Wie 5G Innovation fördert

Das erste iPhone wurde 2008 in der Schweiz ein­geführt. Niemand ahnte damals, wie schnell die Entwicklung der nächsten Dekade ablaufen würde, wobei der grösste Entwicklungsschritt zu LTE/4G vollzogen wurde. Es ist das erste voll IP-basierte Mobilfunknetz – etwas, das man bei UMTS/3G noch für unmöglich hielt. Kommunikationsnetze und Endgeräte wurden dank hochintegrierter Schaltungen und neuer Funkcodecs immer leistungsfähiger. Glasfaser- und Mobilfunknetze sind zentrale Teile der Digitalisierung der Schweiz. Digital ablaufende Prozesse können ohne leistungsfähige Mobilfunknetze nicht funktionieren.

Im letzten Mobilfunktest der Zeitschrift «connect» schnitten alle drei Schweizer Anbieter wiederum bemerkenswert positiv ab. Wo vorhanden, wurde erstmals auch 5G in den Messungen erfasst, wo Sunrise und Swisscom praktisch gleichauf zogen. Bei der 5G-Abdeckung steht Salt zwar noch am Anfang, nicht zuletzt wegen der bekannten Probleme mit dem Rollout. Durch die neue Dual-Provider-Strategie verringert sich jedoch der Abstand und so lieferte Salt in seinen ers- ten 5G-Zellen bereits Top-Werte. Denn 5G spielt in der Daten­disziplin eine wichtige Rolle – abhängig vom jeweils vorhandenen Ausbaustand.

5G ist eine leistungsfähige Weiterentwicklung des Mobilfunks, der bei der ersten digitalen Generation 2G/GSM Anfang der 1990er-Jahre begann und seinen vorläufigen Höhepunkt aktuell bei 5G findet. Hier läuft die Datenübertragung im Vergleich zu heutigen Netzen bis zu hundertmal schneller ab. Zudem wird die Latenz auf 1/50 ver­ringert und beträgt unter 10 ms, was verzögerungsfreie Kommunikation in Echtzeit ermöglicht – und das bei völliger Flexibilität ohne lästige Kabel. Dies ist etwa in der industriellen Produktion hochwertiger Güter oder auf Baustellen von Vorteil.

Durch die wesentlich effizientere Ausnutzung der Frequenzen kann ein 5G-Sender bedeutend mehr Endgeräte gleichzeitig versorgen als jede Generationen zuvor. Dies ist ins­besondere für vernetzte Anwendungen wie das Internet der Dinge (IoT) von grosser Bedeutung, wo eine grosse Anzahl intelligenter Sensoren und sogenannter «Smart Devices» zum Einsatz kommen. 5G ermöglicht neue Anwendungen in Gemeinden und Städten (Smart Cities), im Gesundheitswesen (Smart Health) sowie in der Landwirtschaft (Smart Farming).

Doch wie werden die 5G-Innovationen umgesetzt und die hohen Versorgungsziele erreicht? Dazu stehen zahlreiche bestehende, aber weiter ausgefeilte wie auch neue Funk­tionen bereit. Neben der Bündelung von Funkkanälen (Carrier Aggregation, CA) wurde auch die Nutzung von MIMO (Multiple Input, Multiple Output) als funktechnische Grundlage für 5G bereits bei LTE/4G gelegt. Dabei handelt es sich um eine Mehrantennentechnik mit räumlich separierten Datenströmen. Während bei 4G/LTE und auch bei WLANs bis zu vier Antennenpaare in der Basisstation und im Endgerät vorgesehen sind, nutzt 5G bis zu 32 Antennen im Sender sowie entsprechend winzige Antennen im Endgerät.

Während der Übertragung nutzt der Raummultiplex («Spatial Multiplexing») die räumlich statistischen Eigenschaften eines Funkkanals mehrfach aus und verteilt den Datenstrom gleichmässig auf N Sendeantennen. Dadurch muss jede Antenne nur die 1/N-fache Datenrate abstrahlen, was auch die Energieeffizienz und Strahlungsarmut von 5G erklärt. 5G passt sich während der Übertragung flexibel an die wechselnden Eigenschaften des Kanals an. Alle Schichten des Kommunikationssystems inklusive der komplexen Sende- und Empfangssysteme für Mehrantennensysteme müssen unter Echtzeitbedingungen einwandfrei laufen.

Dabei wird aus den verschiedenen Empfangssignalen über komplizierte Algorithmen ein optimiertes Summensignal ermittelt. Im Idealfall erreicht man damit einen besseren Datendurchsatz, da die Sende- und Empfangswege nicht den gleichen Störungen unterliegen. Signalverluste und Interferenzen werden somit wirkungsvoll vermieden oder korrigiert. Und durch weitere Fortschritte der Mikroelektronik und intelligente Connectivity-Codecs hat die erforderliche hohe Rechenleistung im Endgerät nicht wie bisher zwangsläufig hohe Akkuleistungen zur Folge.