Der neue Mobilfunkstandard wird gerade entwickelt: 5G soll das Netz fit für das Internet der Dinge machen. Auch eine Peer-to-peer-Funktion ist denkbar: Smartphones tauschen Daten direkt aus, ohne einen zwischengeschalteten Mobilfunkmasten.
Stuttgart - Telekom und Vodafone bringen in Deutschland gerade ihr superschnelles LTE-Netz auf den Markt, schon tüfteln die Forscher in den Labors am nächsten Ausbauschritt: der 5. Mobilfunkgeneration 5G. Die Datenraten sollen vom Jahr 2020 an bei einem Gigabit pro Sekunde liegen – als unterste Grenze, also 1000 Millionen Bits pro Sekunde. „Jeder Nutzer in einer Funkzelle soll dann garantiert satte 50 Megabit pro Sekunde erhalten“, sagt Bruno Jacobfeuerborn, Technikchef Telekom Deutschland. Doch der Smartphone-Nutzer ist diesmal gar nicht so sehr der Treiber für immer besseren Mobilfunk, sondern das Internet der Dinge. Einem Strategiepapier von Alcatel zufolge rechnet die Ausrüsterindustrie mit einer Dichte von bis zu 200 000 sendenden Geräten pro Quadratkilometer. „Die senden natürlich nicht alle gleichzeitig“, sagt Hans-Peter Mayer vom Netzausrüster Alcatel-Lucent in Zuffenhausen. Oft melden sich die Sensoren nur ein paar Mal am Tag und schieben Messwerte weiter.
Doch kurioserweise ist die aktuelle Mobilfunkgeneration gar nicht auf den sporadisch vor sich hin sendenden Sensor vorbereitet. Johannes Koppenborg, Physiker in den Bell Labs von Alcatel in Zuffenhausen, demonstriert das mit einem Schreibtischexperiment. Darauf hat er eine Basisstation aufgebaut, ein simulierter Nutzer streamt sich mit vielen Megabit pro Sekunde ein Video aufs TV-Gerät. Dann bucht sich ein Sensor für seine Einzelbitübertragung ins Netz und stört die Videoübertragung: Der andere Nutzer erfährt nur noch Flimmern und Rauschen. Das dürfte eigentlich gar nicht passieren, da über etliche Codierungsverfahren die Übertragungskanäle für verschiedene Nutzer komplett voneinander getrennt sind. Auf dem Oszilloskop von Koppenborg, das die Wellenformen der Übertragungen anzeigt, ist aber deutlich zu sehen, wie der Sensor den Videostream stört. Reparieren ließ sich dies nur durch einen höheren Sicherheitsabstand im Frequenzspektrum des Netzes. Dadurch würden aber die Frequenzbänder, die Mobilfunkbetreiber über teure Auktionen ersteigern, nur suboptimal ausgenutzt. Forscher wie Koppenborg tüfteln daher an neuen Übertragungsverfahren, damit viele Nutzer mit unterschiedlichsten Anforderungen das Netz ungestört nutzen können.
Menschen spüren Verzögerungen nicht mehr
Für Telekom-Mann Jacobfeuerborn spielte neben der hohen Übertragungsrate die Reaktionsgeschwindigkeit des Netzes eine große Rolle. Diese sogenannte Latenzzeit beschreibt, wie schnell etwa eine Website abgerufen werden kann und wie nahtlos Maschinen mit anderen Maschinen kommunizieren können. Bei 5G soll diese Latenzzeit für bestimmte Anwendungen bei einer Millisekunde liegen. Das ist weit besser als die Reaktionsgeschwindigkeit des Menschen. „Ein Mensch merkt hier eine Verzögerung schon gar nicht mehr“, erklärt der Telekom-Technikchef. Damit spielt er nicht nur aufs Gaming oder Surfen an. Vielmehr hat die Telekom als Teil einer 5G-Industrieallianz in 25 Anwendungsbeispielen herausgearbeitet, wo reaktionsschnelle Netze die Kommunikation und Technik voranbringen können. Dazu gehört etwa das autonome Fahren. „An der Kreuzung müssen sich die Autos abstimmen, wer die Vorfahrt hat“, erklärt Jacobfeuerborn. Ein anderes Beispiel wären Fernoperationen, bei denen ein Spezialist in einer anderen Stadt über einen Roboter das Skalpell führt.
Bei diesen hohen Anforderungen wird selbst die Lichtgeschwindigkeit zum Problem: In einer Millisekunde legt das Licht, etwa über eine Glasfaserstrecke, gerade mal 300 Kilometer zurück. Während also träge Dienste wie Whatsapp weiterhin mit Servern in den USA auskommen, braucht eine zeitkritische Anwendung, wie etwa beim automatischen Fahren, eine ganz andere Internet-Infrastruktur. Die relevanten Server müssen daher bis auf 20, 30 Kilometer an den Ort des Geschehens heranrücken, sagt Mayer.
Netz und Smartphone handeln Frequenz und Bandbreite aus
Ferner werden die Mobilfunkzellen weiter verdichtet. Sahen die Zellen – mit Durchmessern auf dem Land von zehn Kilometern und in der Stadt von einem halben Kilometer – noch regelmäßig aus wie eine Bienenwabenstruktur, so stellen die Netzbetreiber an Hotspots in dieser Struktur weitere Antennen. Die Mini-Basisstationen bedienen zwar weniger Leute, das aber mit deutlich höheren Datenraten. Neu an 4G/LTE und 5G ist auch, dass ein Smartphone Daten von mehreren Funkmasten beziehen kann. Das Netz wird intelligent und handelt mit dem Smartphone die Frequenzen und Bandbreiten aus.
Schon jetzt senden Basisstationen auf zwei Antennen, das Smartphone empfängt ebenfalls auf zweien. Grob überschlagen verspricht eine Verdoppelung der Antennenzahl auch eine Verdoppelung der Datenübertragung. Bei 5G soll die Antennenzahl noch mal beträchtlich steigen, im Smartphone auf vier bis zehn, bei der Basisstation auf bis zu 1000. Stephan ten Brink, Professor für Nachrichtenübertragung an der Uni Stuttgart, forscht an diesen Vielfachantennen. Er stellt sich vor, dass dereinst entlang der Hausfassaden Antennenbänder gezogen werden. Ten Brink sieht gleich drei Vorteile: Erstens sei der Elektrosmog reduziert, da die Antennenleistung auf eine größere Abstrahlfläche verteilt ist. Zweitens verschwindet so der hässliche Antennenwald von den Dächern, und drittens können über diese Antennen mit der Technik des Beam Formings die User direkt angepeilt und mit Daten versorgt werden. Bislang werden die Funksignale in fast alle Richtungen gleichmäßig abgestrahlt.
Die Standardisierung soll diesen Herbst beginnen. 5G soll ein globaler Standard werden, doch die nationalen wie auch Firmen- und Providerinteressen werden sicher mitmischen. Trotzdem hat Stephan ten Brink Hoffnung, dass ein spektakuläres Feature mit in den 5G-Standard aufgenommen wird, das sogenannte Multi-Hop-Prinzip oder Peer-to-Peer-Netze.
Darunter verstehen Forscher den direkten Datenaustausch zwischen Handys. Technisch sei das einfach zu lösen, mein ten Brink. Ein Smartphone ist Sender und Empfänger zugleich und könnte auch ohne Basisstationen und Netz mit anderen Geräten Daten austauschen. Über eine Relais-Kette (Multi-Hop) könnte sich so auch beispielsweise ein im Funkloch verunglückter Bergwanderer bemerkbar machen. Hauptanwendung wären bislang Unfälle und Katastrophen wie etwa die Tsunami- und Reaktorkatastrophe von Fukushima oder Wirbelstürme: Fällt das Netz aus, ist das Smartphone wertlos.
Neuer Mobilfunkstandard
Standard
Ab diesem Herbst konferieren Mobilfunkprovider, Ausrüster und Regierungen zum nächsten Mobilfunkstandard, abgekürzt „5G“. Die Einführung dürfte um das Jahr 2020 erfolgen. Gern möchten Südkorea 2018 und Japan 2020 für ihre Olympiaden im Land schon ein funktionsfähiges 5G-Netz vorweisen.
Anwendungen
Neben dem Smartphone-Nutzer zielt 5G auf Anwendungen mit Sensoren und Computer-zu-Computer-Verbindungen: automatisches Fahren, Fabriksteuerung, Logistik, Smart Home, Smart City.
Features
Mess-Sensoren können sich schneller ins Netz einbuchen und ihre Daten absetzen. Das spart Energie. Vermutlich wird auch eine Peer-to-Peer-Funktion standardisiert: Die Handys können sich direkt verbinden.