Anwendungen für 5G

Wo wird 5G-Funk heute (und künftig) eingesetzt?

Die Vergangenheit hat bisher gezeigt, dass jeder Sprung 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 Smartphones und sozialen Netzwerken 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. Über 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.

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) wurden die Mobilfunk-Sprachnetze 2015 endlich auch digital, was mit mehr Sprachqualität und einem besserem Nutzererlebnis einhergeht. Allerdings lag der Fokus bei 4G weiterhin eher auf die Datenübertragung für Privatkunden. Der Nachfolger ist dagegen explizit auch für die Industrie und hohe Leistung optimiert!

Der Switch von 4G zu 5G ermöglicht gleichfalls völlig neue, spannende und nützliche Dienste, die sich nur zum Teil heute schon ableiten lassen. 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, wurde bei 5G erstmals auch die optimale und unlimitierte Vernetzung von Geräten mit berücksichtigen.

Im folgenden Schaubild hat Huawei schon vor Jahren einen Versuch unternommen, mögliche 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 früheren Mobilfunknetzen in Kontrast zu den 5G-Möglichkeiten setzen soll.

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. Die ITU-R IMT-2020 Vision für 5G enthielt daher von vornherein drei elementare Anwendungs- bzw. Nutzungsszenarien für 5G - eMBB, URLLC sowie mMTC:

1) Das erste Szenario zielt auf Dienste, wo besonders große Datenmengen anfallen und somit auch 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, Virtual-Reality oder KI-Applikationen. Diese Gruppe wird von der ITU subsummiert als „Enhanced Mobile Broadband", kurz eMBB.

2) Für die Zukunft erwarten Experten weiter eine zunehmende Vernetzung im industriellen Bereich, die Stichwörter lauten hier „Industrie 4.0“ und „Internet der Dinge“ (IoT) und Campusnetze. 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 Zelle, 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 lebenswichtig (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. Dann 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 schon gegebenen oder noch geplanten, technischen Vorteile von 5G, lassen sich etliche Kern-Anwendungsgebiete und Features ausmachen: Mindestens 13 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 auch in dicht besiedelten Gebieten (Großstädten / Stadien),
3) ungestörte Datenverbindung auch bei Mobilität (z.B. Zug, Flugzeug),
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 Latency Communications (uRLLC),
6) Augmented Reality Maintenance (eMBB) und Virtual Reality
7) Basis für autonome Fahrzeuge / autonome Zugsteuerung
8) Live-TV Übertragung - siehe 5G Broadcast + Beispiel
9) verbesserte Mobilfunk-Telefonie (Voice over 5G)
10) für bessere Computerspiele
11) schnelleres Festnetz per Hybrid-Internet
12) private Campusnetze für Unternehmen
13) Grundlage für leistungsstarke, mobile KI-Applikationen

Anwendungsfeld 1) Gemessen an heute schon verfügbaren LTE-Datentarifen mit bis zu 300 MBit/s und den Möglichkeiten von 5G mit Geschwindigkeiten bis 20.000 MBit/s, erscheint die Forderung nach 100(+) MBit/s gerade zu lächerlich. Doch es geht hier nicht um Spitzendatenraten, sondern vielmehr um eine Art „Untergrenze“, welche stets (also permanent und flächendeckend) verfügbar sein muss. LTE-Netze liefern 100+ MBit nur unter guten Bedingungen und keineswegs durchgehend und bundesweit. Highspeed-Internet ist daher eher Glücksache! In bundesweiten Netztests liegen die Durchschnittsdatenraten auch bei LTE selten über 100 MBit/s. Auch in den Sternchentexten der Provider wird darauf verwiesen.

Die 5G-Netze sollen perspektivisch 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 sind auch dünn besiedelte Regionen mit Gigabit-Internet erschließbar. Das hilft, die Versorgungslage im ländlichen Raum weiter zu verbessern. Soweit zumindest die Theorie. Der Ansatz über FWA könnte hier auch mit 5G Abhilfe schaffen.

Anwendungsfeld 2) Kritiker bemängeln nicht zu Unrecht, dass in Städten die Breitbandversorgung weit besser ist als im Rest des Landes. Egal ob Highspeed-LTE, Kabel-Internet oder Glasfaser-Internet (FTTH) – Städter haben stets den Vorzug. Allerdings müssen die Mobilfunknetze hier auch ganz andere Nutzerzahlen stemmen wie auf dem Land. Selten werden lokale Funkmasten im ländlichen Raum auf einem Dorf kaum mehr als 20 Gespräche und 10 Download-Internetverbindungen gleichzeitig abwickeln müssen. Bei Massenereignissen in urbanen Regionen hingegen, werden selbst moderne 4G-Mobilfunknetze stets überfordert. Etwa im Zusammenhang mit Festlichkeiten (Silvester), Demonstrationen, Weihnachtsmärkten oder Fussballspielen, müssten zehnttausende Kunden auf engstem Raum gleichzeitig bedient werden.

Bald werden zudem ultrahochauflösende Bilder und Videos einen Großteil des generierten Traffics ausmachen. 5G ist auch in solchen Situationen besser gewappnet! Und dass 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 teils Latenzen von unter 10 ms gefragt sind. Zum Vergleich: Unser Auge/Gehirn benötigt dieselbe Zeitspanne 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 (fast) 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/h gänzlich. Mit 4G/LTE wurde dieses Manko erstmals beseitigt und selbst bei 100-200 km sind theoretisch noch gute Verbindungen möglich.

5G hat diese Fähigkeit weiter perfektioniert und soll selbst bei 500 km noch zuverlässig funktionieren. Doch die Ziele gehen weit darüber 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 anbinden 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, hat aber mit 5G endlich massiv an Fahrt gewonnen. Einige technische Grundsteine sind erst damit gelegt worden. Insbesondere sind hier ultra-low-latencys zu nennen, also Reaktionszeiten im Bereich von 1 Millisekunde. Doch was ist nun das Internet der Dinge eigentlich? 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.

Aber auch in der Landwirtschaft setzen sich Digitalisierung und KI immer mehr durch. 5G schafft hier prinzipiell die ideale Schnittstelle zur Kommunikation und Übertragung der enormen Datenmengen. Mehr dazu hier in unserem großen Spezial zu 5G in der Landwirtschaft.

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, wird 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.

Anwendungsfeld 5) Ultra-Reliable & Low Latency 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. Vodafone erprobte bereits 2019 die autonome Steuerung von Zügen übers 5G-Netz.

Die 5G-Technik ist fähig, extrem zuverlässige Kommunikationswege bereitzustellen. Also solche, die auch im Fall einer Naturkatastrophe nicht zusammenbrechen. 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. Etwa bei der Steuerung von Verkehrssystemen und Verkehr, Drohnen aller Art (Transportdrohnen), Überwachungssystemen, Maschinen in der Industrie oder im Gesundheitswesen.

Anwendungsfeld 6) Schon 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.

Anwendungsbereich 7) Erste selbstfahrende Autos gab es schon vor Jahren. In einigen Ländern ist der Einsatz sogar schon legal, auch wenn es immer wieder Zwischenfälle gibt. Experten des Prognos-Institutes schätzen, dass sich der Einsatz erst ab 2030 durchsetzen wird. Auch gilt es noch rechtliche und versicherungstechnische Fragen im Umgang mit autonomen Fahrzeugen zu klären.

Das 5G-Netz soll dabei die Möglichkeiten und Zuverlässigkeit perspektivisch verändern. Etwa indem den Systemen durch die Vernetzung von Verkehrssystemen und anderen Fahrzeugen bessere Entscheidungsgrundlagen in Form von Daten zur Verfügung stehen. Also zum Beispiel: Wo fährt welches andere Auto gerade wie schnell? Welche Ampel wird bald umschalten und welche Verkehrssituation ist voraus zu erwarten. Als Rückkopplung könnten auch Ampeln und Straßenlaternen intelligenter operieren, also z.B. nicht umschalten, wenn gar kein Auto von der Gegenrichtung kommt oder das Licht erst angeht, wenn sich ein Fahrzeug nähert.

alle wichtigen Infos finden Sie hier in unserem Spezial zu Autonomen Fahren und 5G...

Die Dt. Telekom z.B. plant bis 2025 alle wichtigen Autobahnen, Bundesstraßen und Schienennetze mit 5G zu versorgen um die Grundlagen für automatisiertes Fahren zu schaffen. Die „5G Automotive Association“ (5GAA) schaffen dafür branchenweit verbindliche Standards.

Anwendungsfeld 8) 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 noch einmal eindrucksvoll einige Szenarien und Vorzüge der neuen Mobilfunktechnik auf...

Die hohen Datenraten im Uplink und die Zuverlässigkeit von 5G, eignen sich auch hervorragend zur Übertragung von Live-TV Übertragungen. Im Herbst 2019 testete die Dt. Telekom zum Beispiel beim Berlin-Marathon die Funktechnik für eben diesen Einsatz mit Erfolg. RTL verwendet die Network-Slicing-Technik von 5G seit 2023 in Kooperation mit der Telekom für Live-Übertragungen via 5G.

Der Vorteil ist beispielsweise, dass keine extra aufgebaute Infrastruktur für die Übertragung benötigt wird. Es reicht ein handelsübliches 5G-Smartphone als Modem. Das spart Zeit und Geld in der Produktion.

Des Weiteren eignet sich 5G natürlich auch perfekt als Internetzugang zur Nutzung von hochauflösenden Streaming- bzw. IPTV-Diensten. Wie z.B. Waipu.TV, Netflix und so weiter. Gerade beim Campen eine ideale Basis für TV-Abende...

Anwendungsbereich 9) In den meisten Medien wird bei 5G bislang der Fokus nur auf die verbesserten Datenübertragungsraten gelegt. Einer der Killerapplikationen der Zukunft könnte dabei aber ganz wo anders liegen. Gemeint ist Telefonie über 5G als reiner Netzdienst – auch Voice over NR (VoNR) oder Voice over 5G genannt. Bereits beim LTE-Standard leitete der Umstieg auf VoLTE (Voice over LTE) einen echten Paradigmenwechsel der Mobilfunktelefonie ein. Nicht nur dass diese nur erstmals rein Datenpaket orientiert abgewickelt wurde – VoLTE Nutzer profitieren von deutlich besserer Sprachqualität, niedrigerem Akkuverbrauch und ultrakurzen Rufaufbauzeiten von 2-3 Sekunden. Vo5G könnte eine ähnliche Verbesserung mit sich bringen. Noch steckt die Technik aber ganz am Anfang. Alle wissenswerte zum Thema haben wir hier in unserem großen VoNR-Spezial zusammengefasst.

Anwendungsbereich 10) Nicht zuletzt eröffnet die neue Technik auch weitere Wege für Verbesserungen in der Computerspielbrache. Wiederum steht hier der Latzen- und Geschwindigkeitsvorteil im Fokus. Wovon Spieler konkret durch 5G profitieren können, zeigen wir hier in unserem 5G-Games Spezial.

Anwendungsbereich 11) Seit 2023 beschleunigt die Deutsche Telekom das „normale“ Festnetz mit 5G! Gemeint sind also herkömmliche DSL- oder VDSL-Breitbandzugänge, die in Kombination mit Mobilfunk fast so schnell wie Glasfaser werden sollen. Das Ganze nennt sich Hybrid Internet. Mehr über 5G-Hybrid von der Telekom hier.

Anwendungsbereich 12) Einer der wichtigsten Errungenschaften für viele Unternehmen dürften wohl die privaten Campusnetze sein. Hier können maßgeschneiderte, lokale 5G-Netze nur für eine einzelnes Firmengelände (z.B. Autowerk) errichtet werden. So lassen sich für jeden Bedarf die perfekten Grundlagen gezielt befriedigen. Auch in Punkto Sicherheit ein Mehrwert, da sensible Unternehmensdaten so besser nach Außen abgeschirmt sind und nicht über das allgemeine offene 5G-Netz laufen. Mehr zum Thema hier in unserem Campusnetz-Spezial.

Anwendungsbereich 13) Künstliche Intelligent ist seit ChatGTP in aller Munde. Allerdings fallen oft immense Datenmengen in Verbindung mit dem Thema KI an, so dass 5G auch hier wichtige Grundlagen erst schafft.

Fazit

Zugegeben, vieles ist noch reine Kaffeesatzleserei. Und einiges wird sich entweder gar nicht durchsetzen oder erst in 5 Jahren. Zudem ist auch mit neuen LTE-Techniken schon viel möglich, auch ohne auf den 5G-Ausbau 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 ca. 5 Jahren weltweit hunderte Milliarden Endgeräte miteinander vernetzt sein werden. Unter anderem dafür braucht es neue Verfahren und Netze.