Was ist 5G
5G (die fünfte Generation mobiler Netzwerke) ist der internationale Standard für leistungsstarke mobile Kommunikation. Sie folgt auf 4G und zielt auf deutlich höhere Datenraten, eine ultraniedrige Latenz und eine massive Verbindungskapazität ab.
Im Vergleich zu 4G verspricht 5G bis zu 100× höhere Geschwindigkeiten (theoretische Spitzenwerte von 10 Gbit/s) und verbesserte Reaktionszeiten (Antwortzeiten um den Faktor 30 bis 50 reduziert). Außerdem erhöht sie die Gesamtkapazität des Netzes (die Datenmengen verdoppeln sich jährlich) und ermöglicht die Verbindung von bis zu 1 Million Geräten pro km² (gegenüber ca. 10.000 bei 4G).
Diese Vorteile entsprechen den drei Hauptanwendungsprofilen der 5G:
- eMBB (enhanced Mobile Broadband): ultraschnelles mobiles Breitband (HD/4K-Streaming, virtuelle Realität usw.).
- mMTC (massive Machine-Type Communications): sehr hohe Dichte vernetzter Geräte (IoT, Sensoren, Smart Home).
- URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications): kritische Kommunikation mit ultraniedriger Latenz (fortgeschrittene Robotik, autonome Fahrzeuge, Telemedizin).
Diese Eigenschaften machen 5G zu einer bedeutenden Weiterentwicklung gegenüber 4G LTE, die in der Lage ist, neue Dienste zu unterstützen (vernetzte Fabriken, intelligente Städte, Fernmedizin usw.).
Funktionsweise von 5G
5G basiert auf der neuen Funktechnik 5G NR und nutzt ein erweitertes Frequenzspektrum, um seine Leistungsfähigkeit zu erreichen. Theoretisch kann es von etwa 600 MHz bis über 52 GHz (Millimeterwellen „mmWave“) betrieben werden, wobei jede Frequenzbande ihre eigenen Einsatzgebiete hat. In der Schweiz verwenden die Betreiber heute hauptsächlich bereits zugewiesene Bänder (700 MHz für weite Abdeckung, 1,8–2,6 GHz von 4G wiederverwendet und die neuen 3,5–3,8 GHz). Die „Zentimeterwellen“ um 3,5 GHz (3500 MHz) bieten einen guten Kompromiss zwischen Reichweite und Datenrate, während Millimeterwellen (>24 GHz) noch höhere Datenraten liefern würden (im Bereich von mehreren Gigabit/s), jedoch mit sehr begrenzter Reichweite (kurze Reichweite und geringe Durchdringung). Die niedrigen Bänder (<1 GHz) bleiben nützlich, um große Entfernungen zu überbrücken (weite Abdeckung in ländlichen Gebieten).
Um die geringe Reichweite der hohen Frequenzen auszugleichen und die Kapazität zu maximieren, verwendet 5G fortschrittliche Technologien:
- Massive MIMO (mehrfache Antennen) und Beamforming: Einsatz einer großen Anzahl intelligenter Antennen, um das Signal auf die Geräte zu konzentrieren und Datenströme zu vervielfachen.
- Netzdichteerhöhung: Vermehrung der Zugangspunkte (klassische Makrozellen + kleine Zellen), um dicht besiedelte Gebiete abzudecken und die Datenrate pro Nutzer zu verbessern.
Die von 5G angestrebten Leistungen sind äußerst ehrgeizig: theoretische Datenraten von bis zu 10 Gbit/s, Latenzen im Bereich von 1 bis 8 Millisekunden. In der Praxis werden bei den verfügbaren Frequenzen (<6 GHz) eher Datenraten von bis zu etwa 3 Gbit/s für einen Nutzer unter optimalen Bedingungen erwartet. Diese Leistungen erfordern insbesondere ein wesentlich effizienteres Netzwerkmanagement (Edge-Computing, Priorisierung von Datenströmen usw.).
5G Non-Standalone (NSA) vs Standalone (SA)
Die Betreiber haben zwei Hauptbereitstellungsmodi. Bei NSA (Non-Standalone) werden 5G NR Funkstationen in das bestehende 4G-Netz eingebunden: Das Kernnetz (EPC LTE) bleibt das des 4G, und die 5G-Antennen dienen hauptsächlich dazu, die Datenraten zu erhöhen und die Latenz zu verringern. Konkret verbindet sich ein NSA-Smartphone mit einer 5G-Schnittstelle, nutzt aber die 4G-Infrastruktur für den Internetzugang.
Bei SA (Standalone) ist die Bereitstellung vollständig auf 5G ausgerichtet: Das Netz umfasst einen nativen 5G-Kern (5G Core) und ausschließlich 5G-Antennen, ohne Nutzung des 4G-Netzes. Die SA-Architektur ist „cloud-native“ und virtualisiert, entwickelt, um die neuen 5G-Fähigkeiten nativ zu verwalten – was wir als echtes 5G bezeichnen können. Derzeit ist Sunrise der einzige Betreiber, der 5G Standalone für Kunden mit kompatiblen Smartphones anbietet.
Aus Deployment-Sicht ist NSA schneller und kostengünstiger (da LTE-Infrastruktur genutzt wird), während SA eine vollständige Neuorganisation des Netzes erfordert (neue Softwarefunktionen, 5G-Kernnetz, Schulung der Ingenieure). Dennoch kann im SA-Modus die volle Leistung des reinen 5G genutzt werden, was völlig neue Möglichkeiten für dedizierte Dienste eröffnet.
| Merkmal | 5G NSA (Non Stand Alone) | 5G SA (Stand Alone) |
|---|---|---|
| Abhängigkeit | Stützt sich auf bestehende 4G-Infrastruktur (4G-Kern) | Arbeitet eigenständig mit nativen 5G-Kern |
| Bereitstellung | Schneller und kostengünstiger für Betreiber | Erfordert große Investitionen |
| Leistung | Verbesserte Durchsatzraten, aber begrenzte Latenz und Effizienz | Sehr niedrige Latenz, maximale Durchsatzrate, erhöhte Effizienz |
| Anwendungsbereiche | Vor allem zur Verbesserung der Breitbandgeschwindigkeit | Ermöglicht massive IoT, Netzwerkslicing, kritische Anwendungen |
| Beispielanwendungen | Streaming, Surfen, Mobile Spiele | Autonome Fahrzeuge, Telemedizin, Industrie 4.0 |
Frequenz und Bandbreite
Man kann sich das Zusammenspiel von Frequenzen und Bandbreite im 5G so vorstellen: Die Frequenz ist eine Autobahn, auf der Informationen transportiert werden, während die Bandbreite die Anzahl der verfügbaren Fahrspuren darstellt. Je mehr Spuren vorhanden sind, desto mehr Informationen können gleichzeitig über die Autobahn fließen, was die Geschwindigkeit und den Datendurchsatz verbessert.
5G nutzt ein viel größeres Frequenzspektrum als die vorherigen Generationen, um seine höheren Leistungen in Bezug auf Datenrate, Latenz und Verbindungsdichte zu erreichen.
La 5G utilise un spectre de fréquences beaucoup plus large que les générations précédentes pour atteindre ses performances supérieures en débit, en latence et en densité de connexions.
Funkfrequenzen bezeichnen elektromagnetische Bänder, die zur drahtlosen Datenübertragung genutzt werden. Im 5G sind diese in drei große Kategorien unterteilt:
- Niedrige Frequenzen (<1 GHz)
Diese Bänder werden bereits für 2G, 3G und 4G verwendet, z. B. das 700-MHz-Band in der Schweiz. Sie bieten eine große Reichweite (ideal für ländliche Gebiete) und gute Gebäudedurchdringung, haben aber begrenzte Datenraten. - Mittlere Frequenzen (1–6 GHz)
Der Schlüsselbereich für 5G in dieser Kategorie ist das 3,5-GHz-Band (3,4–3,8 GHz in der Schweiz). Es bietet einen ausgewogenen Kompromiss zwischen Reichweite und Kapazität: sehr hohe Datenraten (~1–3 Gbit/s) und eine vernünftige Abdeckung für städtische und vorstädtische Gebiete. - Hohe Frequenzen (>24 GHz, oder „Millimeterwellen“)
Diese Frequenzen (mmWave) ermöglichen extrem hohe Datenraten (bis zu 10 Gbit/s) dank ihrer außergewöhnlichen Bandbreite, haben jedoch eine sehr begrenzte Reichweite und sind anfällig für Hindernisse (Wände, Regen, Bäume). Sie eignen sich ideal für sehr dichte Umgebungen wie Stadien oder Stadtzentren.
Die Bandbreite entspricht dem verfügbaren Spektrum zur Datenübertragung. Je größer die Bandbreite ist, desto mehr Ressourcen kann ein Betreiber zur schnellen Übertragung von Informationen bereitstellen:
- Im 4G waren die typischen Bandbreiten auf 20 MHz pro Träger beschränkt.
- Im 5G können sie im mittleren Frequenzbereich bis zu 100 MHz und im mmWave-Bereich bis zu 400 MHz erreichen, was die Übertragungskapazitäten im Vergleich zu 4G um das 5- bis 20-Fache erhöht.
Hier ist ein Beispiel für die Auswirkung der Bandbreite auf die Datenrate einer Frequenz, in unserem Fall 750 MHz. Die Datenrate ist eine Schätzung unter idealen Bedingungen, bei denen sich nur eine Person mit der Frequenz verbindet.
| Bandbreite | Geschätzte Geschwindigkeit bei 5G (750 MHz) |
|---|---|
| 10 MHz | 60 bis 100 Mbit/s |
| 20 MHz | 120 bis 200 Mbit/s |
| 30 MHz | 180 bis 300 Mbit/s |
Auswirkungen von Frequenzen und Bandbreite auf 5G-Abdeckung und -Geschwindigkeit
- Niedrige Frequenzen decken große Entfernungen mit weniger Antennen ab, ermöglichen jedoch nicht die ultra-hohen Datenraten der 5G.
- Hohe Frequenzen erfordern eine dichte Netzabdeckung, um ihre geringe Reichweite auszugleichen.
- Größere Bandbreiten erlauben die gleichzeitige Übertragung größerer Datenmengen, was die spektakulären Geschwindigkeiten im mmWave-Bereich erklärt.
Latenz und Dichte
Hohe Frequenzen ermöglichen kürzere Latenzzeiten durch schnellere Übertragungen und die gleichzeitige Verbindung vieler Geräte (städtische Dichte).
Ausbau in der Schweiz
In der Schweiz nutzen die Betreiber hauptsächlich:
- 700 MHz und 950 MHz für großflächige Abdeckung und Innenraumversorgung.
- 1,8–2,6 GHz zur Ergänzung der Bedürfnisse in städtischen und vorstädtischen Gebieten.
- 3,5 GHz für hochverdichtete Gebiete mit geringerer Gebäudedurchdringung. Das langfristige Ziel der Betreiber ist eine flächendeckende Abdeckung der Schweiz mit dieser Frequenz.
Die mmWave-Frequenzen (>24 GHz) sind noch nicht im Einsatz, werden aber für zukünftige hochkapazitive Anwendungen vorgesehen. Die nächste Frequenzvergabe ist für 2027 geplant, mit Nutzung ab 2029. So ermöglicht die Kombination aus niedrigen, mittleren und hohen Bändern, dass 5G unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf Abdeckung, Geschwindigkeit und Konnektivität erfüllt.