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Internet im Jahr 2020

5G-Mobilfunknetze: Smartphone mit Gigabit-Speed

Bis 2020 soll die neue High-Speed-Elektronik in winzige Chips passen. Dann gibt es auch 5G-Smartphones für die Hosentasche.

© siiixth / Fotolia.com

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Viele User sind anno 2016 zwar noch (zu Recht) am Jammern, weil sie auf dem Lande nur Tröpfel-Internet mit ein bis drei Mbps bekommen. Derweil versprechen aber Netz-Ausrüster wie Alcatel-Lucent, Ericsson, Huawei, LG, NEC, Nokia, Samsung und ZTE schon seit 2014 auf allen großen ITK-Messen rasante Mobilfunk-Netze der fünften Generation. Zuletzt auf der CeBIT 2016 in Hannover oder auf dem Mobile World Congress MWC2016 in Barcelona.

Ab dem Jahr 2020 sollen nämlich 5G-Funknetze mit Gigabit-Speed in den Flächen-Rollout gehen: Das bestätigen auch deutsche Netz-Betreiber wie Telekom, Telefonica und Vodafone, die dafür etliche Milliarden Euro in neue 5G-Funktürme samt den dahinter liegenden Netzwerk-Infrastrukturen mit Richtfunk und Glasfaser investieren wollen.

LTE bis 100 Megabit

Zurück zur Gegenwart: Anno 2016 bringt das aktuelle 4G-Netz dank LTE in sporadischen Ausnahmen auch schon mal mehrere (!) 100 Megabit pro Sekunde auf moderne Handys: Etwa nachts um halb drei, wenn fast alle Handy-User schlafen und die Netze mal ein paar Sekunden frei sind. Meist kommen aus den 4G-Netzen von O2, Telekom und Vodafone in der Praxis aber eher 10 bis 90 Mbps netto, falls überhaupt. Das reicht zwar meist für unterbrechungsfreies Video-Streaming in HD- oder Full-HD-Qualität. Spätestens beim 4K-Video-Streaming via LTE ist aber mit starkem Ruckeln zu rechnen.

Bei 4K-Videos ruckelt es mit LTE

Egal ob die Menschheit nun dringend 4K-Filme auf dem Smartphone braucht oder nicht: Mit der fünften Mobilfunk-Generation soll man ab dem Jahre 2020 einen kompletten Spielfilm binnen weniger Sekunden in sein Handy, Tablet, Notebook oder Auto bekommen. Denn 5G soll 10 Gigabit pro Sekunde schaffen. Das ist grob gesagt etwa 1.000 Mal schneller als das aktuell ausgerollte LTE. Noch aber passt die Technik nicht ganz in die Hemdentasche: Nokia Networks hat kurz vor dem schrillen MWC 2016 vorab im stillen High-Tech-München demonstriert, dass kühlschrankgroße Handy-Prototypen schon heute Gigabit-Speed beherrschen. 

Martialischer Handy-Prototyp mit Gigabit-Speed

Der zentnerschwere 5G-Smartphone-Prototyp von Nokia mit acht Antennen (siehe Foto) brachte bei der Demo bis zu 19,1 Gigabit (!) an Brutto-Durchsatz. Netto bleiben davon etwa 15 Gigabit (!) nutzbar. Die dazu passende 5G Basisstation in gleicher Kühlschrank-Größe war im Test etwa fünf Meter vom Handy entfernt, rechts neben den im Bild gezeigten drei Nokia-Personen. Die Sendestärke der großen Kästen betrug 8 x 10 Milliwatt, auf jeder Antenne also zehn Milliwatt. Auf Wunsch des Autors stellten sich drei Nokia-Mitarbeiter für ein Foto mal kurz direkt in die Sichtlinie zwischen Basis und Handy. Dabei ging der Daten-Durchsatz an den Messgeräten auf circa sechs bis acht Gigabit herunter. Sehr schön, das war wohl der Beweis, dass die 5G-Demo kein bloßer Messe-Fake war. Im eigenen Labor können wir 5G aber noch nicht selber testen.

© Harald Karcher / Links der 5G-Smartphone-Prototyp im Rollcontainer samt MIMO Antennen, daneben die Mitarbeiter von Nokia.

Riesenhandy mit acht MIMO Antennen

Das Geheimnis des brachialen Speeds: Man dreht bei 5G an vielen Schräubchen: Das Riesenhandy hat unter anderem acht (!) MIMO Antennen. Die Basis-Station ebenso. Die Strecke zwischen Smartphone und Basis funkt im 15-GHz-Band mit einer Bandbreite von 4 x 100MHz und einer 256-QAM-Modulation.

8 x 10 Milliwatt an acht Antennen? Muss man da künftig Helme zum Schutz vor Strahlung tragen? Natürlich nicht! Der Smartphone-Kasten auf Rollen sieht nur so martialisch aus, weil die Elektronik noch nicht in winzige Chips gegossen ist: 8 x 10 Milliwatt sind für sich gesehen nicht viel. WLAN darf 100 Milliwatt in einer deutschen Wohnung senden. DECT Telefonteile senden sogar bis zu 250 Milliwatt. Fraglich ist eher, ob die Summe der vielen Funkteile eine Auswirkung auf den Menschen hat. Dazu gibt es trotz vieler Studien unseres Wissens aber seit Jahren noch keine eindeutigen Erkenntnisse, außer dass sich das Gewebe durch Absorption der Strahlung minimal erwärmt: Das funktioniert so ähnlich wie beim Mikrowellen-Ofen, der sendet im gleichen Frequenzband wie WLAN 11bg, also auf 2,4 GHz – nur eben viel stärker, sonst wird das Essen nicht warm.

Finale, kommerzielle 5G-Smartphones werden frühestens ab 2020 erwartet. Natürlich müssen diese dann auch in die Hosentasche passen. Bis dahin wird das kühlschrankgroße Handy-Ungeheuer in einen winzigen Chipsatz gegossen sein. Bei derart frühen Prototypen ist die Größe aber noch zweitrangig. Sie dienen nur der Forschung und Entwicklung.

Wozu braucht die Menschheit 5G?

5G soll ab 2020 die tausendfache Wireless-Kapazität in die Mobilfunknetze bringen. Das ermöglicht dann: 100 Milliarden Mobilfunkverbindungen für Menschen und Maschinen gleichzeitig. Zehn Gigabit auf jedem Endgerät. Pings unterhalb von einer Milli-Sekunde. Neunzig Prozent weniger Energieverbrauch pro Mobilfunkdienst. 1.000 Mal weniger Energieverbrauch pro übertragenem Bit in den Endgeräten, auch um deren Akkuverbrauch zu reduzieren. Und daraus resultierend: Neue Anwendungen und Geschäftsmodelle rund um das drahtlose, superschnelle 5G-Cloud-Computing.

1.000-fache Mobilfunkkapazität

Um 5G zu realisieren, brauche man neue Funkstationen und Endgeräte mit viel mehr MIMO-Antennen als heute, eine viel höhere geografische Dichte von Basisstationen mit viel kleineren Funkradien, sowie viel breitere Frequenzspektren in der Luft als heute für LTE verfügbar sind, sagte Dr. Wen Tong, der profilierteste 5G-Vordenker von Huawei, Inhaber von 180 US-Patenten, und Chef von 700 Huawei-Forschern, dem Autor schon im Februar 2014 auf dem ersten europäischen 5G-Huawei-Kongress in München. 5G soll ein enormes Spektrum von 300 MHz bis 300 GHz flexibel nutzen können. Zum Vergleich: LTE nutzte in Deutschland bisher gerade mal drei fixe Frequenz-Blöcke bei 800 MHz, 1800 MHz und 2600 MHz. Die restlichen 297 GHz sind für den terrestrischen Mobilfunk noch gar nicht aktiviert.

© Harald Karcher / Der Speed und die enorme Kapazität von 5G werden bald in vielen Branchen benötigt.

Finale Smartphones mit 10 Gigabit

Der Endanwender soll mit 5G bis zu zehn Gigabit pro Sekunde auf sein Endgerät bekommen. Das heißt: Glasfaser-Speed beim Senden und Empfangen, aber per Mobilfunk. Mit so einem Speed werden auch Videostreamings und Telekonferenzen in 4K-Ultra-HD-Qualität von Smartphone zu Smartphone möglich. Das gebogene Smartphone LG G Flex etwa hatte schon 2014 eine Video-Kamera mit Ultra-HD-Aufzeichnung von 3.840 x 2.160 Pixel. Später geborene Top-Smartphones sowieso. Will man den 4K-UHD-Stream aber mobil senden und empfangen, so braucht man dazu idealerweise drahtlose 5G-Netze.

Natürlich sollen die neuen 5G-Techniken auch kreuz- und rückwärts-kompatibel zu den heute verbreiteten Funksorten 3G, 4G und WiFi sein. Die meisten User wollen ja nicht ständig neue Endgeräte kaufen.

Pings unter einer Millisekunde

5G soll auch die Pingzeiten in Mobilfunknetzen auf unter eine Millisekunde herunter bringen. Beim Surfen oder Business-Cloud-Computing würde sich das extrem zackig anfühlen und die Akzeptanz der Cloud vermutlich sehr verbessern. Bei der Wireless-Kommunikation zwischen schnell bewegten Fahrzeugen wären derart rasante Reaktionszeiten sogar noch wichtiger, um etwa Kollisionen zu vermeiden. Die heute üblichen Pingzeiten von LTE zwischen 30 und 80 Millisekunden fühlen sich beim Surfen zwar auch schon zackig an, aber für schnelle Fahrzeuge mit automatischen Lenk- und Brems-Auslösungen können die Latenzzeiten gar nicht kurz genug sein.

Heute müssen die Mobilfunknetze weltweit mehr als fünf Milliarden User Always-On verkraften. Die meisten nutzen Handys oder Smartphones. Dazu kommen mobilfunkbestückte Tablets, Laptops, Router, Surfsticks, Autos und Navisysteme, die aber nicht immer Always-On sind.

Milliarden von Apps und IoT-Sensoren

In Zukunft sollen die Mobilfunknetze auch noch mehrere Milliarden Apps und mehrere hundert Milliarden Sachen und Maschinen versorgen. Man spricht von IoT und M2M, also Internet-of-Things und Machine-to-Machine-Kommunikation. Deshalb geht Huawei davon aus, dass die Menschheit bald eine 1.000-fache Mobilfunk-Kapazität benötigen wird, die nur noch mit 5G-Netzen abgefedert werden kann.

Professor Dr. Hans D. Schotten erklärte das gigantische Potenzial der Vernetzung von Sachen, Autos und Maschinen per Mobilfunk schon auf dem 5G@Europe Summit von Huawei in etwa so: 8.000 Frachtschiffe, 25 Millionen Container, 255 Millionen Autos, 345 Millionen Energiesensoren, 3,7 Millionen Verkaufsautomaten und 110 Millionen Haustiere, die man ja ebenfalls mit winzigen Smartphones und GPS allzeit überwachen und betreuen könnte. Das heißt: Bald dürfte auch der Hund zu Weihnachten jedes Jahr ein neues Handy bekommen.

© Harald Karcher / Vernetzung total, egal ob Mensch, Tier, Roboter, Autos oder ganze Städte. Dafür wird 5G gebraucht.

Vernetzung von selbstfahrenden Autos

Dr. Sebastian Zimmermann, Head of Automotive Connectivity and Security Solutions bei BMW machte auf dem 5G@Europe Summit von Huawei klar, dass auch Autos in Zukunft so stark vernetzt sein werden, dass man die Kapazität der 5G-Netze brauchen wird. Wenn sich das weitgehend automatisierte Fahren, Augmented Reality im Head-Up-Display auf der Windschutzscheibe, die automatische Erkennung von Fußgängern und Radlern im Interesse der Kollisionsvermeidung sowie Location-based Services im Auto durchsetzen sollen, wird man dazu enorme Wireless-Internet-Kapazitäten benötigen, die heutige Mobilfunknetze alleine gar nicht voll bedienen können.

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