5G – Das Highspeed-Mobilfunknetz der Zukunft

Die nächste Entwicklungsstufe des Mobilfunks ist 5G. Diese neue Technologie ermöglicht eine vielfach höhere Datenkapazität und extrem geringe Reaktionszeiten. Damit eröffnen sich völlig neue Anwendungsmöglichkeiten für eine vollständig vernetzte Gesellschaft.

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.

Was bedeutet 5G?

Was bedeutet 5G?

5G ist die Abkürzung für „Fifth Generation“, die Bezeichnung für den nächsten Standard in der mobilen Kommunikation. Dieser Standard wird den derzeitigen LTE-Standard (4G) ablösen. Frühere Standards waren UMTS (3G) und GSM (2G). 5G wird größere Bandbreiten von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde und extrem geringe Reaktionszeiten bieten. Das ermöglicht eine deutlich höhere Übertragungsgeschwindigkeit und erfüllt die zunehmenden Anforderungen an die Kommunikation in einer zunehmend vernetzten Gesellschaft. 5G wird deutlich weniger Strom für die Datenübertragung benötigen: Im Vergleich zum Vorgängerstandard benötigt 5G pro übertragenem Bit nur ein Tausendstel der Energie.

Überblick: Smart vernetzt mit 5G

Grüne Übertragungswellen: Base Station (Macro Cell, massive MIMO) < 6 GHz
Violette Übertragungswellen: Small Cell (Beamforming) > 6 GHz

100-fach höhere Übertragungsgeschwindigkeit

Mit 5G Daten in Echtzeit senden und empfangen: wichtig für Industrie 4.0 – aber auch für ein überzeugendes Nutzererlebnis im Alltag

1000-fach höhere Datenkapazität

Mit 5G können viele Anwender schnell gleichzeitig senden und empfangen: Besonders bei Großveranstaltungen profitieren die Nutzer

50 Milliarden vernetzte Geräte bis 2020

5G wird Wegbereiter für das Smart Home: der Kühlschrank ist vernetzt, WLAN-Router und TV-Gerät lassen sich aus der Ferne programmieren

Zuverlässiges Netz

5G sorgt für stabile Verbindungen: auch bei Tempo 600 im Zug und in Randbereichen von Mobilfunkzellen

Intelligente Verbindungen

5G in der Smart City: Signale bewegen sich zielgerichtet zu den Geräten, für die sie bestimmt sind

Hohe Sicherheitsanforderungen

Mit 5G werden noch mehr Daten an noch mehr Geräte übertragen: Geräte und Daten müssen vor unbefugtem Zugriff geschützt werden

Geringer Energieverbrauch

5G spart Strom: Sendeanlagen suchen das Empfangsgerät und senden nur bei Bedarf; wird eine Verbindung nicht mehr benötigt, wird sie beendet

Kurze Latenzzeiten

Mit 5G Kommunikation in Echtzeit: Reaktionszeiten von einer Millisekunde sind wichtig für vernetzte Autos, Industrie 4.0 oder Telemedizin
Welche Vorteile bietet 5G?

Welche Vorteile bietet 5G?

Im Vergleich zu LTE wird der neue Mobilfunkstandard 5G eine etwa 100-mal schnellere Übertragungsgeschwindigkeit anbieten mit Datenraten von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde. Selbst Videos im 4K-Format können blitzschnell geladen werden. Der Download des Inhalts einer DVD dauert weniger als fünf Sekunden. Verzögerungen, wie man sie bei Videotelefonie kennt, werden der Vergangenheit angehören. Damit werden Anwendungen wie Telemedizin möglich, bei der ein Arzt chirurgische Eingriffe über das Internet vornimmt. Gleichzeitig erlaubt das neue 5G-Netz größere Bandbreiten, sodass viele Nutzer gleichzeitig schneller versorgt werden und eine höhere Qualität erhalten. Somit wird 5G viel stabiler und zuverlässiger arbeiten.

Einfach erklärt: Wie 5G funktioniert

Millimeterwellen

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 Dinge bereit. Einen Nachteil haben allerdings Millimeter-Wellen: Sie durchdringen keine Hauswände aus Stein und können von Bäumen oder starkem Regen absorbiert werden.

Small Cell Network

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.

Massive MIMO

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.

Beamforming

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.

Datensicherheit durch Halbleiterlösungen

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.

Wann kommt 5G?

Wann kommt 5G?

Der Aufbau einer neuen Mobilfunkinfrastruktur ist mit enormen technischen und finanziellen Herausforderungen verbunden. So existieren zur Zeit erste Anwendungen, die aber noch eher einen Pilot-Charakter haben. Zum Beispiel demonstrierte Südkorea zu den Olympischen Winterspielen 2018 erste 5G-Millimeterwellen-Anwendungen. In Berlin sind die europaweit ersten vier Funkzellen in 2017 in Betrieb gegangen, die live und in realer Umgebung über 5G senden. In den USA hat Verizon angekündigt, Pilotprojekte mit 28 GHz Millimeterwellen noch in 2018 zu starten. AT&T will in 2019 in mehreren Städten der USA Versuche mit 5G-Übertragungen im 39 GHz-Bereich starten. Bis zur flächendeckenden Verfügbarkeit wird es aber noch ein paar Jahre brauchen. In Europa soll zum Beispiel bis 2025 ein gut ausgebautes 5G-Netz in großen Städten stehen, so das Ziel des EU-Ministerrats.

3:02

Innovative Beamforming-Architektur für 5G

5G ist der Mobilfunkstandard der Zukunft – doch wie funktioniert er in der Praxis? Unsere Demo auf dem Mobile World Congress 2018 hat gezeigt, wie Transmitter mithilfe von Chips von Infineon Signale genau dorthin senden, wo sie gebraucht werden.

Anwendungsbeispiele: 5G im Alltag

Feierabend in der Smart City

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"

Neues Auto über Nacht

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.

Immer am Ball

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.“

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