Der Physiker Nikola Tesla  (1865-1943) hatte einen Traum: Mit Hilfe hochfrequenter Wechselströme sollte es möglich sein, Energie durch die Luft zu transportieren und somit Strom kabellos zu transportieren. Dass dies physikalisch möglich ist, bewies er Ende des 19 Jahrhunderts indem er bspw. Glühbirnen kabellos zum Leuchten brachte. Tesla wollte jedoch nicht nur Glühbirnen kabellos mit Strom versorgen, sondern ganze Städte. Möglich gemacht werden sollte dies durch riesige Türme die auf der ganzen Welt verteilt werden und als Stromsender und Stromempfänger dienen. Zu einem Prototyp kam es damals nicht. Der potenzielle Investor (J.P. Morgan) hatte zu viele Bedenken bezüglich der Möglichkeit den transportierten Strom zählen zu können und daraus eine Rechnung zu erstellen.

Heute haben wir die Vision Teslas, Strom zur Energieversorgung kabellos zu transportieren, zwar noch nicht umgesetzt, jedoch haben wir einen Teil seiner Idee „zweckentfremdet“. Wir nutzen das Konzept, frequente Signale durch die Luft zu schicken, schon seit vielen Jahrzehnten in unserem Alltag. Anfangs waren dies Funkwellen, um Signale an ein Radio zu übertragen. Auch bei dieser Entwicklung  hatte Nikola Tesla seine Finger im Spiel. Heute nutzen wir dies um mit unserem Smartphone Mobilfunk zu empfangen und somit unser Smartphone mit dem Internet kommunizieren zu lassen. Hier haben wir ein ähnliches Konzept wie initial von Nikola Tesla angedacht. Unsere Städte sind überzogen mit Funkmasten die uns ein ausreichendes Funknetz zur Verfügung stellen. Unsere Smartphones dienen als Empfänger. In den letzten Jahren ging es in den Medien häufig um den sogenannten „5-Netzausbau“. Was dahinter steckt, wieso wir dafür einen „Ausbau“ benötigen und weshalb diese Technologie auch ein Stück weit nur ein Buzzword, darum geht es in diesem Beitrag.

5G wurde in den letzten Jahren medial mit verschiedenen Technologien in Zusammenhang gebracht. Smartphones, Autonome Fahrzeuge etc. sind nur einige der Gebiete in denen 5G eine entscheidende Rolle spielen soll. Wofür steht 5G überhaupt? 5G ist der Mobilfunkstandard der fünften Generation. Die Vorgänger hießen tatsächlich einfach 2G, 3G und 4G. Manche dieser Vorgänger sind unter anderem Namen bekannt (bspw. 4G = LTE). 5G steht also einfach für den aktuellsten Mobilfunkstandard der auf dem Markt verfügbar ist. Die häufigste Schnittstelle des Menschen zu Mobilfunkstandards ist eben das Smartphone weshalb wir in diesem Beitrag häufig auf Smartphones beziehen werden. Letztendlich können aber auch Autos, Kühlschränke oder andere Geräte mittels eines Kommunikationsmoduls „5G-fähig“ gemacht werden.

Wie funktioniert ein Mobilfunkstandard?

Wie bereits erklärt, geht es bei all den Mobilfunkstandards letztendlich darum, dass Daten mittels eines Funksignals übertragen werden. Wie in dem vorherigen Artikel „Spielregeln der industriellen Kommunikation“  beschrieben, werden Daten häufig mittels Bitreihenfolgen kommuniziert. Diese Bitreihenfolgen werden durch Zustandsänderungen eines Signals erzeugt. Bei der Funkübertragung ist dies nicht anders. Die Funksignale bestehen aus Wellen, die unterschiedlich starke Ausschläge haben. Im Folgenden wird erklärt, wie eine schnelle Datenübertragung zustande kommt und wie das mit dem „5G-Netzausbau“ zusammenhängt.

Eine hohe Datenübertragung wird dadurch erreicht, dass möglichst viele Funkwellen (im Folgenden Wellen) innerhalb einer bestimmten Zeit übertragen werden. Dies wird in der Einheit „Hertz“ (Abk. Hz) gemessen. Wenn ein vollständiger Wellenzyklus eine Sekunde braucht, dann spricht man von 1 Hz.

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Nun ist es aber so, dass man in der Funkübertragung in wesentlich schnelleren Bereichen unterwegs ist. 4G arbeitet in den Frequenzbereichen 800 MHz bis 2600 MHz. „M“ steht hierbei für den Zusatz „Mega“ was bedeutet, dass 4G zwischen 800*10^9 bis 2600*10^9 Wellen pro Sekunde überträgt. Man redet bei Funksignalen also von Übertragungsraten die für den Menschen schwer vorstellbar sind. Mit dieser Übertragungsgeschwindigkeit konnte 4G bis zu 1000 MegaBit/s (125Mbyte/s) als Downloadgeschwindigkeit erzielen. Für 5G sind die Frequenzbereiche 2,1 GHz und 3,6 GHz vorgesehen. „G“ ist die Abkürzung für „Giga“ und steht für den Faktor 10^12. Damit sollen Datenraten von bis zu 10 Gbit/s (1,25 GByte/s) im Download möglich sein. Um die Einführung in die Datenübertragung mittels Funkwellen abzuschließen kann man zusammenfassen, dass moderne und damit schnellere Mobilfunkstandards mehr Wellen pro Sekunde übertragen können.

Doch was hat es nun mit dem „5G-Netzausbau“ auf sich? Um dies zu erklären, muss noch ein weiterer physikalischer Zusammenhang von Funkwellen erläutert werden. Funkwellen können durch (nahezu) jedes Material hindurch übertragen werden. Wäre dies nicht so, würden wir uns in keinem Gebäude dieser Welt mit dem Mobilfunknetz verbinden können. Manche Materialien eignen sich für die Übertragung dabei besser als andere. Jedes Material, ungeachtet davon wie gut es sich für die Übertragung eignet, wirkt sich dabei jedoch auf die Funkwellen aus und „verschlechtert“ die Qualität der Übertragung. Übertragungen mit einer geringeren Frequenz sind davon weniger stark betroffen als Übertragungen mit einer hohen Frequenz. Dies bedeutet zusammenfassend: Umso höher die Übertragungsgeschwindigkeit (und bei 5G ist diese sehr hoch), desto mehr wirken sich Hindernisse wie Gebäude und sonstiges auf die Übertragungsqualität aus.

Möchte man also in einem dicht bebauten Gebiet ein vollumfängliches 5G-Netz anbieten, so benötigt man dort viele 5G-fähige Antennen. Anderenfalls wird eine dichte Bebauung die 5G Funkwellen zu sehr beeinträchtigen. In Städten ist die Grundlage dafür meistens schon gegeben: viele Sendemasten. In ländlichen Gebieten ist dies aber nicht so. Zugegebenermaßen benötigt man in ländlichen Gebieten nicht die gleiche Dichte an Sendemasten wie in städtischen Gebieten. Bäume und Landwirtschaft wirken sich weniger stark auf die Übertragungsqualität aus als städtische Gebiete. Indirekt wird dies jeder von uns schonmal bemerkt haben. Wenn man mit einem Auto durch sehr ländliches Gebiet fährt, kommt es schon mal vor, dass man mit seinem Smartphone keinen Empfang mehr hat. Wie wir gelernt haben, wird hierfür ja auch eine verhältnismäßig hohe Frequenz benötigt. Das Autoradio funktioniert dann aber trotzdem noch, da Radio-Funkwellen in einem sehr niedrigen Frequenzbereich arbeiten.

5G soll nicht ausschließlich für den Empfang von Mobilfunk für Smartphones genutzt werden. Vielmehr soll diese Technologie neue Wege öffnen für beispielsweise das Verkehrsnetz oder die Landwirtschaft. Überall wo Daten anfallen, soll die Möglichkeit geschaffen werden Geräte mit einem Kommunikationsmodul auszustatten und mittels 5G eine großen Datentransport gewährleisten zu können. Daher muss auch in ländlichen Gebieten ein Ausbau von Kommunikationstechnologien, vor allem Sendemasten, vorangetrieben werden. Zwei Abschnitte zuvor wurde erwähnt, dass 5G auf zwei verschiedenen Frequenzbereichen (2,1 GHz und 3,6 GHz) verfügbar sein wird. Die langsameren 2,1 GHz Frequenzbereiche werden aus zuvor beschrieben Gründen eher im ländlichen Bereich zum Einsatz kommen. In dicht besiedelten Gebieten sollen die schnelleren 3,6 GHz Frequenzbereiche verfügbar sein. Dieser Ausbau von Sendemasten wird unter der Begrifflichkeit „5G-Netzausbau“ zusammengefasst.

Auch wenn dieser Blogbeitrag eher die physikalischen Zusammenhänge von Funkwellen erläutert hat, so kann man bei 5G dennoch von einem Kommunikationsprotokoll reden. Es werden auch hier Regeln definiert (bspw. die Frequenzbereiche) um Daten zu transportieren. Da sich 5G mit der physischen Datenübertragung befasst ist dieses Protokoll eher in den unteren Bereichen des ISO/OSI-Modells zu finden.

Rückbetrachtend hat dieser Blogbeitrag eher den Bereich „Mobilfunk“ erläutert. Dies ist aber auch dadurch zu begründen, dass 5G „nur“ der neueste und schnellste unter den Mobilfunkstandards ist. Die nächste Generation, logischerweise wird diese 6G heißen, ist bereits in Planung und die Begrifflichkeit wird inzwischen auch in ersten Fachgruppen thematisiert. Letztendlich wird auch dieser neue Standard schneller sein. Aktuell heißt es, dass damit Downloadgeschwindigkeiten von 400 Gbit/s (50 GByte/s) möglich sein sollen. Ab ca. 2030 soll das 6G-Netz in Deutschland ausgerollt werden.

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