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Anwendungen für 5G

Wo könnte 5G-Funk eingesetzt werden?


Die Vergangenheit hat bisher gezeigt, dass jeder Technologiesprung in der Mobilfunktechnologie zu einem fundamentalen Wandel von Gesellschaft und Technik geführt hat. Und zwar in der Art und Weise, wie wir mobile Dienste in unserem Leben nutzen. Der Siegeszug von sozialen Netzwerken und Smartphones, eröffnete erstmals eine ganz andere Alltagsgestaltung. Statt nach dem Weg zu fragen, schauen wir nun bei Google Maps und sind ständig mit „allen“ Bekannten in Kontakt. Wegbereiter waren hierfür aber schnelle Mobilfunknetze. Mit 2G oder WAP, gäbe es heute kein Facebook oder Instagram, soviel ist sicher. Mit der Netztechnik von vor 20 Jahren, wären die meisten der heutigen Dienste also undenkbar.

Applikationen für die 5G-Technik

Jeder Sprung, sei es von 2G zu 3G oder wie 2011 von 3G zu 4G, führten zu einem Paradigmenwechsel. LTE (4G) wurde viel leistungsstärker als die Vorgängerstandards und eröffnete damit erstmals Möglichkeiten, Videos und dutzende Bilder in kürzester Zeit abzurufen bzw. zu versenden. Dank "Voice Over LTE" (VoLTE) werden die Mobilfunk-Sprachnetze seit 2015 endlich auch digital, was mit mehr Sprachqualität und einem besserem Nutzererlebnis einhergeht. Allerdings fokussierte sich 4G weiterhin eher auf die Datenübertragung an und für Personen.

Der nächste Switch von 4G zu 5G wird gleichfalls völlig neue, spannende und nützliche Dienste ermöglichen, die sich teils heute schon ableiten lassen. Andere wiederum können selbst Experten noch nicht einmal ansatzweise erahnen. Erwartet wird nichts weniger als die „total vernetzte Gesellschaft“, wobei die gesellschaftliche Wertung dieses Szenarios und deren Implikationen sicher noch aussteht. Im Gegensatz zu 4G, wird 5G erstmals auch die optimale und unlimitierte Vernetzung von Geräten mit berücksichtigen.

Im folgenden Schaubild hat Huawei einen Versuch unternommen, künftige Anwendungsmöglichkeiten in einem dreidimensionalen Würfel darzustellen - und zwar nach den Dimensionen Datenrate (x), Latenzzeit (z) und der Anzahl bedienbarer Endgeräte (y). So kommt es beispielsweise bei Telematiksystemen (z.B. autonomes Fahren) vor allem auf niedrige Latenzen an und weniger auf hohe Datenraten. In der Mitte dargestellt, ein winziger Würfel im Würfel, der die Möglichkeiten von heutigen Mobilfunknetzen in Kontrast zu den 5G-Möglichkeiten setzen soll.


Dies sind zukünftige 5G Anwendungen

5G Cube | Quelle Huawei


5G bietet die Basis für 3 grundlegende Dienste

Bei der Entwicklung von 5G wurde die Prämisse auf gleich drei Aspekte gelegt, bei denen LTE noch Defizite aufwies.


  • 1) Für Dienste wo besonders hohe Datenübertragungsraten unumgänglich sind, wie z.B. Videostreaming. Besonders wenn mehrere Kunden in einer Zelle ultrahochauflösende Videos anfordern, benötig man hohe Kapazitäten. Gleiches gilt für Augmented Reality oder Virtual-Reality Applikationen. Diese Gruppe wird von der ITU subsummiert als „Enhanced Mobile Broadband, kurz eMBB.

  • 2) Für die Zukunft erwarten Experten eine viel stärkere Vernetzung im industriellen Bereich, die Stichwörter lauten hier „Industrie 4.0“ und „Internet der Dinge“ (IoT). Aber auch im Endkundenbereich sollen sich smarte Geräte mit Sensoren künftig stärker durchsetzen. Beispielsweise die  Übermittlung von Daten diverser Heimsensoren – Strom, Wasser, Rauchmelder, Überwachung, Temperatur etc.  Zwar fallen dabei nur geringe Datenmengen an, die Vernetzung von tausenden bis Millionen Gadgets in einer Celle, stellen aber neue Anforderungen an Energieeffizienz und Zuverlässigkeit. Die Klasse hierzu wird mit „Massive Machine Type Communication (mMTC) zusammengefasst.

  • 3) Zu guter Letzt gibt es Anwendungsfelder, wo beste Verbindungsqualität, Stabilität und Verfügbarkeit (QoS) unumgänglich, wenn nicht sogar vital sind. Zum Beispiel bei der geplanten Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation, Robotik, der Überwachung von Vitaldaten und anderen Applikationen taktiler Netze. Hier stehen zudem meist Echtzeit-Datenübertagung im Fokus und weniger die Übermittlung enormer Datenmengen. Hier spricht man von Ultra-Reliable and Low-Latency Communication (URLLC).

Konkrete 5G-Anwendungsfälle

Selbstverständlich sind viele Anwendungen noch nicht vorhersehbar, dennoch wagen wir einen Ausblick. Aufgrund der geplanten, technischen Vorteile von 5G, lassen sich etliche Kern-Anwendungsgebiete und Features ausmachen: Insgesamt 7 Nutzungsszenarien sind für 5G relativ offensichtlich. Jede von ihnen umfasst wiederum einige weitere Untergruppen und Anwendungsmöglichkeiten. Zunächst spezifizieren wir diese grob:


  • 1) Highspeed-Zugriff für jeden überall mit wenigstens 100+ MBit/s (netto),
  • 2) Highspeed-Breitbandinternet in dicht besiedelten Gebieten (Großstädten),
  • 3) ungestörte Datenverbindung auch bei Mobilität (z.B. Zug),
  • 4) technische Grundlage für das „Internet der Dinge“ (IoT)
    E-Health, Industrie 4.0, Logistik, Smart City, Smart Farming - siehe mMTC,
  • 5) Ultra-Reliable & Low Lazency Communications (URLLC),
  • 6) neue Broadcast-Techniken (z.B. Live TV für mobile Geräte in Ultra-HD) - eMBB.
  • 7) Augmented Reality Maintenance - eMBB


  • Anwendungsfeld 1) Gemessen an heute schon verfügbaren LTE-Datentarifen mit bis zu 500 MBit und den Möglichkeiten von 5G mit Geschwindigkeiten bis 20.000 MBit, erscheint die Forderung nach 100+ MBit gerade zu lächerlich. Doch es geht hier nicht um Spitzendatenraten, sondern vielmehr um eine Art „Untergrenze“, welche stets verfügbar sein muss. Heutige LTE-Netze liefern 100+ MBit nur unter idealen Bedingungen und keineswegs bundesweit. Highspeed-Internet ist daher eher Glücksache! In bundesweiten Netztests liegen die Durchschnittsdatenraten auch bei LTE selten über 40 MBit. Auch in den Sternchentexten der Provider wird darauf verwiesen. Die künftigen 5G-Netze sollen immer und überall ein Mindestmaß an Performance bieten, um das Nutzererlebnis in etwa konstant zu halten. Egal ob nun in der Stadt, im Zug oder auf dem Land. Mit 5G könnten zudem dünn besiedelte Regionen mit Gigabit-Internet erschließbar sein. Das würde helfen, die Versorgungslage im ländlichen Raum weiter zu verbessern. Soweit zumindest die Theorie. Die Grundlagen für die Praxis fehlen leider noch.

  • schneller mobil surfen am Handy oder Tablet

  • Anwendungsfeld 2) Kritiker bemängeln nicht zu Unrecht, dass in Städten die Breitbandversorgung weit besser ist als im Rest des Landes. Egal ob Highspeed-LTE, VDSL oder Glasfaser-Internet (FTTH) – Städter haben stets den Vorzug. Allerdings müssen die Mobilfunknetze hier auch ganz andere Nutzerzahlen stemmen wie auf dem Land. Nicht selten werden lokale Funkmasten im ländlichen Raum kaum mehr als 10 Gespräche und 5 Internetverbindungen gleichzeitig abwickeln müssen. Bei Massenaufläufen in urbanen Regionen hingegen, werden selbst moderne 4G-Mobilfunknetze oft noch überfordert. Etwa im Zusammenhang mit Festlichkeiten (Silvester), Demonstrationen, Weihnachtsmärkten oder Fussballspielen, müssten zehnttausende Kunden auf engstem Raum gleichzeitig bedient werden. 2020+ werden zudem ultrahochauflösende Bilder und Videos einen Großteil des generierten Traffics ausmachen. 5G soll künftig auch in solchen Situationen besser gewappnet sein. Und das trotz neuer Dienste, wie Augmented Reality oder Video-Chats in 4K-UltraHD – sowohl privat als auch im Büro. Selbst für die Spieleindustrie scheint 5G wie gemacht, da auch in Games mitunter Latenzen von um die 1 ms gefragt sind.  Zum Vergleich: Unser Auge/Gehirn benötigt etwa 10 ms zur Erfassung eines Ereignisses.

  • Anwendungsfeld 3) Die Mobilfunkstandards der 3. Generation (UMTS/HDPA) waren noch nicht besonders gut auf Mobilität im eigentlichen Sinne optimiert. Zwar war erstmals Internet unterwegs nahezu überall in vergleichsweise hohen Geschwindigkeiten (im Vergleich zu 2G) möglich. In sich bewegenden Fahrzeugen (Auto, Zug) versagte die Technik dagegen meist spätestens bei 50 km gänzlich. Mit 4G/LTE wurde dieses Manko erstmals beseitigt und selbst bei 100-300 km sind theoretisch noch gute Verbindungen möglich. 5G soll diese Fähigkeit weiter perfektionieren und selbst bei 500 km noch zuverlässig funktionieren. Doch die Ziele gehen über das hinaus. Nach wie vor ist z.B. die Versorgung in der 3. Dimension ein Problem. Genauer gesagt im Luftraum. „3D connectivity“ ist das Stichwort, welche auch Flugzeuge oder Ballons versorgen soll.

  • Anwendungsfeld 4) Das sogenannte „Internet der Dinge“ ist seit einigen Jahren eine viel gebrauchte Floskel. Noch steht dieser Bereich eher am Anfang seiner Entwicklung, dürfte aber mit 5G endlich massiv an Fahrt gewinnen, da damit erst einige technische Grundsteine gelegt werden. Insbesondere sind hier ultra-low-latencys zu nennen, also Reaktionszeiten im Bereich von 1 Millisekunde. Doch was ist nun das Internet der Dinge eigentlich?
    Internet der Dinge (IoT) kommt mit 5G in Fahrt
    Im Prinzip kann man darunter eine Art Projektion des Internets auf die reale Welt verstehen. Geräte können u.a. Informationen an den User weiterleiten oder sich untereinander „verstehen“.

    Eine der ersten Praxisanwendungen, die es heute schon gibt, verbirgt sich hinter dem Termini „Smart-Home“. Hier laufen Informationen von diversen Sensoren (Temperatur, Luftfeuchte, Sicherheit etc.) zentral beim Hausbesitzer am Smartphone zusammen, der zudem interagieren kann. Etwa durch Ein- und Ausschalten des Lichtes per mobilem Endgerät. Oder aber der Fernüberwachung via Videokamera im Haus, Rauchmeldern, Einbruchschutz etc.. Praktisch eine Art Expansion der Sinne, wenn man so will.

    Auf Basis dessen lassen sich nahezu unendlich viele Nutzungsszenarien kreieren. Selbst Zimmerpflanzen können auf Wunsch schon am Smartphone überwacht werden in puncto „gießen oder nicht“? Während aber solche Applikationen auch problemlos mit heutigen 4G-Netzen möglich sind, ist die Lage bei Automatisierungen in der Industrie, E-Health-Applikationen und autonomen Fahrzeugen noch eine ganz andere. Hier sind High-Performance, niedrige Latenzen und 100% Sicherheit mitunter lebenswichtig. Den Plänen nach, könnte 5G hier erstmals eine zuverlässige Basis darstellen. Experten gehen übrigens noch einen Schritt weiter und vereinen unter dem Begriff "Massive Maschine Type Communications" (mMTC) eine ganze Reihe von Anwendungsszenarien, wo Maschinen per 5G kommunizieren. Genauer gesagt E-Health, Industrie 4.0, Umwelttechnik, Smart Farming und intelligente Logistik.

    Smart Home als Paradeprojekt für 5G

  • Anwendungsfeld 5) Ultra-Reliable & Low Lazency Communications (Tactile Internet)
    Tactile Internet ist noch ein sehr junger Begriff, der sich wohl am einfachsten als eine Art Erweiterung vom Internet der Dinge beschreiben lässt. Tactile Internet (TC) erlaubt es, kabellos die Kontrolle von echten oder virtuellen Objekten in Realtime zu übernehmen. TC ist dabei aber keineswegs ein reiner Marketingbegriff, vielmehr wurde TC bereits im August 2014 von der ITU definiert. Und war als ein Internetzwerk, was low latency, extrem hohe Verfügbarkeit, hohe Servicequalität und ein Maximum an Sicherheit gewährleistet. In Verbindung mit Cloud-Diensten, virtueller Realität bzw. Augmented reality (Erweiterter Realität) samt Sensoren und haptischen Kontrollschnittstellen, stehen mögliche Einsatzgebiete zum Beispiel offen für: Automatisierungen im industriellen Bereich, der Medizin (Fern OP), Transportsysteme (Car-to-X) und autonomer Fahrzeugsteuerung. Somit sind erstmals wirkliche Echtzeitanwendungen möglich, die für Maschine-2-Maschine (M2M) unerlässlich sind, aber auch für die Bedienung von Echtzeitapplikationen.


    Die 5G-Technik soll auch fähig sein, extrem zuverlässige Kommunikationswege bereitzustellen. Also solche, die auch im Fall einer Naturkatastrophe nicht zusammen brechen. Zu nennen wären hier Erdbeben, Vulkanausbrüche, Fluten, Stürme oder gar Kriege. Gerade in Notfällen müssen Endgeräte möglichst auf Tage ohne Stromzufuhr zumindest einen Notbetrieb erlauben. Darüber hinaus gibt es Kommunikationswege, wo hundertprozentige Zuverlässigkeit elementar und lebenswichtig ist. Etwas bei der Steuerung von Verkehrssystemen und Verkehr, Drohnen aller Art (Transportdrohnen), Überwachungssystemen, Maschinen in der Industrie oder im Gesundheitswesen.


  • Anwendungsfeld 6) Broadcast hat den entscheidenden Vorteil, dass Daten am hunderte oder tausende Endnutzer nur einmal gesendet werden müssen und nicht an jeden einzelnen. Etwa bei der Übertragung eines Fußballspiels oder Livebilder aus verschiedenen Perspektiven im Stadion an Smartphones der Nutzer. Schon heute geht dies in Testumgebungen ganz gut mit LTE-Broadcast. Künftig könnte mit 5G-Broadcast Diensten die Servicequalität noch weiter optimiert werden und endliche zu einem Durchbruch gelangen.

  • Video-Tipp: Im folgenden Video zeigt Vodafone nocheinmal eindrucksvoll einie Szenarien und Vorzüge der neuen Mobilfunktechnik auf...



  • Anwendungsfeld 7) Auf dem 5G-Day in Berlin (Okt. 2017), zeigte die Deutsche Telekom ein weiteres mögliches Anwendungsszenario für 5G. Mit dem sogenannten "Augmented Reality Maintenance" lassen sich über eine VR-Brille in Echtzeit Daten einblenden. Zum Beispiel für Elektriker, die eine komplizierte Anlage warten müssen. Prinzipiell ist dies auch mit LTE möglich, doch aufgrund der niedrigen Latenzzeiten von 5G, eignet sich der Nachfolger nochmals besser.

Fazit

Zugegeben, vieles ist noch reine Kaffeesatzleserei. Und einiges wird sich entweder gar nicht durchsetzen oder erst in 10 Jahren. Zudem ist auch mit neuen LTE-Techniken bzw. Pre-5G schon viel möglich, auch ohne auf 5G zu warten. Dennoch zielen die Ingenieure bei der Entwicklung explizit darauf, dass der 5G-Standard mehr als ein weiterer, reiner Highspeed-Turbo wird. Insbesondere steht M2M-Kommunikation (z.B. IoT) ganz oben auf der Agenda. Experten gehen schließlich davon aus, dass in 5-10 Jahren weltweit hunderte Milliarden Endgeräte miteinander vernetzt sein werden. Unter anderem dafür braucht es neue Verfahren und Netze.