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.

Die Virtualisierung von Netzfunktionen (NFV) ist aus hoch entwickelten Datennetzen bekannt, die sich flexibel an die aktuellen Bedürfnisse intelligenter Anwendungen anpassen können. Deren Credo ist: Bandbreite, Quality of Service (QoS) und Verfügbarkeit «on Demand». Dies bedingt eine grosse Skalierbarkeit und Elastizität des Netzes, die in dieser Art und Weise nur 5G bieten kann. Damit wird das Konzept von Software Defined Networks (SDN) auf Mobilfunknetze übertragen – ein Novum.

Aber die Innovationen gehen noch einige Schritte weiter. Beim Network Slicing werden 5G-Funkkanäle exklusiv für priorisierte Anwender wie Rettungsdienste reserviert, was Notfallsituationen entschärfen kann. Rettungssanitäter können so schon am Einsatzort Intensivmediziner via 5G-Live-Videoübertragung zuschalten und Leben retten. Diese garantierte Verfügbarkeit von Funkkanälen bot bisher noch keine Mobilfunkgeneration.

Das sogenannte Beamforming hingegen ist wesentlich umstrittener, geht es doch mit einer flexiblen Abstrahl­charakteristik der 5G-Sender einher, was mit den hiesigen Strahlenschutzgesetzen kollidiert. Dabei nutzt Beam­forming lediglich das Funkspektrum effizienter, da es weit entfernten 5G-Nutzern einen schmalen, aber längeren Funkstrahl bereitstellt, während nahe 5G-Nutzer einen breiteren mit mehr Bandbreite erhalten. Diese Nutzer können Menschen, aber auch lebensnotwendige Maschinen oder Messwerterfasser wie Felssturz- oder Lawinenmelder sein. Aber auch 5G-Nutzer in Rand- oder Bergregionen werden dank Beamforming deutlich besser erreicht. Bisher waren dazu langsame, teure und anfällige Freileitungen oder verzögerungsträchtige Satellitenanbindungen notwendig.

Lange erwartet, am 23. Februar 2021 aber endlich eingetroffen ist die ergänzte Vollzugshilfe des Bundesamts für Umwelt (BAFU), die Kantone und Gemeinden Klarheit geben soll, wie die Strahlung adaptiver Antennen zu berechnen ist. Berücksichtigt werden sowohl der Schutz der Bevölkerung vor Strahlung als auch die Interessen der Mobilfunknetznutzenden. Damit wird der Ausbau des 5G- Netzes mit adaptiven Antennen unter Einhaltung der heutigen Grenzwerte für Mobilfunkanlagen endlich ermöglicht (https://www.bafu.admin.ch/bafu/de/home/themen/elektro­ smog/mitteilungen.msg-id-82401.html). Diese werden auch weiterhin vollumfänglich eingehalten und die 5G-Standorte mit einem Korrekturfaktor belegt, der die be­sonderen Gegebenheiten variabler Sendeleistungen und Strahlformen (sogenannte «Beams») berücksichtigt.

Sensoren, Geräte und Infrastrukturen in Gebäuden, im Freien und unterwegs kommunizieren zuverlässig und in Echtzeit miteinander via 5G. Das ermöglicht beispielsweise eine optimale Auslastung von Strasse (weniger Stau) und Schiene (mehr Effizienz und höhere Pünktlichkeit) oder einen geringeren Energie- und Materialverbrauch in der Industrie (Ausfallzeiten, Abfall etc.). Durch einen höheren Mechanisierungsgrad und den Einsatz weniger Dünge­mittel und Pestizide kann auch die Landwirtschaft von grossen Einsparungen profitieren.

Auch der Energiebereich profitiert von 5G: Trotz verstärkten Einsatzes von Photovoltaik, Windenergie und anderen erneuerbaren Energieträgern soll eine sichere Stromversorgung möglich sein, so das Bundesamt für Energie (BFE) in seiner Energiestrategie 2050. Hier gilt es, Stromverbrauch und die wetterabhängige Stromproduktion in Echtzeit aufeinander abzustimmen. Dank 5G werden Smart Grids rasch und zuverlässig mit Wetterdaten und essenziellen Steuerungsinformationen versorgt.

Darüber hinaus wird die Sicherheit auf Strasse und Schiene mit 5G erhöht. Mit Echtzeit-Datenübermittlung kann auf der Strasse vor Unfällen und Gefahren gewarnt und der Verkehrsfluss verbessert werden. Züge können mit geringeren Abständen fahren und trotzdem rechtzeitig bremsen und anhalten. So können mehr Züge verkehren und mehr Passagiere sowie Güter transportiert werden. Durch eine geschickte Zugsteuerung im Bahnnetz wird zudem schon heute das stromfressende Bremsen und Wiederanfahren der schweren Züge minimiert. Mit 5G wird dies noch besser gelingen – dank völlig verzögerungsfreier Steuerung in Echtzeit.

Bei den Stichwörtern Augmented Reality (AR) oder Virtual Reality (VR) denken die meisten wohl an eine PlayStation. Jedoch werden dank AR und VR Botschaften und Inhalte weitaus eindrucksvoller zum Benutzer transferiert, als man es von klassischen Medien gewohnt ist. Dabei werden AR- und VR-Anwender echte Teile des Ganzen und gewinnen neue Erkenntnisse und Erfahrungen, etwa bei 360-Grad- Begehungen einer entfernten Lokalität. AR und VR können aber auch die Produktentwicklung und -einführung sowie die Positionierung einer Marke beleben und Prozesse anschaulicher darstellen. Dabei ermöglichen hochauflösende 360-Grad-Multikameraübertragungen völlig neue Arbeitsformen wie ortsunabhängiges Arbeiten für Servicetechniker oder Aussendienstmitarbeitende, um arbeitsbedingte Reisen weiter zu reduzieren.

Die produzierende und hoch automatisierte Industrie ist auf schnelle Infos zum Produktionsprozess angewiesen, um die typisch hohe Schweizer Qualität bei akzeptablen Preisen sicherzustellen. So lassen sich in der industriellen Produktion dank AR Maschinen und Prozesse per Sprachbefehl oder Gesten steuern. Bereits im Frühjahr 2017 entwickelten Swisscom und der Schweizer Medizinaltechnik-Hersteller Ypsomed AR-Anwendungen für ausgewählte Produktionsprozesse via 5G. Im Rahmen des Projekts hat Ypsomed ihre Produktionsprozesse für Injektions-PENs über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg digitalisiert.

5G dient der Digitalisierung des Warenbezugs, der Warenverfolgung über den gesamten Produktionsprozess, den Echtzeitauswertungen von Maschinendaten, der Virtualisierung von Computer-Ressourcen sowie Qualitätstests einzelner Bauteile über AR-Brillen. Dank papierloser und automatisierter Dokumentation der Prozesse, verminderten Produk­tionsunterbrechungen, kürzerer Reaktionszeiten und vo­rausschauender Wartungsdiagnosen werden Kosten reduziert und die hohe Fertigungsqualität gesichert.

Dank lokalem 5G-Netz wurden die Prozesse erheblich vereinfacht, noch sicherer sowie deutlich schneller und effi­zienter. Für die schnelle Datenlieferung an die Prozessrechner werden lokale Clouds eingesetzt, die zuvor aus globalen Clouds geholt wurden. Aber woher weiss der lokale Cloud-Server, welche Produktionsdaten seine Clients als Nächstes benötigen? Hier kommen intelligente Algorithmen ins Spiel, die dank statistischer Vorhersagen bereits im Voraus wissen, welche Daten eine Anwendung mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit als Nächstes benötigt. In der produzierenden Industrie sind solche Vorhersagen zentral, denn wenn falsche Daten aus der externen in die lokale Cloud geholt werden, kommt der Produktionsprozess ins Stocken oder es wird im schlimmsten Fall Ausschuss produziert. Die erstaunlich hohen Erfolgsquoten zeigen, dass dies jedoch nur sehr selten passiert.

Dieses Mobile Edge Computing (MEC) kommt auch bei der Verkehrssteuerung zur Anwendung. Intelligente Algorithmen können den voraussichtlichen Fahrweg oder das Verhalten vernetzter Fahrzeuge recht gut vorausbestimmen und den Verkehr entsprechend steuern. Bei der Telemedizin muss der lokalen Cloud bekannt sein, welche potenziellen Fälle zu lösen sind, um das passende Medikament oder schnelle Hilfe zu organisieren. In der Produktion werden allfällige Engpässe oder Qualitätsmängel bereits erkannt, bevor sie auftreten. Es liegt auf der Hand, dass in allen Fällen verlässliche Daten über das Verhalten der Maschine oder des Nutzers vorhanden sein müssen, um eine zutreffende Vorhersage erstellen zu können. Aber in den meisten Fällen sind diese Daten ohnehin vorhanden und müssen nur noch richtig interpretiert werden.

Leider besteht eine durchaus reale Gefahr böswilliger Angriffe auf die lokale Cloud. Denn die äusserst kleine Latenz lässt praktisch keine Zeit für ausführliche Virenscans oder intensive Packet Inspections zu, wie sie in Daten­netzen seit Langem üblich sind. Jedoch ist vorgesorgt: Ein intelligenter Algorithmus in der lokalen 5G-Cloud kann das Risiko böswilliger Manipulationen von Datenpaketen erkennen, bewerten und vorsorgliche Massnahmen treffen.

Swisscom war einer der ersten 5G-Provider weltweit und versorgt ähnlich wie Sunrise über 90 Prozent der Schweizer Bevölkerung mit 5G. Nun werden die Schweizer Nutzer seit 2012 praktisch überall durch LTE/4G verwöhnt, das bereits hohe Geschwindigkeiten bei recht tiefer Latenz bietet. Doch echte Innovationen gehen über die pure Connectivity hi­naus, was für die hiesigen 5G-Anbieter eine der vielen Herausforderungen darstellt. Genau dem stellt sich die «Swiss­com 5G Startup Challenge», die der Provider im Herbst 2020 gemeinsam mit seinen Partnern Ericsson und Qualcomm CDMA Technologies lancierte. Die Swisscom Startup Challenge existiert bereits seit 2013, wurde 2020 aber erstmals auf 5G fokussiert.

So konnten innovative Start-ups aus der ganzen Welt ihre innovativsten 5G-Anwendungsfälle im Live-5G-Netz umfassend testen, weiterentwickeln und einer elfköpfigen Jury präsentieren. Insgesamt waren 125 Start-ups aus 30 Ländern angemeldet, darunter rund 80 Prozent aus der Schweiz und 20 Prozent aus der ganzen Welt. Knapp die Hälfte der Finalisten entwickelten 5G-Anwendungen, die auf autonome Drohnen und Roboter setzen – von Schutz und Rettung über Tourismus bis zur Landwirtschaft. Die restlichen Start-ups präsentierten Anwendungen und Prototypen aus den Bereichen Artificial Intelligence (AI), Virtual Reality (VR) und Internet of Things (IoT). Die Kurzporträts der Gewinner und deren Anwendungen finden sich unter https://www.swisscom.ch/de/about/news/2020/12/17-gewin­ner-startup-challenge-2020.html.

Auch Sunrise sucht neue Anwendungen, um die Möglichkeiten von 5G voll auszuschöpfen, unter anderem im Bereich Smart Farming. Im Rahmen eines Innosuisse-Projekts arbeiten fenaco, Agroscope, die Fachhochschule OST sowie Sunrise UPC und Huawei an einer nachhaltigen Zukunft der Schweizer Landwirtschaft, die künftig mit weniger oder gar keinen Spritzmitteln auskommen muss, worüber die Schweizer Stimmbürgerinnen und Stimmbürger dank zweier Volksinitiativen am 13. Juni 2021 an der Urne abstimmen.

Somit kommt dieses Innosuisse-Projekt zum denkbar günstigsten Zeitpunkt und versucht, smarte Technologien auf Basis von 5G für die Schweizer Landwirtschaft voranzutreiben. Ziel des Projekts ist die Bekämpfung von Unkraut mittels Drohnen und Landwirtschaftsrobotern. Konkret geht es um die sogenannten Blacken, einer Ampferart, die andere Gewächse verdrängt und deren manuelle Entfernung extrem zeitaufwendig ist, weshalb gerne giftige Herbizide eingesetzt werden.

Im Innosuisse-Projekt werden die Pflanzen per Drohne fotografiert und die Rohdaten über 5G-Datenverbindungen in die lokale Cloud geladen, wo sie in Echtzeit analysiert und identifiziert werden. Die Ergebnisse werden danach zurück auf den Acker gespielt, wo ein Traktor oder Landwirtschaftsroboter per GPS zum Unkraut navigiert wird und es bekämpft. Die Unkrautbekämpfung erfolgt durch dieses Vorgehen sehr präzise, wodurch der Herbizid-Einsatz um bis zu 90 Prozent reduziert werden kann. In einem nächsten Entwicklungsschritt sollen die chemischen Mittel ganz durch Heisswasser ersetzt werden, was eine genaue Erkennung der Schädlinge bedingt und dank Einsatz neuronaler Netze und selbstlernender Algorithmen gelingen soll.

Weil dabei die Datenmengen immens ansteigen, ist die Kombination von 5G, Big Data und Cloud-Technologie essenziell für das Gelingen dieses Vorhabens. Die fünf Projektpartner betonten an ihrer Pressekonferenz Ende März den Nutzen neuer Technologien für mehr Nachhaltigkeit und Effizienz in der Landwirtschaft. Denn einerseits pro­fitiert die Umwelt durch drastische Reduktion oder Totalverzicht auf Spritzmittel, andererseits aber auch die Betriebe durch Reduktion des immensen Kosten- und Zeitaufwands. Schliesslich freuen sich die Konsumenten über gesunde Lebensmittel und sauberes Trinkwasser.

Die Schweiz ist dank Innovation, hochstehendem Bildungsniveau und visionären Infrastrukturprojekten erfolgreich. Moderne 5G-Netze untermauern diesen Erfolg weiterhin und bilden die Grundlage für die Digitalisierung der Schweiz. Der mobile Datenverkehr verdoppelt sich seit vielen Jahren etwa alle 12 bis 16 Monate. 5G stellt die Datenautobahnen bereit, die zur Bewältigung des steigenden mobilen Datenverkehrs nötig sind, und legt die Basis für unzählige neue Anwendungen.