von neuen Funktionen, die das Fahren noch sicherer und komfortabler machen. Dafür muss sein Auto nicht einmal mehr in die Werkstatt. Ähnlich wie bei seinem Mobiltelefon kann er das Update über eine Mobilfunk-Schnittstelle des Autos – die so genannte Telematics-Unit – abrufen. Sicherheitschips sorgen dafür, dass nur der autorisierte Dienstanbieter auf das Auto zugreifen kann.

Dank des schnellen 5G-Netzes sollen der Ladevorgang und die Installation der neuen Software-Versionen nicht länger als 20 Minuten dauern. Da Jürgen das Auto erst am anderen Morgen wieder braucht, bestätigt er das Update. Er steigt aus und schließt das Auto ab, während das Update bereits geladen wird. Die aktualisierte Bedienungsanleitung wird in wenigen Sekunden automatisch direkt auf sein Smartphone gespielt. So hat er die Möglichkeit, sich sofort über die neuen Funktionen zu informieren. Morgen früh kann er den erweiterten Funktionsumfang seines Autos nutzen.

Punktgenau kommt der Pass auf den freistehenden Mittelstürmer. Der nimmt den Ball an und schießt direkt. Tor! Über 70.000 Zuschauer jubeln. Gregor Westkamp und sein Sohn Julian sitzen im Fußballstadion. Wie üblich hält Julian sein Smartphone in der Hand. Er verfolgt das Geschehen auf dem Feld, blickt aber immer wieder auch auf das Display. Ein großer nationaler Fernsehsender überträgt das Spiel live im Internet.

Julian erlebt das Spiel vor sich auf dem Platz und gleichzeitig auf seinem Handy, das die Partie aus verschiedenen Kameraperspektiven ebenfalls zeigt. Und das praktisch ohne Zeitverzögerung. Das schnelle 5G-Netz macht’s möglich. Julian hat sogar einen kleinen drahtlosen Lautsprecher im Ohr und hört parallel den Kommentator des Senders.

Gregor genießt lieber die Stimmung im Stadion. Er schaut sich um. Viele Zuschauer nutzen ihr Smartphone und sehen das Fußballspiel zweifach. Das ist inzwischen bei Großveranstaltungen ein echter Trend geworden. „Schon bemerkenswert“, denkt er. „Mehrere Tausend Menschen können hier gleichzeitig auf das mobile Internet zugreifen, ohne dass es zu Engpässen kommt.“

Letzte Aktualisierung: Februar 2018