Was ist eigentlich 5G?

Am 13.10.2020 dürfte vor allem ein Thema neuen Rückenwind bekommen haben: 5G. Was an diesem Tag war? Apples Keynote. Die Ankündigung, dass das neue iPhone 12 den neuen Mobilfunkstandard unterstützen wird, ist ein weiterer Schritt zur Etablierung von eben diesem. Versprochen werden in diesem Zusammenhang höhere Up- und Downloadraten, welche mobiles Streaming in höherer Qualität ermöglichen sollen, aber auch ganz neue Möglichkeiten, bspw. im Bereich der Realtime-Anwendungen eröffnen.

Unter idealen Bedingungen verspricht Apple eine Downloadgeschwindigkeit von bis zu 4 Gigabit/s und eine Uploadrate von bis zu 200 Megabit/s, zum Vergleich: Der aktuell schnellste Standard 4G+, bzw. LTE Advanced bietet theoretisch Geschwindigkeiten von bis zu 1 GBit/s im Down- sowie bis zu 500 MBit/s im Upload.

Was steckt technisch hinter 5G?

Grundsätzlich besteht ein Mobilfunknetz grob aus zwei Bereichen, dem Kernnetzwerk und dem Radio Access Network, auch RAN oder Luftschnittstelle genannt. Im Kernnetz befinden sich Komponenten zur Datenweiterleitung, zur Mobilitätsverwaltung und der Anschluss an das Internet.

Das RAN hingegen bildet die Schnittstelle hin zu den Endgeräten und ist per Richtwellen oder über Glasfaserverbindungen an das Kernnetz angeschlossen. Das RAN besteht aus Antennenstationen, für LTE heißen diesen Stationen auch eNBs (gesprochen “E-Node-B”). Für 5G kommen nun extra Antennen dazu, sogenannte gNBs, welche je nach Frequenzband im Bereich von ca. 3,6 GHz mit den Endgeräten kommunizieren. Zum Vergleich: 4G, bzw. LTE funkt je nach Band in einem Bereich von bis zu 2,6GHz.

Durch höhere Frequenzen werden größere Datenraten möglich, bei 5G sind die Angaben uneindeutig, je nachdem welche Quelle man heranzieht. Die Telekom nennt wie viele andere eine Datenrate von bis zu 10 Gbit/s, die Internationale Fernmeldeunion hingegen fordert Peak-Datenraten von bis zu 20 Gbit/s. Allerdings ist nicht ganz klar, welche Frequenzen hier gemeint sind.

An dieser Stelle sollte man allerdings auch beachten, dass mit steigender Frequenz die Reichweite abnimmt. Im Millimeterwellenbereich (ab 30 GHz) beispielsweise beträgt die diese nur noch einige hundert Meter. Zudem werden bei solch hohen Frequenzen schon einfache Hindernisse ein ernsthaftes Problem. Funkwellen in diesem Spektrum können dann schon an Hauswänden oder Bäumen scheitern.

Aus diesem Zusammenhang erklärt sich, wieso für 5G mehr Basisstationen notwendig sind als für den Vorgänger 4G. Im ländlichen Bereich sollen daher auch niedrigere Frequenzen genutzt werden, um eine bessere Abdeckung mit weniger Antennen zu gewährleisten.

Allerdings sind hier noch zwei Begriffe zu erwähnen: Beamforming und MIMO. MIMO steht für das Multiple-Input Multiple-Output Verfahren, bei dem bis zu vier Antennen an der Basisstation mit einer jeweils eigenen Antenne auf der Empfängerseite kommunizieren. Hierdurch können Frequenzen mehrfach genutzt und eine Steigerung der Datenrate erzielt werden.

Für 5G soll nun das sogenannte Beamforming zum Einsatz kommen, welches das MIMO-Prinzip aufgreift, allerdings strahlt eine Antenne hier bis zu 64 Signale parallel aus, welche dann je nach Bedarf unabhängig auf die einzelnen Endgeräte gerichtet werden können. Der Vorteil von Beamforming ist zwar eine prinzipiell höhere Datenrate, die Technik ermöglicht aber auch eine bessere Abdeckung und größere Reichweite, wodurch die Lücke zu 4G teilweise wieder geschlossen werden kann. Bisher wurde die Technik allerdings nur im Labor eingesetzt.

Spricht man über 5G, so ist es eventuell hilfreich, die definierten Anwendungsszenarien im Hinterkopf zu haben. Es ergeben sich insgesamt 3: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Massive Machine Type Communication (mMTC) und Ultra-Reliable and Low-Latency Communication (URLLC).

Fangen wir mir eMBB an. Hierbei geht es darum, Endgeräte, welche mit einer Basisstation verbunden sind, mit einer möglichst hohen Datenrate zu versorgen. Hierunter fällt beispielsweise das Streamen von hochaufgelösten Videos.

mMTC geht eher in Richtung IoT. Hier werden solche Anforderungen spezifiziert, welche es ermöglichen, viele hunderttausend Geräte pro Zelle gleichzeitig anzusprechen. Im Vordergrund stehen hier vor allem die Kapazität in der Breite und eine möglichst hohe Energieeffizienz.

Zu guter letzt handelt es sich bei URLLC um sehr kritische Anwendungen, wie zum Beispiel vernetzte Produktionsanlagen oder vernetzte Fahrzeuge. Wichtig sind hier die Verbindungssicherheit, die Verfügbarkeit und die Störungsfestigkeit.

Welche Möglichkeiten eröffnet 5G?

Lag der Fokus bisher auf mobilen Endgeräten wie Smartphones oder Tablets, so soll 5G hier neue Dimensionen eröffnen. Die Technik ist ein wichtiger Bestandteil der Digitalisierung und hat das Potenzial, alle Lebensbereiche zu durchdringen. Angefangen beim Smart Home über neue Virtual Reality Inhalte bis zum autonomen Fahren, allen Bereichen soll die Technik einen Vorschub leisten.

Vor allem aber soll die Industrie profitieren: man verspricht sich eine Verbesserungen für IoT-Szenarien und drahtlos vernetzte Produktionsanlagen, in letztem Fall fällt hier auch der Begriff der M2M-Kommunikation, der Machine-to-Machine Communication.

Dabei geht es vor allem um den automatischen Austausch von Informationen und die Kommunikation mit und zwischen Maschinen. Im Zusammenhang mit der Industrie 4.0 erhofft man sich Produktivitätssteigerungen, wenn Maschinen aus der Ferne gewartet werden können oder die Sensoren der Produktionsanlagen automatisch miteinander Informationen austauschen können. So sollen Reparaturen reduziert und wenn nötig auch Material frühzeitig nachbestellt werden, um Lieferengpässe zu reduzieren. Wichtig in diesem Bereich sind eine hohe Verfügbarkeit und Verlässlichkeit der Systeme sowie ein hohes Maß an Sicherheit. Wirft man einen Blick auf die oben erwähnten Anwendungsszenarien, so bewegt man sich hier im URLLC Bereich.

Ein anderes Anwendungsgebiet, der M2M-Kommunikation aber durchaus ähnlich, ist das autonome Fahren. 5G soll hier für eine Vernetzung von Verkehrssystemen sorgen, sodass diese mit den autonom fahrenden Autos kommunizieren, letztere sollen dies auch untereinander tun.

Fahrzeuge arbeiten mit standortbezogenen Diensten und benötigen fortlaufend Updates, um über das neueste Geschehen informiert zu sein, man denke hier an die Navigation und an Informationen über Staus oder besondere Wetterereignisse.

Solche Funktionen werden bereits heute schon über LTE realisiert, allerdings eröffnet 5G hier neue Möglichkeiten. So können miteinander kommunizierende Autos den Verkehrsfluss optimieren da solche Systeme viel vorausschauender arbeiten können, als es Kameras und Sensoren in einem Fahrzeug allein möglich wäre. Selbst die Fernsteuerung von Fahrzeugen ist denkbar, allerdings benötigen all diese Funktionen einen Datenaustausch in nahezu Echtzeit, was eben erst über die 5G Technologie möglich wird. In Deutschland sollen alle Autobahnen, Bundesstraßen und Schienentrassen bis 2025 die nötige Infrastruktur erhalten, um den Verkehrsteilnehmern eine Kommunikation mittels 5G zu ermöglichen. Eines sollte aber klar sein: Wir schaffen hier Abhängigkeiten. Die Erfahrung zeigt, dass kein System absolut sicher ist und wenn Hacker versuchen Wahlen zu manipulieren, dann wird auch eine so kritische Infrastruktur in ihr Blickfeld rücken. Die Zeit wird zeigen, ob die Vorteile überwiegen.

Ist 5G gesundheitsschädlich?

Nein, oder eben vielleicht. Fest steht eines: Bisher gibt es keine Studien, die ein erhöhtes gesundheitliches Risiko durch Mobilfunkstrahlung unter Einhaltung der Grenzwerte nahelegen. Die Lage ist allerdings kompliziert.

Klar ist auch, dass Frequenzen wie die von 5G Atome nicht ionisieren können, was andernfalls eine mögliche Ursache zur Entstehung von Krebs wäre. Physikalisch und biologisch ist ein Zusammenhang also nicht erklärbar, allerdings gibt es Studien, die eine solche Wirkung nahelegen. Die WHO stuft Hochfrequenzstrahlung als möglicherweise krebserregend ein, dass Bundesamt für Strahlenschutz hingegen sieht keinen erwiesenen Zusammenhang.

Es gibt für beide Standpunkte Studien. Die, die eine Gefahr für den Menschen sehen, basieren oftmals auf Versuchen an Mäusen und Ratten, und stehen in der Kritik. Beispielsweise wurden die Versuchstiere Strahlendosen ausgesetzt, welche im Mobilfunk nicht auftreten oder es wurden vermehrt Krebsarten beobachtet, welche beim Menschen noch nie aufgetreten sind.

Es gibt bisher kaum Langzeitstudien, schon gar nicht zu 5G. Eine eindeutige Aussage wird also erst in einigen Jahren zu erwarten sein. Indes mahnt aber auch das Bundesamt für Strahlenschutz Umsicht beim 5G-Ausbau an und fordert, dass weitere Studien durchgeführt werden müssten.

Letztlich ist auch nicht klar, ob die Strahlenbelastung durch 5G wirklich steigt. Zum einen soll 5G langfristig ältere Standards ablösen, zum anderen könnten Techniken wie das Beamforming dafür sorgen, dass Strahlung sehr viel gezielter wirke. Nicht zuletzt muss auch die Strahlung der Endgeräte betrachtet werden und diese ist umso geringer, je näher sie sich an einer Basisstation befinden.

Der Stand in Deutschland

5G ist in Deutschland bereits verfügbar, die Abdeckung allerdings… nunja, lässt zu wünschen übrig. Wer möchte kann sich die aktuellen Netzabdeckungen auf dieser Karte visualisieren lassen. Für 5G liegen noch keine Daten vor, wählt man 4G aus, so erkennt man, dass die Technik zwar fast flächendeckend zur Verfügung steht, der Legende nach liefen aber in fast allen Waben nur bis zu 50% der Messungen mit einer 4G Anbindung ab.

Vodafone machte 2019 den Vorstoß und startete mit 60 Antennen für 5G. Verfügbar ist der neue Standard unter anderem in Köln, Düsseldorf, Hamburg, Dortmund und München. Die Telekom schloss weitere Städte wie Berlin und Leipzig an und Stand Dezember 2020 will der Bonner Konzern 54 Millionen Nutzer in Deutschland erreichen können. O2 startete verspätet im Oktober 2020 in einigen deutschen Städten.

Der eben erwähnte Vergleich mit 4G ist im Übrigen gar nicht so verkehrt: Um mit 5G in Deutschland richtig durchzustarten, müssen mehrere Voraussetzungen gegeben sein, eine davon ist die Abdeckung mit 4G. Hierbei spielt auch der Ausbau von Glasfaseranschlüssen an den Mobilfunkstationen eine wichtige Rolle. Ist die Infrastruktur für 4G gegeben, so lässt sich diese später auf 5G auf- bzw. umrüsten.

Hier kommt aber auch schon der Haken: Solange eben diese Aufrüstungen erfolgen, kann man in Deutschland von keinem “echten” 5G Netz sprechen, welches auch als “standalone 5G” bezeichnet wird. Hierfür wäre ein eigenes 5G Kernnetz vonnöten, welches so bisher nicht existiert. Solange 5G über die alte Infrastruktur betrieben wird, werden auch nicht die maximalen Datenraten möglich sein, welche die neue Technologie verspricht. Ob und wann ein solches Kernnetz kommt, ist bisher unklar.

Was den Ausbau weiter hemmt, sind die Frequenzauktionen. Bei diesen werden die nötigen 5G Frequenzbänder an die Mobilfunkanbieter versteigert. Das ist zwar schön für den Staat, jedoch hinderlich für den Netzausbau. Frankreich dagegen hat die Frequenzen unter Auflagen kostenlos vergeben. Der Streit über den Einsatz von Huawei-Komponenten ist zudem ein weiteres Hemmnis für den Ausbau.

Südkorea dagegen hat bereits 2019 als erstes Land der Welt ein (mehr oder weniger) flächendeckendes 5G-Netz in Betrieb genommen und kam damit dem amerikanischen Betreiber Verizon zuvor, welcher einige Städte in den USA mit der 5G Technologie ausgestattet hat.

Was ist nun eigentlich mit Huawei?

An dieser Firma scheiden sich bekanntlich die Geister. Fakt ist: Huawei baut zur Zeit die fortschrittlichsten, bzw. leistungsstärksten Komponenten. Andere Anbieter wie beispielsweise Ericsson oder Nokia sind bei gleicher Leistungsfähigkeit wesentlich teurer.

Was nun das Thema Sicherheit und Datenschutz angeht, so kann und sollte sich jeder interessierte Leser einmal einen meiner Meinung nach recht guten Beitrag der ARD zu diesem Thema ansehen. In diesem kommt Linus Neumann, Sprecher des Chaos Computer Clubs, zu Wort und liefert eine interessante Sicht auf die Dinge. Seiner Ansicht nach liegt das Problem nicht bei den Komponenten selbst, sondern viel mehr an der engen Zusammenarbeit der Mobilfunkbetreiber mit den Lieferanten. Diese unterstützen nämlich bei der Integration und beim Support der Infrastruktur. Ferner konnte man bisher auch keine Hinweise auf eventuelle Backdoors in Hardware von Huawei finden, in von amerikanischen Lieferanten produzierten Komponenten allerdings sehr wohl.

Zwei weitere wichtige Punkte an dieser Stelle:

Erstens hat China zur Zeit den Vorsitz in der Internationalen Fernmelde Union, kurz ITU. Diese erlässt unter anderem Empfehlungen zur Standardisierung von Telekommunikationsnetzwerken. Der Einfluss ist also nicht ganz unerheblich und es bleibt abzuwarten, inwieweit China diesen nutzen wird. Fairerweise muss man allerdings sagen, dass der Vorsitz durch die Mitglieder gewählt wird.

Zweitens hält Huawei zur Zeit die meisten 5G Patente. In einem Artikel von heise aus dem Juni letzten Jahres geht hervor, dass der chinesische Smartphonehersteller die Nase vorn hat, und zwar international. Sperrt man die Firma also aus, so ist diese Entscheidung ein zweischneidiges Schwert. Im Zweifel macht man sich insofern abhängig, als dass Lizenzkosten für die Nutzung fällig werden.

Huawei ist indessen in den USA vom 5G Ausbau ausgeschlossen, andere Länder folgten, darunter Australien, Neuseeland, Japan und das für 5G Halbleiterkomponenten produzierende Taiwan, welches zur Zeit ohnehin nicht gut auf China zu sprechen sein dürfte. Demgegenüber stehen Aufträge aus Russland, Mexiko, der Schweiz, Saudi-Arabien und der Türkei.

In Großbritannien wird jegliche Ausrüstung von Huawei ab 2027 verboten sein. Frankreich erlaubt die Weiterverwendung von 5G Komponenten des chinesischen Herstellers für 3 bis 8 Jahre.

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