5G: Der neue Mobilfunk erklärt
Kategorie
Solutions
Die neueste Generation des Mobilfunks ist 5G. Sie verspricht eine schnellere Datenübertragung, eine zuverlässige Verbindung und eine bessere Netzabdeckung. Der 5G-Standard dient damit als technologische Grundlage für neue Anwendungen.
Definition und Bedeutung des 5G-Standards
Die Abkürzung 5G steht für die fünfte Generation des Mobilfunks. Die Technik ist der Nachfolger von 4G und bringt im Vergleich zu den vorherigen Generationen folgende Verbesserungen mit sich:
- Daten werden schneller übertragen
- Mehr Daten werden in weniger Zeit übertragen
- Die Reaktionszeit steigt
- Die Latenzzeit sinkt
- Die verwendeten Frequenzen steigen
Während 2G, 3G und 4G vor allem für die Sprachkommunikation und das mobile Internet genutzt werden, zielt die neue Technik auf breitere Anwendungsfelder ab. Dazu gehören autonomes Fahren, Industrie 4.0 und Smart Cities.
Die Funktionsweise von 5G
Die 5G-Technologie nutzt die bestehende 4G-Infrastruktur. In diesem Fall spricht man von 5G Non-Standalone (5G NSA), da das Netzwerk noch nicht eigenständig funktioniert. Die volle Leistung wird erst mit einem eigenständigen 5G Standalone (SA) Netz erreicht werden. Dafür sind neue Sendemasten mit fortschrittlicher Technologie notwendig.
Bisheriger Ausbau des 5G-Netzwerks
Für den 5G-Ausbau wurden neue Funkstandorte errichtet und die bestehenden Mobilfunknetze aufgerüstet. Dabei kommen Small Cells, Massive MIMO (Multiple Input Multiple Output) und Makrozellen zum Einsatz.
- Small Cells: Diese kleinen Funkzellen in Laternen und an Gebäuden decken nur einen begrenzten Bereich ab, übertragen aber eine große Datenmenge. Sie werden in dicht besiedelten Gebieten wie Städten eingesetzt und ergänzen das bestehende Netz.
- Massive MIMO (Multiple Input Multiple Output): Dabei werden mehrere Antennen an einem einzigen Sendemast befestigt. Das verbessert die Signalübertragung und erhöht die Netzkapazität in Städten.
- Makrozellen: Die sogenannten Makrostandorte sind große Funkzellen auf Gebäudedächern oder frei stehenden Sendemasten. Makrozellen stärken in ländlichen Gebieten das Netz.
Mehr Frequenzbereiche im neuen Mobilfunknetz
5G verwendet wie die älteren Mobilfunkgenerationen niedrige und mittlere Frequenzen bis zu 2 GHz. Neu ist der Einsatz hoher Frequenzbereiche zwischen 3 und 4 GHz. Langfristig sollen Daten mit 24 GHz und höher übertragen werden.
Dabei gilt: Je niedriger eine Frequenz ist, desto länger sind die Wellen. Das erhöht sowohl Reichweite als auch Gebäudedurchdringung. Allerdings werden auch weniger Daten übermittelt. Bei hohen Frequenzen sind die Wellen kürzer und die übertragene Datenmenge ist höher. Die Reichweite sowie Gebäudedurchdringung ist jedoch entsprechend kleiner.
Der 5G-Standard deckt niedrige bis hohe Frequenzen ab und bedient verschiedene Bedürfnisse. Niedrige Frequenzen bis 1 GHz ermöglichen 5G auf dem Land und unterstützen kritische Anwendungen wie autonomes Fahren oder Telemedizin. Diese benötigen eine stabile Netzverbindung über weite Strecken. Hohe Frequenzen ab 3 GHz reichen für kleine Flächen aus und sind optimal für die Industrie 4.0 oder Bahnhöfe. Solche Anwendungen brauchen in begrenzten Bereichen ein schnelles und zuverlässiges 5G-Netz in kleinerer Reichweite.
Beamforming: Signale gezielt übertragen
Herkömmliche Antennenmasten senden Signale ziellos in alle Richtungen. Masten mit Beamforming-Technologie lenken die Funkwellen gezielt in die Richtung bestimmter Endgeräte und steigert die Effizienz des 5G-Netzes. Dadurch können mehr Geräte gleichzeitig bedient, die Verbindung in stark frequentierten Gebieten aufrechterhalten und die Datenübertragung bedarfsgerecht angepasst werden.
Network Slicing: Das 5G-Netz in Segmente aufteilen
Die Bedarfsanpassung wird durch Network Slicing ermöglicht. Die Technologie unterteilt ein 5G-Netzwerk in mehrere Schichten. Jede Schicht kann bedarfsabhängig auf spezifische Anforderungen und Anwendungsfälle zugeschnitten und parallel betrieben werden.
Ein Beispiel ist die Trennung von Netzwerken für industrielle Anwendungen und für normale Verbraucher. Ein Netzwerk-Slice bietet niedrige Latenzzeiten und hohe Zuverlässigkeit für autonome Fahrzeuge, während ein anderer Slice für das Streaming von Videos optimiert ist.
Die Vorteile von 5G
Der 5G-Mobilfunk erreicht Datenraten von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde. Das entspricht einer etwa 10-fach höheren Geschwindigkeit als bei 4G. Die Latenzzeit, also die Verzögerung bei der Datenübertragung, sinkt auf unter zehn Millisekunden. 5G überträgt Daten sowohl über herkömmliche Frequenzbereiche von 2 GHz als auch über neue Frequenzen zwischen 3,4 und 3,7 GHz
Was bedeuten diese Eigenschaften für Verbraucher und Unternehmen?
- Große Datenmengen: Durch die hohe Datenrate werden große Datenmengen schneller übertragen. Große Dateien und Videos werden in wenigen Sekunden heruntergeladen.
- Niedrige Latenzzeiten: Die geringen Latenzen ermöglichen Echtzeitanwendungen. Anwendungen wie autonomes Fahren und Augmented Reality können schnell und zuverlässig betrieben werden.
- Schnelle Netzabdeckung: Die Nutzung verschiedener Frequenzen ermöglicht eine flächendeckende und schnelle Netzabdeckung. 5G vernetzt so bis zu 50.000 Geräte gleichzeitig, ohne die Geschwindigkeit zu beeinträchtigen.
- Größere Bandbreite: 5G bietet eine größere Bandbreite, überträgt mehr Daten gleichzeitig und in kürzerer Zeit. Datenintensive Anwendungen wie Telemedizin profitieren von der höheren Leistung.
- Effiziente Datenübertragung: Mittels Network Slicing passt 5G die Datenübertragung intelligent an unterschiedliche Anwendungen an. Die Netzwerke sind damit energieeffizienter als vorherige Mobilfunkgenerationen.
Nachteile und Herausforderungen der 5G-Technologie
Der 5G-Standard wird seit 2019 kontinuierlich ausgebaut. Bis ein komplettes und eigenständiges Netz verfügbar ist, wird es aber noch dauern. Das liegt vor allem an den Kosten und dem Infrastrukturausbau.
- Hohe Implementierungskosten: Der Aufbau von 5G-Netzwerken erfordert erhebliche Investitionen in neue Anlagen. Der Betrieb und die Wartung sind ebenfalls kostenintensiv.
- Notwendige Infrastrukturänderungen: 5G benötigt eine dichtere Netzabdeckung. Voraussetzung sind mehr Antennen und Basisstationen. Bestehende Netzwerke und Geräte müssen aufgerüstet oder ersetzt werden, um 5G-kompatibel zu sein.
- Ländliche Netzabdeckung: Der 5G-Ausbau auf dem Land kommt nur langsam voran. Die hohen Kosten und geringere Bevölkerungsdichte machen es weniger profitabel für Mobilfunkanbieter. Die Reichweite der hohen 5G-Frequenzen ist begrenzt und erschwert die Abdeckung in ländlichen Gebieten.
Neue Anwendungsmöglichkeiten mit 5G
Die Nutzung unterschiedlicher Frequenzen und neuer Technologien, wie Beamforming und Network Slicing, ermöglicht neue Anwendungen. 5G unterscheidet zwischen drei Bereichen für verschiedene Anforderungen: eMBB, mMTC und uRLLC. Diese zählen zu den aktuellen Zukunftsszenarien, bis das eigenständige 5G Standalone (SA) Netz vollständig aufgebaut wurde.
Enhanced Mobile Broadband (eMBB)
Die eMBB-Technologie bietet extrem hohe Datenraten für Anwendungen, die große Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit übertragen müssen.
Typische Anwendungen für eMBB sind:
- Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR): VR und AR profitieren von den hohen Geschwindigkeiten und geringen Latenzzeiten des 5G-Netzes. Das ermöglicht flüssige und immersive Erlebnisse in hoher Qualität.
- Streaming in 4K und 8K: Hochauflösendes Streaming erfordert hohe Datenraten, die durch eMBB bereitgestellt werden können.
Massive Machine Type Communication (mMTC)
Der Anwendungsbereich optimiert die Machine-to-Machine-Kommunikation und vernetzt eine hohe Anzahl an Low-Cost- und Low-Energy-Geräten.
Anwendungsbeispiele für mMTC sind:
- Smart Cities: Vernetzte Städte nutzen Sensoren zur Überwachung und Steuerung der Verkehrsströme, des Energieverbrauchs und der öffentlichen Sicherheit. Das ermöglicht eine intelligente Verkehrssteuerung, eine effiziente Energieverwaltung und verbessert die öffentliche Sicherheit.
- Smart Agriculture: In der Landwirtschaft überwachen Sensoren die Bodenfeuchtigkeit sowie Temperatur und automatisieren Bewässerungssysteme. Das steigert die Produktivität und schont Ressourcen.
Ultra-Reliable Low-Latency Communication (uRLLC)
Die Technik unterstützt Anwendungen mit sehr geringen Latenzen, die nicht ausfallen dürfen.
Dazu zählen:
- Autonomes Fahren: Fahrzeuge müssen in Echtzeit mit ihrer Umgebung kommunizieren. Eine stabile und schnelle Netzwerkverbindung ist entscheidend für die Sicherheit und Effizienz autonomer Transportsysteme.
- Medizinische Anwendungen: Die Telemedizin benötigt eine zuverlässige und schnelle Datenübertragung. So erfolgen wichtige Fernoperationen und die Patientenüberwachung in Echtzeit.
Risiken und Sicherheitsaspekte des 5G-Mobilfunks
5G-Netze sind komplexer und umfangreicher als frühere Mobilfunkgenerationen. Das eröffnet neue Angriffsflächen für Cyberkriminelle. Die hohe Vernetzung und die Vielzahl der angeschlossenen Geräte erleichtern das Finden und Ausnutzen leichter Schwachstellen. Fehlerhafte Implementierungen von Network Slicing oder Massive MIMO führen ebenfalls zu Sicherheitslücken.
Mit 5G werden große Datenmengen erfasst und verarbeitet. Wenn die Informationen nicht ausreichend geschützt sind, führt dies zu massiven Datenschutzproblemen. Vor allem im Bereich des Internets der Dinge (IoT) ist der Schutz sensibler Informationen von entscheidender Bedeutung.
Neue Sicherheitsfunktionen von 5G
Einige neue Schutzfunktionen sollen 5G-Netzwerke deutlich sicherer machen als die vorherigen Mobilfunkgenerationen.
Getrennte Sicherung der einzelnen Komponenten
5G-Komponenten werden mit neuen kryptografischen Lösungen getrennt gesichert und individuell geschützt. Sollte eine Komponente kompromittiert werden, bleiben die anderen weiterhin sicher. Das erhöht die Ausfallsicherheit und macht das gesamte Netz zuverlässiger.
Sicheres Roaming mit Authentication Confirmation (AC)
Beim Roaming in einem ausländischen Netzwerk sendet das Endgerät einen kryptografischen Beweis an den heimischen Anbieter über die Identität des ausländischen Anbieters. Der heimische Betreiber verifiziert anschließend die Identität des Gerätes. So stellt AC sicher, dass sich ein anerkanntes Gerät in einem Netz befindet und darüber ausgetauschte Daten geschützt bleiben. Ein unbekanntes Gerät kann abgelehnt werden.
Verschlüsselung der International Mobile Subscriber Identity (IMSI)
5G übermittelt die International Mobile Subscriber Identity (IMSI) eines Nutzers verschlüsselt. Das schützt die Identität der Netzteilnehmer vor Lauschangriffen. Durch die Verschlüsselung der IMSI wird die Sicherheit der Nutzerdaten erheblich erhöht.
FAQ: Häufig gestellte Fragen zu 5G
Was ist der 5G-Mobilfunk?
5G ist die fünfte Generation des Mobilfunks und der Nachfolger von 4G.
Was ist der Unterschied zwischen 4G/LTE und 5G?
5G bietet höhere Geschwindigkeiten, geringere Latenzzeiten, Echtzeitkommunikation und eine größere Netzwerkkapazität als 4G.
Wie schnell ist der 5G-Standard?
Der neue Mobilfunk kann Datenraten von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde erreichen. Das ist eine 10-fach höhere Datenübertragung als bei 4G.
Wie funktioniert 5G einfach erklärt?
Das 5G-Netz verwendet mehr Frequenzbereiche und neue Technologien wie Beamforming und Network Slicing. Diese verbessern die Netzabdeckung und Signalqualität.
Warum ist 5G so wichtig?
Ein 5G-Netzwerk überträgt Daten schneller und verbindet mehr Geräte miteinander. Der Mobilfunkstandard ermöglicht neue Anwendungen wie autonomes Fahren und Smart Cities.
Was sind die Nachteile von 5G?
Die Nachteile sind hohe Implementierungskosten, ein umfassender Infrastrukturumbau und der langsamere Netzausbau in ländlichen Gebieten.
Warum sind IoT und 5G eine gute Kombination?
5G und IoT (Internet of Things) ergänzen sich ideal, weil 5G hohe Datenraten, geringe Latenz und die Anbindung tausender Geräte gleichzeitig ermöglicht. So können IoT-Anwendungen in Echtzeit reagieren, skalieren besser und funktionieren auch in stark vernetzten Umgebungen zuverlässig.