LTE-Nachfolger

5G: Wie weit ist die Mobilfunk-Planung?

Bis zum geplanten Marktstart von 5G muss noch viel entschieden werden. Wissenschaftler, Ausrüster und Netzbetreiber arbeiten auf Hochtouren am LTE-Nachfolger.

5G-Titelbild

© Shutterstock

5G nimmt Form an.

Dass die Vorbereitungen für die nächste Mobilfunkgeneration 5G derzeit mächtig an Fahrt aufnehmen, merkt man nicht zuletzt an der Frequenz, mit der zu diesem Thema wichtige Kongresse stattfinden. Allein in Deutschland gab es Ende 2016 gleich zwei davon: Im September lud das an der TU Dresden ansässige 5G Lab Germany die Mitglieder des IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) zum „5G Summit“ in die sächsische Hauptstadt. 

Und Mitte Oktober fand in Frankfurt/Main die „NGMN Industry Conference and Exhibition“ statt, die von dem Branchenverband „Next Generation Mobile Networks“ (NGMN) ausgerichtet wurde. connect war bei beiden Veranstaltungen vor Ort und hat sich die Pläne der Wissenschaftler, Systemausrüster und Netzbetreiber angehört. Dabei stellten wir fest: Der LTE-Nachfolger 5G nimmt langsam aber sicher Form an.

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Datentransport scheibchenweise 

Wie connect schon berichtete, haben sich die Beteiligten ambitionierte Ziele gesetzt: Die nächste Mobilfunkgeneration soll Datenraten im Gigabit-Bereich bieten. In der Größenordnung von 1 Gbit/s geht es los, in der weiteren Evolution könnten bis zu 100 Gbit/s erreicht werden. 5G soll im Rahmen des „Internet der Dinge“ Milliarden von Endgeräten vernetzen können.

5G Anwendungen

© connect

Netzeigenschaften je nach Anwendung: Unterschiedliche Einsatzgebiete brauchen von 5G unterschiedliche Attribute. Die Lösung heißt Network Slicing.

Dazu muss die Funktechnik, die in den einzelnen Sensoren und Aktoren verbaut ist, sehr preiswert sein und extrem stromsparend arbeiten. Die Anforderung lautet, dass eine installierte Batterie über lange Zeiträume – die Rede ist von bis zu zehn Jahren – nicht ausgetauscht werden muss. Und für die beabsichtigten Steuer- und Regelprozesse von autonomen Autos bis hin zu Telemedizin muss die Reaktionszeit des Netzes in den Bereich von nur noch einer Millisekunde (ms) gedrückt werden.

Im heutigen LTE/4G-Netz beträgt diese sogenannte Latenz noch rund 50 ms. Um all dies unter einen Hut zu bringen, setzt die Mobilfunkindustrie auf neue Konzepte wie insbesondere Network Slicing und die Mobile Edge Cloud. Network Slicing trägt der Tatsache Rechnung, dass die gerade skizzierten Anforderungen​ durchaus widersprüchlich sind: Hohe Datenraten vertragen sich nicht mit Energiespar-Funktechnik, kurze Latenzen widersprechen einer breiten Abdeckung. 

Allerdings haben die Ingenieure auch erkannt, dass nicht alle Anwendungen alle diese 5G-Eigenschaften gleichzeitig benötigen. Deshalb wird das künftige 5G-Netz verschiedene Nutzungsprofile haben, die das Netz jeweils unterschiedlich bedient. Bildlich gesprochen haben unterschiedliche „Scheibchen“ (engl. slices) des Datenstroms unterschiedliche Parameter. 

Möglich wird dies, weil die künftigen Netze „Software-defined Networks“ (SDN) sind, und weil die Netzfunktionen virtualisiert werden (Network Functions Virtualization oder kurz NFV). Im Zusammenspiel bedeutet das, dass der Transport jedes einzelnen Datenpakets von einer Kontroll-Software gesteuert wird, die zum Teil zentral und zum Teil lokal arbeitet. Die Software kann dann im virtuellen, in Scheibchen zerlegten Netz entscheiden, dass bestimmte Pakete zum Beispiel mit minimaler Latenz, andere dagegen mit maximaler Datenrate befördert werden.​

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Die Cloud wird lokal

Für die angestrebte Latenz von nur noch einer Millisekunde ist ein weiterer Trick nötig: Der heute schnellste Datentransport erfolgt über Glasfasern. In einer Tausendstelsekunde legt das Licht in der Faser aber nur rund 200 Kilometer zurück. Dabei ist die Rechen- und Ausführungszeit für den SDN-basierten Datentransport noch gar nicht berücksichtigt. Um minimale Latenzen zu erreichen, müssen die von den Endgeräten benötigten Daten also sehr nahe an die Geräte heranrücken –und somit aus Sicht des Netzes an den Rand. 

Das ist die Idee hinter der „Mobile Edge Cloud“: In jeder Mobilfunkbasisstation sitzt ein kleiner Cloud-Server, der die Daten vorhält, die „seine“ Client-Geräte gerade benötigen. Neben den Inhalten müssen aber auch Steuer-Algorithmen in die Edge-Cloud wandern, um schnell genug reagieren zu können.​ 

Mobile Edge Computing

© Intel

Lichtgeschwindigkeit ist zu langsam: 5G-Anwendungen brauchen ultrakurze Latenzen bis hinunter zu einer Millisekunde. Um dies zu ermöglichen, müssen Dateninhalte und Steuer-Algorithmen möglichst nah an die Endgeräte heranrücken.

Clevere Konzepte fürs neue Netz

Auf dieser Basis fanden die hochspezialisierten Diskussionen und Vorträge in Dresden und Frankfurt statt. Besprochen wurden dort viele Details und Aspekte: Wie können etwa Algorithmen „erahnen“, welche Daten oder Informationen eine bestimmte Anwendung als nächstes benötigen wird, und diese schon vorab aus der zentralen Cloud in die Mobile Edge Cloud befördern? 

Die Lösungen sind anwendungsspezifisch: Zur Verkehrssteuerung lässt sich der voraussichtliche Streckenverlauf eines Fahrzeugs recht gut vorhersagen, für „Landwirtschaft 4.0“ sind beispielsweise nur wenige Minuten in die Zukunft reichende, aber dafür ultrapräzise Wettervorhersagen relevant. Darüber hinaus erlauben statistische Methoden eine Vorhersage, welche Daten eine Anwendung mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit als nächstes benötigen wird. 

Um die schnelle Ausbreitung und Weitergabe von Datenpaketen sicherzustellen, setzt 5G auf kooperative Netze: Endgeräte leiten empfangene Informationen ihrerseits an andere Endgeräte weiter – auch wenn diese gegebenenfalls unvollständig sind. Aus dem resultierenden Schneeballsystem kann dann jeder Empfänger die für ihn relevanten Daten ermitteln. 

Grundlage für dieses vermaschte Endgerätenetz beziehungsweise die für 5G vorgesehene „Multikonnektivität“ soll nach der Vorstellung etwa der Dresdner Forscher am 5G Lab Germany das Modulationsverfahren GFDM sein – Generalized Frequency Division Multiplexing. Vereinfacht gesagt werden Nutzdaten als mathematische Gleichungen übertragen. Auch wenn nur ein Teil von ihnen ankommt, können 5G-Modems die fehlenden Formeln rekonstruieren. 

Da ist es keine Überraschung, dass künftige 5G-Chipsets eine viel höhere Rechenleistung aufbringen müssen als die heutige Generation. Bei gutem Empfang fahren sie ihre Rechenkunststücke jedoch herunter, um Energie zu sparen.

Narrowband IoT

© Huawei

Das Gremium 3GPP verabschiedete 2016 den Standard "Narrowband Internet of Things". Die Kommunikation von IoT-Geräten soll über größere Distanzen erfolgen, aber wenig Energie verbrauchen.

Stabilität und Sicherheit im Fokus 

Trotz all dieser cleveren Konzepte ist klar, dass insbesondere in der Aufbauphase von 5G das neue Netz nicht überall und jederzeit zur Verfügung stehen wird. Dieser ​Tatsache tragen neu definierte Applikationsprotokolle Rechnung. Eine Anwendung stellt dann zum Beispiel die Frage ans Netz, ob 5G ihre spezifischen Anforderungen gerade erfüllen kann. Lautet die Antwort „nein“, steht der jeweilige Dienst nicht zur Verfügung – im Fall hochautomatisierter Autos muss etwa wieder der Fahrer das Lenkrad übernehmen. 

Eine wichtige Rolle in den aktuellen Diskussionen spielt überdies das Thema Sicherheit. Dass Steuer- und Regelsysteme für Verkehr, Energie und Industrie ein interessantes Ziel für Datenspione und Cyberkriminelle sein könnten, liegt auf der Hand. Bis hin zu „Ransomware for cars“ – also Erpressersoftware, die vernetzte Autos ins Visier nimmt, reichen die Befürchtungen. 

Doch für traditionelle Schutzkonzepte wie Virenscans und „Packet Inspection“ fehlt bei Anwendungen mit ultrakurzen Latenzzeiten schlicht die Zeit. Deshalb wird ein Teil künftiger Schutzkonzepte wieder auf wahrscheinlichkeitstheoretischen Beobachtungen basieren: Beim „Probabilistic Model Checking“ bewertet ein Algorithmus, wie wahrscheinlich eine boshafte Veränderung eines Datenpakets ist, und steuert nach dem Ergebnis dieser Einschätzung den Datenfluss.

Schon an diesen Beispielen wird schnell klar: In 5G steckt jede Menge Mathematik und Statistik. Und da sind die deutschen Universitäten bestens aufgestellt. Nicht ganz unbescheiden bemerkte Professor Dr. Gerhard Fettweis, einer der Gründer des 5G Lab Germany, dass sein Institut um mehrere Jahre vor der internationalen Konkurrenz aus den USA und Asien liege. Neben akademischem Ehrgeiz steckt dahinter nicht zuletzt die Frage, welche Unternehmen und Regionen bei 5G künftig den Ton angeben.

Kooperatives 5G

© connect

Gemeinsam weiter: Im kooperativen 5G-Netz reichen Endgeräte empfangene Informationen untereinander durch, um Reichweite und Ausbreitungsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Forderungen an die Politik

Auch vor diesem Hintergrund stellen die Experten deshalb klare Forderungen an die Politik. In erster Linie geht es dabei um Frequenzen: Für 5G werde in den nächsten Jahren viel Spektrum benötigt. Von Wissenschaftlern und Zulieferern bevorzugt wäre ein möglichst großer Frequenzbereich zwischen 3 und 6 Gigahertz sowie im Bereich von 28 Gigahertz. 

Später würden noch höhere Frequenzen jenseits von 60 GHz folgen. Da diese Bereiche idealerweise weltweit einheitlich zur Verfügung stehen sollten, sind verbindliche Entscheidungen aber erst von der „World Radio Conference“ 2019 zu erwarten. Ein weiteres Thema, das auf politischer Ebene diskutiert und entschieden werden muss, sind Regulierungsfragen.

Eine Netzneutralität im klassischen Sinne ist angesichts von Konzepten wie Network Slicing nicht mehr möglich. Hier ist zu bewerten, wie Alternativen aussehen könnten. Es gibt also noch eine Menge zu klären bis zum angedachten 5G-Start im Jahr 2020. Doch die letzten Wochen machen Hoffnung – die Beteiligten sind auf einem guten Weg.

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