5G-Technologie: Das „Magische Dreieck“

Was 5G ist und was es für Unternehmen bedeutet?

5G ist das neue Mobilnetz, das derzeit weltweit eingeführt wird und dabei Anlass zu zahlreichen interessanten Diskussionen gibt. Dieser Artikel soll einen Überblick über 5G, die wichtigsten technischen Merkmale und einige der wichtigsten Voraussetzungen bieten und erläutern, was 5G so revolutionär macht. Als Unternehmen, das Innovation und wichtige Projekte vorantreibt, ist Reply in verschiedenen Bereichen von 5G aktiv, unter anderem in folgenden: Bereitstellung effizienter Lösungen für Network Slicing, disruptive Edge Cloud-Lösungen und spezifische 5G-Sicherheitslösungen auf der Grundlage der Blockchain.

5G-Technologie wird in Kombination mit anderen Technologien wie künstlicher Intelligenz (KI), Internet of Things (IoT), 3D-Druck und weiteren das heutige Verbraucherverhalten in bestimmten Branchen sowie generell innerhalb der Gesellschaft verändern. Sie verspricht neue Möglichkeiten zur Wertschöpfung, da sie eine breitere Netzabdeckung, zuverlässige Netzwerkverbindungen und schnellere Datenübertragung ermöglicht. Im Gegensatz zu den bisherigen mobilen Netzwerktechnologien liegt der Schwerpunkt von 5G nicht ausschließlich auf der Vernetzung von Personen. 5G ist darauf ausgelegt, alle und alles zu verbinden. Der langfristige Ausblick ist überwältigend: In den kommenden Jahren wird 5G schnellere Netzwerkverbindungen über Extreme Mobile Broadband (xMBB)-Dienste bereitstellen.

Es wird erwartet, dass die Zahl der an das Internet of Things (IoT) angeschlossenen Geräte bis 2025 um 145 % auf 75 Milliarden Geräte1 anwachsen wird. 5G wird dieses Wachstum sowie das damit verbundene Wachstum beim Datenvolumen ermöglichen und unterstützen und so eine Ära des sogenannten „Massive IoT“ einläuten. Dadurch werden sich neue, auf Daten und Konnektivität beruhende Geschäftsmöglichkeiten auftun, so dass 5G in vielen Branchen zu einer positiven Disruption führen wird.

Abgesehen von diesen Verbesserungen bestehender Merkmale mobiler Netzwerke wird 5G vor allem in Hinblick auf missionskritische Nutzungsszenarien im Bereich der Steuerung bahnbrechend wirken. Diese Szenarien setzen eine stabile Verbindung mit einer extrem geringen Latenz voraus, beispielsweise bei der Fernsteuerung von kritischer Infrastruktur, Drohnen, Robotern und fahrerlosen Transportsystemen (FTS).

Da neue Anwendungen, Anwendungsfälle, Services und Geschäftsmodelle möglich werden, wird eine ganz neue Branche entstehen, die die Art und Weise, wie wir leben und arbeiten, verändern wird.

Die meisten von uns kennen das magische Dreieck im Projektmanagement: Die Qualität bei Projekten wird durch Zeit, Kosten und Umfang bestimmt. Auch in mobilen Netzwerken kann man ein solches magisches Dreieck vorfinden:

Das magische Dreieck von 5G setzt sich aus 3 zentralen Komponenten zusammen:

Bandbreite: Extreme Mobile Broadband (xMBB).
Latenz: Ultra-Reliable Low-Latency Communication (uRLLC).
Anzahl der Verbindungen: Massive Machine-Type Communication (mMTC).

Alle Anwendungsfälle, die derzeit diskutiert werden, und auch die, an die wir noch nicht gedacht haben, können im magischen Dreieck klassifiziert werden.

Extreme Mobile Broadband

Die tatsächliche Geschwindigkeit einer 5G-Verbindung hängt vom verwendeten Frequenzspektrum ab. Wie von der International Telecommunication Union (ITU) beschlossen, muss die Gesamtkapazität für eine einzelne 5G-Mobilfunkzelle mindestens 20 Gbit/s beim Download sowie 10 Gbit/s beim Upload betragen. Darüber hinaus hat die ITU auch die Geschwindigkeit „pro Benutzer“ festgelegt – 100 Mbit/s für Downloads und 50 Mbit/s für Uploads–, da es sich bei der Funkschnittstelle um ein gemeinsam genutztes Medium handelt. Die Branche erwartet für die Zukunft eine Zunahme der Geschwindigkeit auf bis zu 100 Gbit/s.

Zusätzlich bietet die neue Technologie ein einheitlicheres Erlebnis über die gesamte Reichweite hinweg sowie eine Leistungsabstufung bei steigender Benutzeranzahl.

xMBB ist der Ausgangspunkt für die Umsetzung eines zunehmend digitalen und vernetzten Lebensstils. UBB-Anwendungsfälle konzentrieren sich vor allem auf Lösungen, die eine hohe Bandbreite erfordern, mobile Endgeräte optimieren und ein Fixed Wireless Access-Erlebnis bieten, z. B. durch mobiles UHD-Videostreaming, Highspeed-Film-Downloads sowie durch virtuelle Inhalte erweiterte Erlebnisse (Augmented Experiences). Auch das Gaming wird hohe Bandbreiten mit niedriger Latenz erfordern.

Massive Machine-Type Communication

Angesichts einer immer größeren Anzahl vernetzter Geräte, die untereinander kommunizieren, wird das IoT zunehmend zur Grundlage für die Verknüpfung von „Dingen“, „Menschen“ und „Prozessen“. Bedingt durch die Diskussionen über das Internet of Things, Smart Cities und eine umfassend vernetzte Welt rückt die Anzahl der Verbindungen pro Quadratkilometer bei der Standardisierung weiter in den Vordergrund.

Wenn man an eine Fertigungsstätte mit vernetzten Produktionsmaschinen, FTS und Arbeitern mit AR-Brillen oder eine Smart City mit vernetzten Ampeln, Parkplätzen und Zählern (Gas, Wasser, Strom) denkt, dann ist die Anzahl von ca. 2000 aktiven Benutzern pro Quadratkilometer – wie bei 4G – viel zu gering. 5G unterstützt dagegen nach der neuesten Spezifikation mindestens eine Million Verbindungen pro Quadratkilometer.

Der massive Anstieg der IoT-Verbindungen ist ein Grundpfeiler für die digitale Transformation aller Arten von Sektoren, beispielsweise von Städten, Transport, Versorgern bis hin zur Fertigung. Im Bereich des Massive Internet of Things sind Consumer IoT, Smart Cities und Smart Buildings derzeit die dominierenden und bekanntesten Anwendungen.

Außerdem bietet die neue Technologie auch eine effiziente Übertragung kleiner Nutzlasten (z.B. von Zählern), Wide-Area-Abdeckung und tiefe Durchdringung, z.B. für unter dem Straßenbelag verborgene Parksensoren. Neben einer tiefen Durchdringung unterstützt 5G auch einen Stromsparmodus, der diesen Sensoren den jahrelangen Betrieb mit ein und derselben Batterie ermöglicht.

Ultra-Reliable Low-Latency Communication

Latenz ist für zeitkritische Anwendungen wie Gaming entscheidend. Auch in vielen geschäftlichen Anwendungen spielt eine geringe Latenz eine wichtige Rolle, z.B. für fahrerlose Transportsysteme (FTS) in Fertigungsstätten oder Lagerhäusern, die auf ULL beruhen. In den heutigen 5G-Implementierungen liegt die Latenz bei ca. 30 ms, wobei mit bestimmten Optimierungen, z.B. in der Edge Cloud, in der Praxis eine Latenz von 10-20 ms realistisch ist. ULL unter 10 ms ist unter Laborbedingungen möglich, und das langfristige Ziel ist das Erreichen von 1 ms.

Während sich erste 5G-Anwendungsfälle auf erweitertes Breitband konzentrieren, wird die nächste Generation der 5G-Anwendungsfälle eine Vielzahl von Anwendungen für Mission Critical Communications (MCC) unterstützen, die einen unterbrechungsfreien und (nahezu) in Echtzeit erfolgenden Datenaustausch erfordern. Da 5G die Latenz in kontrollierten Umgebungen reduziert und auf lange Sicht etwa 1 ms erreichen wird, ermöglicht es Anwendungsfälle wie Drohnen, FTS und die Fernsteuerung oder Automatisierung von Fabriken, Robotern oder kritischen Infrastrukturen.

Weitere Merkmale wie verbesserte Mobilität (bis zu 500 km/h) und höhere Zuverlässigkeit ergänzen die oben geschilderten Haupteigenschaften von 5G. Die Netzwerk-Zuverlässigkeit von 5G ist definiert als die Fähigkeit, 99,999 % der Datenpakete fehlerfrei in 1 ms zu übermitteln, und impliziert eine Verfügbarkeit von 99,999 % des Netzwerks selbst. Auch wenn viele Protokolle Datenfehler durch erneute Übertragung beheben können, erhöht dies die Latenz über den für viele Anwendungsfälle akzeptablen Grenzwert (autonomes Fahren, Fernsteuerung usw.) oder sie werden in manchen Szenarien nicht unterstützt (Echtzeitvideo-Streaming usw.). Aus diesen Gründen sind Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit entscheidende Merkmale für alle kritischen Anwendungen.

Wichtige Maßnahmen zum Erreichen und Unterstützen des Erfolgs von 5G

Wie bereits ausgeführt meistert 5G das magische Dreieck aus Bandbreite, Latenz und Verbindungsdichte, während es die Grenzen der Physik herausfordert und ein hohes Maß an technischer Kreativität und Kompetenz erfordert. Dies zeigt sich bei der Anwendung zahlreicher neuer Technologien (Abbildung unten). Die Bedeutung dieser neuen Technologien werden wir in unseren nächsten Artikeln genauer beleuchten – bleiben Sie also dran.

Reply: Wie 5G zahlreiche Branchen verändern wird

Als Vordenker und vertrauenswürdiger Berater für seine Kunden arbeitet Reply derzeit daran, für verschiedene Branchen die wichtigsten neuen Möglichkeiten und Anwendungsfälle zu ermitteln und vorzubereiten, die 5G möglich machen wird. 5G-Anwendungen werden sich in verschiedener Weise auf verschiedene Branchen auswirken, indem sie bereits verfügbare Services in Bereichen optimieren, in denen die Leistung gegenüber 4G ansteigt, und indem sie Services ermöglichen, die heute nicht machbar sind und für die 5G eine Reihe neuer Anwendungen einführt. Die folgenden Branchen stehen derzeit im Mittelpunkt der Analysen:

Reply untersucht die Auswirkungen von 5G für jede einzelne Branche und entwirft ausgehend von dieser Analyse Anwendungsfälle für PoC bzw. Erprobung. Außerdem arbeiten wir an spezifischen Angeboten für Kunden und Interessenten in den verschiedenen Branchen. Die Anwendungsfälle reichen beispielsweise von 360° Live Streaming über Smart Grid, Telepflege, autonome Drohnen bis hin zu FTS.

5G ist eine neue Technologie, die viele Möglichkeiten bietet und zusammen mit Technologien wie künstlicher Intelligenz, IoT oder 3D-Druck die vierte industrielle Revolution einläuten und unser aller Leben verändern wird.