1. Auflage vom Februar 2018

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5G – Anwendungsfelder, Standardisierung, Technologien

In 11 Kapiteln beschreibt der Report die wichtigsten anwendungsorientierten Aspekte des kommenden weltgrößten Kommunikationssystems. Themen sind 5G als transformative Technologie, grundsätzliche Nutzungsbereiche, Entwicklung im Kontext der Mobilfunktechnologie, Überblick über den Standardisierungsprozess, Entwicklung des 5G Ökosystems, Technologien für 5G und die Standardisierung der 5G Systemarchitektur.


5G ist nicht nur ein neuer Mobilfunkstandard im Sinne einer systematischen Erweiterung von LTE, sondern eine transformative Technologie, die im Laufe der Zeit ein neues Universum der Kommunikation öffnen wird. In über 30 Jahren Arbeit auf dem Sektor der Kommunikationstechnik hat der Autor noch nie etwas Vergleichbares erlebt, vor allem was das Tempo der Entwicklung, den finanziellen Background und die Anzahl der mit der Entwicklung beschäftigten Personen betrifft.

Ein Grund liegt sicher darin, dass, wie Viele sicherlich nicht wissen, der Mobilfunk die größte technische Plattform der menschlichen Geschichte ist. Begonnen hat alles in den 1980er Jahren mit einfacher mobiler Sprachübertragung. Im nächsten Jahrzehnt, den 1990er Jahren, hat die zweite Generation mit GSM die digitale Sprachübertragung eingeführt, nicht mehr, und nicht weniger. Außerdem kamen einfache digitale Dienste wie SMS hinzu, die schnell eine enorme Popularität erzielt haben. In den 2000ern änderte sich nicht nur die Jahrtausendnummer, sondern vor allem das Kommunikationsparadigma: durch die leistungsfähigere Integration digitaler Dienste wurde aus dem „Handy“ das „Smartphone“. Sehr schnell wurde die Sprachübertragung immer unwichtiger gegenüber den digitalen Diensten. Die Möglichkeit, ein Smartphone durch das Hinzufügen spezieller kleiner ladbarer Anwendungsprogramme, den „Apps“ zu individualisieren und je nach Bedarf funktionell zu erweitern, hat die Nutzer fasziniert. Ein im Markt für DV-Systeme bis dato vergleichsweise unwichtiger Hersteller mit dem Namen eines gesunden Baumobstes konnte im Laufe der Zeit zu einem der weltweit größten Unternehmen überhaupt werden. Der besondere Trick war hierbei, dass man den Benutzer ins Zentrum aller Bemühungen gestellt und somit die Bedienung immer weiter vereinfacht hat. Zu dieser Zeit wurde auch das heute allgegenwärtige Wort „disruptiv“ geboren, weil viele der in der GSM-Generation bedeutenden Hersteller wie Nokia rasant im Nebel verschwunden sind.

Im nächsten Jahrzehnt, den 2010ern, wurden alle diese erfolgreichen Elemente mit der Bereitstellung höherer Daten-Übertragungsleistung durch LTE weiter ausgebaut. Es gab eigentlich keine wirklich bahnbrechenden konzeptionellen Neuheiten, nur kann man beliebte Dienste mit höherem Volumen wie Video oder Online-Spiele nunmehr eleganter nutzen. Es wurden aber noch mehr Nutzer erschlossen und nach Zählungen von z.B. GSM Intelligence gab es Mitte 2017 weltweit etwa 7,7 Mrd. Mobilfunkverbindungen. Über die Stufen LTE, LTE Advanced und Gigabit LTE wurde 4G erfolgreich weiterentwickelt.

Damit hat man allerdings die Bandbreitehölle erst geöffnet! Mit den Verbesserungen von LTE, LTE Advanced und Gigabit LTE wurde das Verlangen der Nutzer nach immer mehr Bandbreite auf den kleinen intelligenten Endgeräten immer stärker. Warum sollte man sich mit HD-Video zufrieden geben, wenn es doch 4K gibt? Warum sollte man die schönen fotorealistischen Spiele nicht auch unterwegs online nutzen können? Warum sollte man die Integration solcher Dienste in die allgemeine Online-Erfahrung nicht noch weiter vorantreiben?

5G adressiert den unersättlichen Hunger nach mobiler Bandbreite. Im Laufe des Reports sehen wir noch mehr Vorhersagen, aber alleine zwischen 2014 und 2020 haben wir ein 30-faches Wachstum für den mobilen Datenverkehr, in 2020 werden 75% davon durch Streaming erzeugt. Im Februar 2018 haben die Macher von „Game of Thrones“ angekündigt, dass sie als nächstes „Star Wars“-Filme produzieren werden, die andere Handlungsebenen neben der klassischen Filmreihe und den aktuellen Nachfolgern erzeugen. Seit HBO und Netflix ist Content ein sehr wichtiger Wirtschaftsfaktor, aber mit der weltweiten Verfügbarkeit leistungsfähiger „Taschenkinos“ wird es immer mehr Filme geben, die schnell einen Gewinn von mehr als einer Mrd. US$ bringen. Gleichzeitig trennen sich immer mehr Nutzer von ihrem alten Kabelfernsehen.

Im Jahr 2020 werden wir weltweit 8 Milliarden GByte mobilen Datenverkehr haben. Täglich!

Kein Wunder, dass man die Benutzer fragt, was sie sich eigentlich von einer nächsten Mobilfunkgeneration wünschen würden: mehr als 86% möchten oder brauchen schnellere Konnektivität auf ihrem nächsten Smartphone. Und 50% würden sofort ein neues Smartphone kaufen, wenn es 5G kann und dadurch wie gewünscht schneller wird. Dumm für alle Besitzer eines neuen Apple iPhone X, das kann es nämlich nicht.

Die nächste Mobilfunkgeneration sollte folgende Eigenschaften hinsichtlich der Nutzererfahrung aufweisen:

  • Übertragungsgeschwindigkeiten wie bei Glasfaser (Festnetz, DSL …) Anschluss
  • Geringe Latenz für Echtzeit-Aktivitäten
  • Konsistentere Leistung
  • Massive Kapazität für unbegrenzte Datenmengen

Hat man dies erreicht, kann man folgende Dinge abdecken:

  • Mobilisierung von Media und Entertainment
  • Kaum technische Grenzen bei den Nutzer-generierten Inhalten
  • Störungsfreie Dienste in Bereichen hoher Population (Stadien, Bahnhöfe und Züge, Longues, Hot Spots…)
  • Leistungsfähige Dienste auch bei hoher Geschwindigkeit des Teilnehmers (Zug, Flugzeug…)

Und wenn es einmal ein System gibt, welches mit derartigen Leistungseckpfeilern aufwarten kann, setzt man es natürlich nicht nur für das Vergnügen der Milliarden zahlender menschlicher Nutzer ein, sondern auch für viele andere bekannte Anwendungsbereiche und viele, die sich erst entwickeln werden, weil es ja bisher kein mobiles System gab, die sie hätten unterstützen können.

Der wesentlichere Schritt von 5G ist aber die Erweiterung der Teilnehmerschar auf Maschinen vom einfachen Sensor bis hin zum Cloud-System. Erst damit werden wirklich neue Dienste möglich, wie z.B.

  • Dauerhafte Verbindungen zu Cloud-Infrastrukturen
  • „Connected Vehicles“ von Assistenzsystemen bis hin zu autonomen Fahrzeugen
  • Augmented Reality
  • Noch weiter automatisierte Fertigung
  • Sicherheitsbewußte autonome Transportsysteme
  • Zuverlässiger Zugriff zu Telemedizin und anderer Gesundheitsfürsorge
  • Intelligente Agrikultursysteme
  • Intelligentere Erzeugung und Verteilung von Energie
  • Verbesserte öffentliche Sicherheit
  • Nachhaltige und intelligente Städte und Infrastruktur
  • Mehr Digitalisierung in Logistik und Handel

Insgesamt rechnet man mit einer Wertschöpfung von 12 Trillionen US$ (ca. 10 Billiarden €) an Gütern und Dienstleistungen durch 5G bis 2035.

Generell werden die 5G-Technologiebereiche in drei Sektoren geordnet:

  • Enhanced Mobile Broadband, das ist der Bereich, der eine unmittelbare Erweiterung von 4G primär für die Versorgung der menschlichen Nutzer darstellt
  • Mission-Critical Services mit besonders geringer Latenz für die Unterstützung von Funktionen, wie sie z.B. bei der Kommunikation zwischen autonomen Fahrzeugen und ihrer Umwelt oder der industriellen Fertigung benötigt werden
  • Massives IoT: Dienste für die optimale Anbindung von Geräten, die nicht alle unbedingt mobil sein müssen, sondern einfach eine praktische drahtlose Verbindung benötigen, wie Aktoren, Sensoren, Zähler, Steuerungen usf. Ein besonders stark wachsender Bereich hierbei ist die Gebäudeautomatisierung.

Der Autor ist der Ansicht, dass viel mehr Personen und Verantwortliche von den Möglichkeiten von 5G betroffen sind, als diese das heute ahnen. Es wird kaum einen bestehenden Prozess der Informationsverarbeitung geben, der nicht in irgendeiner Weise von 5G berührt wird. Darüber hinaus werden sich aber vor allem ganz viele neue Entwicklungen ergeben. Die Automobilindustrie hat das begriffen und sehr schnell Arbeitsgruppen gegründet und Allianzen geschmiedet um die Möglichkeiten und Potentiale auszuleuchten. Aber viele andere haben noch nicht einmal eine grundlegende Vorstellung davon, wo ihr Platz in der 5G Wertschöpfungskette liegen könnte.

Das ist natürlich auch dadurch zu erklären, dass man zum Zeitpunkt der Manuskripterstellung Anfang 2018 noch keinen 5G-Dienst von einem Provider beziehen kann. Aber die technischen Grundlagen sind weitestgehend klar, die Standardisierung ist schneller vorangekommen als gedacht und hat schon zwei Jahre früher als geplant wichtige Ergebnisse erzielt. Chiphersteller wie Broadcom oder Qualcomm haben schon Muster gebaut, mit denen Provider und Gerätehersteller erfolgreicher als vermutet experimentieren konnten. Drum wird es auch in Korea und den USA schon 2018 vollständige 5G-Dienste geben, die einen Blick auf das erlauben, was uns hier ab 2019 bevorsteht.

Die Standardisierung gibt für 5G folgende Mindest-Parameter vor:

  • 10-fach geringere Latenz als bei 4G
  • 10-fach höherer „gefühlter“ Durchsatz (Benutzererfahrung)
  • 3-fach verbesserte spektrale Effizienz
  • 100-fach höhere Verkehrskapazität
  • 100-fach bessere Netzer-Effizienz
  • 10-fach verbesserte Verbindungichte

Im Laufe des Reports werden wir diese Parameter und Ableger von Ihnen und die Konsequenzen noch genauer beleuchten.

Abgesehen von dieser Einführung hat der Report 11 Kapitel.

Das Kapitel 1 bietet sozusagen einen Tief-Flug über 5G und das Umfeld zur besseren Orientierung.

Im Kapitel 2 begründen wir, inwiefern 5G eine transformative General Purpose Technologie GPT im Range der Druckerpresse, der Dampfmaschine, der Beherrschung der Elektrizität, des Telefons und des Internets ist, Techniken eben, die jeweils eine sozio-ökonomische Bewegung ausgelöst haben. Ohne weitere Begründung kann man bereits aus intuitivem Verständnis sagen, dass 5G bestehende Arbeits- und Arbeitsplatzmodelle durch Flexibilisierung und Mobilisierung völlig verändern wird. Die Nutzung von GPTs führt häufig zur Disruption bestehender Systeme.

Im Kapitel 3 kommen wir systematisch zu den grundsätzlichen Nutzungsarten, wie wir sie hier schon angesprochen haben.

Das Kapitel 4 betrachtet die bisherige Entwicklung der Mobilfunktechnologie soweit dies für das weitere Verständnis notwendig ist.

In Kapitel 5 geben wir einen ersten Überblick über den Standardisierungsprozess.

Die Kapitel 6 und 7 befassen sich nochmals genauer mit den möglichen Anwendungsbereichen und dem 5G Ökosystem.

Das Kapitel 8 bildet einen Schwerpunkt im Rahmen dieser Darstellungen, da soweit dies für das Gesamtverständnis förderlich ist, die Technologien für 5G in Art eines nicht-technischen Überblicks dargestellt werden. Grade was die Funkschnittstellen selbst betrifft, kommen wir hier schnell in Bereiche, die weniger vorbereitete Leser völlig überfordern könnten, wenn die Darstellung zu detailliert ist. Zudem bringt eine sehr tiefe Detaillieren kaum einen weiteren Nutzen, da ja kaum jemand die Funkschnittstellen selbst basteln wird. In diesem Zusammenhang sprechen wir auch über erste Funktionsmuster.

Das Kapitel 9 widmet sich einem besonders faszinierenden, bereits standardisierten, Bereich, nämlich der 5G Systemarchitektur. Es ist eine vollständig Service-basierte Architektur mit dem Ziel, letztlich praktisch alle Funktionen des Netzbetriebs zu automatisieren. Dazu gehört auch die Möglichkeit, dass das System durch den Einsatz von KI selbst aus seinen Fehlern lernt. Es ist schon heute klar, dass das 5G-Netz eines Providers gar nicht funktionieren könnte, wenn noch menschliche Operateure für Basisfunktionen wie Provisionierung eingesetzt werden müssten. Hier ist zu sehen, was man mit SDN und NFV wirklich anfangen kann. Das gesamte System sieht übrigens die Nutzung von offenen Komponenten vor, es gibt hierfür sogar enge Zusammenarbeit zwischen großen Provider, die eigentlich Konkurrenten sind, wie AT&T und Verizon. Proprietäre Lösungen bekommen hier keine Sonne. Ein Vorbild für die Entwicklung von privaten Netzen in Unternehmen und Organisationen.

In Kapitel 10 geht es um die neue Luftschnittstelle 5G NR, 5G New Radio. Seit der Autor zum ersten Mal von 5G gehört hat, beschäftigt ihn die Frage, wie man die ganzen neuen Leistungsparameter wie sehr hohe Datenrate und / oder sehr geringe Latenz in einem Mobilfunksystem umsetzen wird. Ohne eine geeignete Luftschnittstelle kann man die gesamte Konstruktion vergessen. 5G NR ist nach der Gesamtarchitektur der zweite Bereich, der bereits von 3GPP standardisiert wurde. Es gibt einige wirklich neue Konzepte, die auf teilweise überraschende Weise sehr elegant zur Problemlösung beitragen. Neben den „normalen“ Frequenzbereichen unter 6 GHz soll mit 5G auch der Millimeterwellenbereich erschlossen werden. Er hat eine Reihe von Vorteilen, man kann einfach sehr breite Kanäle bilden und in diesen mit recht geringem Modulationsaufwand sehr hohe Datenraten übertragen. Problematisch ist allerdings die hohe Dämpfung des Signals. Mit fortschrittlicher Multi-Antennen-Technik und einer Reihe weiterer Tricks hat man es aber geschafft, die Grenzen, die wir z.B. vom WLAN IEEE 802.11ad kennen, eindrucksvoll zu verschieben und die Millimeterwellentechnik in den Bereich der allgemeinen Nutzbarkeit zu tragen.

Seit es Funksysteme mit größerer Ausbreitung gibt, machen sich viele Menschen Sorgen um mögliche Schäden für ihre Gesundheit. In letzter Zeit ist es vermehrt zu einer Ballung und Verdichtung solcher Systeme gekommen, die bei manchen sogar Angst oder andere psychologische Wirkungen hervorgerufen hat, die sie in Leben und Arbeit negativ beeinflusst haben. Im Kapitel 11 blickt der Report auf den aktuellen Stand der Forschung und gut Anhaltspunkte zur weiteren Recherche.

Ziel des Reports ist es, möglichst viele zukünftig Betroffene und Verantwortliche über Wirkungsweise und Potentiale von 5G in Kenntnis zu setzen, damit sie möglichst frühzeitig einen guten Platz in der 5G Wertschöpfungskette bekommen. Die Entwicklung ist derart dynamisch, dass auch ein solcher Report nie „fertig“ sein kann. Dennoch wünschen wir Ihnen viel Erfolg mit dem aktuellen stabilen Zustand.

Dr. Franz-Joachim Kauffels
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Die Studien von ComConsult Research genießen in Deutschland ein hohes Ansehen. Viele unserer Kunden haben den Wunsch geäußert, die Studien allen Mitarbeitern zugänglich machen zu können und sie auch auf einem Notebook speichern zu können, um sie immer zugreifbar zu haben. Auch die Anforderung, die Studien auf dem Intranet-Server der Firma ablegen zu können, ist genannt worden.

Wir reagieren auf diese Wünsche und bieten ab sofort alle Studien mit Druck-, Kopier- und Web-Server-Lizenzen an. Die Käufer erhalten in diesem Fall eine normale Print-Version zusammen mit einer CD, auf der die Studie im Druck-optimierten PDF-Format vorliegt. Diese CD berechtigt je nach gekaufter Lizenz dazu, den Technologie-Report mehrfach auszudrucken oder auf entsprechend viele Arbeitsplatz-Rechner zu kopieren. Die Studien sind dabei für jeden Kunden intern gekennzeichnet, um unkontrollierte Verbreitungen zu vermeiden. Die Top-Lizenz ist die Web-Server-Lizenz und berechtigt zur Bereitstellung für alle Mitarbeiter auf dem Intranet-Server der Firma. Diese Fassung ist zudem für den Web-Zugriff optimiert.

Für alle Report mit einem Grundpreis von 398,– Euro gilt folgende Preisstaffel: (Lizenzpreise für Reports mit abweichendem Grundpreis auf Anfrage)

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Die Rechnungen werden übrigens so ausgestellt, dass die Studien in der Buchhaltung weiterhin direkt abgeschrieben werden können (zum Beispiel für die 50er-Lizenz als 50 x Einzel-PDF-Lizenz). Ebenso können Rechnungen für verschiedene Kostenstellen gesplittet erstellt werden.

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