Selbst ohne tiefgehendes Wissen über die Generationen mobiler Netzstandards wird jeder wahrscheinlich sagen, dass 5G besser ist als 4G/LTE. Tatsächlich ist alles jedoch nicht so einfach. Lassen Sie uns untersuchen, in welchen Punkten 5G besser oder schlechter ist und welche Anwendungsfälle derzeit am vielversprechendsten sind.
Was verspricht uns die 5G-Technologie?
- Eine Geschwindigkeitssteigerung um das Zehnfache auf 10 Gbit/s.
- Eine Verringerung der Latenzzeiten um das Zehnfache auf 1 ms.
- Eine hundertfache Erhöhung der Verbindungszuverlässigkeit (packet loss error rate).
- Eine Erhöhung der Dichte (Anzahl) der angeschlossenen Geräte (106/Km²).
All dies wird erreicht durch:
- Multikanalbetrieb (Parallelität bei Frequenzen und Basisstationen)
- eine Erhöhung der Trägerfrequenzen von 1 auf mehrere Dutzend GHz (Durchsatz der Funkverbindung)
5G wird 4G in traditionellen Bereichen verbessern, sei es beim sofortigen Herunterladen eines Films oder in der nahtlosen Verbindung einer mobilen Anwendung mit der Cloud. Bedeutet das, dass wir auf Kabelinternet in unseren Wohnungen und Büros verzichten können?
5G wird universelle Verbindungen für alles und jeden schaffen, indem es bandbreitenstarke, energieintensive Protokolle mit schmalbandigen, energiesparenden kombiniert. Dies wird neue, für 4G unzugängliche Bereiche eröffnen: die Maschinenkommunikation zu Land und in der Luft, Industrie 4.0 und das Internet der Dinge. , dass das 5G-Geschäft bis 2035 3,5 Billionen Dollar einbringen und 22 Millionen Arbeitsplätze schaffen wird.
Oder nicht?..
(Bildquelle — Reuters)
Wie es funktioniert
Wer weiß, wie 5G funktioniert, kann diesen Abschnitt überspringen.
Wie können wir also eine so schnelle Datenübertragung in 5G erreichen, wie oben beschrieben? Das ist doch keine Magie, oder?
Die Geschwindigkeit wird durch den Wechsel zu einem höheren Frequenzbereich erreicht – einem Bereich, der zuvor ungenutzt blieb. Zum Beispiel beträgt die Frequenz von Heim-WLAN 2,4 oder 5 GHz, während die Frequenz bestehender Mobilfunknetze bei 2,6 GHz liegt. Wenn wir jedoch von 5G sprechen, reden wir sofort von Dutzenden von Gigahertz. Es ist einfach: Erhöhen wir die Frequenz, verringern wir die Wellenlänge – und die Datenübertragungsgeschwindigkeit steigt erheblich. Zudem wird das gesamte Netzwerk entlastet.
Hier ist ein anschaulicher Comic, wie es war und wie es sein wird. So war es:
So wird es sein:
(Quelle: IEEE Spectrum, )
Die Frequenz hat sich um das Vielfache erhöht, weshalb wir im 5G-Netz mit deutlich kürzeren, millimetergenauen Wellen arbeiten. Diese dringen schlecht durch Hindernisse. In diesem Zusammenhang ändert sich auch die Netzwerkarchitektur. Während wir früher großen leistungsstarken Masten vertraut haben, die eine Verbindung über große Entfernungen ermöglichten, müssen jetzt viele kompakte, schwächere Masten überall aufgestellt werden. Berücksichtigen Sie, dass in großen Städten eine Vielzahl von Stationen benötigt wird, um Signalüberlappungen durch hohe Gebäude zu bewältigen. Für eine zuverlässige Ausstattung New Yorks mit 5G-Netzen sind daher 500 (!) Mal so viele Basisstationen nötig.
Nach Für russische Anbieter wird der Übergang zu 5G etwa 150 Milliarden Rubel kosten – eine Summe, die mit den vorherigen Ausgaben für den Ausbau des 4G-Netzes vergleichbar ist, obwohl die Kosten für eine 5G-Station niedriger sind (aber man benötigt eine große Anzahl).
Zwei Netzwerkalternativen: stationär und mobil.
Zur Reduzierung des Energieverbrauchs und zur Erhöhung der Reichweite kommt die Technologie Beamforming zum Einsatz. — dynamische Strahlformung für einen bestimmten Nutzer. Wie funktioniert das? Die Basisstation merkt sich, woher und wann das Signal kam (es stammt nicht nur von Ihrem Telefon, sondern auch von Reflexionen an Hindernissen), und berechnet mit Triangulationsmethoden Ihren ungefähren Standort, um dann den optimalen Signalweg zu erstellen.
Quelle: Analysys Mason
Die Notwendigkeit, die Position des Empfängers zu verfolgen, führt jedoch zu kleinen Unterschieden zwischen festen und mobilen Nutzungsmöglichkeiten, was sich in verschiedenen Nutzungsszenarien widerspiegelt (darüber später im Abschnitt «Verbrauchermarkt»).
Status Quo
Standards
Es gibt keinen akzeptierten 5G-Standard. Die Technologie ist zu komplex und es gibt zu viele Akteure mit widersprüchlichen Interessen.
Der Standard 5G NR (New Radio) befindet sich in einem hochgradig entwickelten Entwurf von der Organisation 3GPP (3rd Generation Partnership Project), die auch die vorherigen Standards 3G und 4G entwickelt hat. 5G nutzt zwei Frequenzbänder (Frequenzbereich, oder einfach FR). FR1 bietet Frequenzen unter 6 GHz an. FR2 – über 24 GHz, sogenannte Millimeterwellen. Der Standard unterstützt stationäre und mobile Empfänger und stellt eine Weiterentwicklung des Standards 5GTF des amerikanischen Telekommunikationsgiganten Verizon dar, der nur stationäre Empfänger unterstützt (eine solche Dienstleistung wird als Fixed Wireless Access Netzwerke bezeichnet).
Der Standard 5G NR sieht drei Nutzungsszenarien vor:
- eMBB (enhanced Mobile Broadband) – definiert das uns vertraute mobile Internet;
- URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) – hohe Anforderungen an Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit – für Anwendungen wie autonomes Fahren oder Telechirurgie;
- mMTC (massive Machine Type Communications) – Unterstützung einer großen Anzahl von Geräten, die selten Daten senden – ein Anwendungsfall des Internets der Dinge, also von Zählern und Überwachungsgeräten.
Oder kurz, das Gleiche auf dem Bild:
Es ist wichtig zu verstehen, dass sich die Industrie zunächst auf die Implementierung von eMBB konzentrieren wird, da dies das verständlichste Szenario mit bestehenden Einnahmequellen ist.
Implementierung
Seit 2018 werden umfassende Tests durchgeführt, wie beispielsweise während der Olympischen Winterspiele in Südkorea. Im Jahr 2018 führten alle russischen Betreiber der "großen Vier" Tests durch. MTS testete eine neue Technologie – es wurden Nutzungsszenarien mit Videoanrufen, Übertragung von Hochauflösungs-Videos und Online-Gaming überprüft.
In Südkorea wurde erstmals weltweit Ende 2018 ein 5G-Service angeboten. Die weltweite kommerzielle Einführung wird im folgenden Jahr 2020 erwartet. In der Anfangsphase wird das Frequenzband FR1 als Ergänzung zu bestehenden 4G-Netzen verwendet. Laut den Plänen des Ministeriums für digitale Entwicklung wird 5G ab 2020 in Millionenstädten in Russland verfügbar sein. In der Praxis wird der großflächige Rollout von der Möglichkeit zur Monetarisierung abhängen, und dieser Aspekt von 5G ist bislang unklar.
Was ist das Problem mit der Monetarisierung? Das Hauptproblem besteht darin, dass die Telekommunikationsunternehmen bis jetzt keine überzeugenden Gründe für eine Modernisierung sehen: Die bestehenden Netze bewältigen die Anforderungen durchaus. Momentan betrachten sie 5G eher aus einer Marketingperspektive: Das 5G-Symbol auf dem Handy zeigt den Abonnenten eines Telekommunikationsanbieters klar, dass es ein Vorteil ist. Ein anschauliches Beispiel ist der anekdotische Fall von , der das 5G-Symbol platziert hat, obwohl es kein echtes Netzwerk gab, was ihn eine Klage von Wettbewerbern wegen Täuschung einbrachte.
Bei genauerem Hinsehen stellt sich heraus, dass das Symbol tatsächlich "5GE" ist – was so viel wie 5G Evolution bedeutet. Plötzlich handelt es sich nicht um 5G, wie wir es uns vorstellen, sondern nur um ein Etikett, das von Marketingspezialisten für das bestehende LTE-Netz mit einigen Verbesserungen erfunden wurde.
Chipsätze
Halbleiterunternehmen haben bereits viele Milliarden Dollar in 5G investiert. Chips für 5G NR Mobilmodems werden von Samsung angeboten (), Qualcomm (), Huawei (). Die Modems von Intel, einem neuen Akteur auf diesem Markt, werden bis Ende 2019 erwartet. Das Samsung-Modem basiert auf der 10-nm-FinFET-Technologie und ist abwärtskompatibel mit älteren Standards ab 2G. Im Frequenzbereich bis 6 GHz erreicht es Downloadgeschwindigkeiten von bis zu 2 Gb/s; bei Verwendung des Millimeterbereichs steigt die Geschwindigkeit auf bis zu 6 Gb/s.
Telefone
Fast alle Hersteller von Android-Telefonen haben Pläne zur Einführung von 5G angekündigt. Samsung stellte das Flaggschiff Galaxy S10 in einer 5G-Version auf dem Mobile World Congress Ende Februar 2019 vor. Am 5. April wurde es bereits in Korea veröffentlicht. In den USA kam es am 16. Mai auf den Markt, wo die Verbindung über das Netzwerk des Telekommunikationsanbieters Verizon erfolgt. Auch andere Anbieter ziehen nach: AT&T kündigt an, gemeinsam mit Samsung ein weiteres Smartphone in der zweiten Hälfte des Jahres 2019 herauszubringen.
Im Laufe des Jahres werden 5G-Smartphones verschiedener Hersteller, hauptsächlich im Premium-Segment, in den Geschäften erhältlich sein. Schätzungen zufolge wird die neue Technologie die Preise der Geräte um 200 bis 300 $ und die monatlichen Gebühren um 10 % erhöhen.
Verbrauchermarkt
Fallstudie 1. Heim-Internet
5G-Netzwerke für den festen drahtlosen Zugang werden zu einer Alternative zum Festnetz-Internet in unseren Wohnungen. Während das Internet früher über Kabel in unsere Wohnungen gelangte, wird es in Zukunft von einer 5G-Basisstation bereitgestellt, und der Router wird es dann über das gewohnte Heim-WLAN verteilen. Die wichtigsten Akteure der Branche haben ihre Vorbereitungen abgeschlossen und synchronisieren die Markteinführung von Routern mit dem Rollout der 5G-Netze. Ein typischer 5G-Router kostet zwischen 700 und 900 $ und bietet Downloadgeschwindigkeiten von 2 bis 3 Gbit/s. So finden die Betreiber eine Lösung für das Problem der "letzten Meile" und verringern die Kosten für die Verlegung von Kabeln. Auch müssen wir uns keine Sorgen machen, dass die bestehenden Backbone-Netzwerke mit dem gestiegenen Verkehr, der von den 5G-Netzen kommt, nicht umgehen können: Es werden Untersuchungen zur Nutzung des vorhandenen Potenzials von Glasfaser-Netzen — dem sogenannten "Dark Fibre" — durchgeführt.
Wie neu ist dieses Szenario für die Nutzer? In einigen Ländern nutzen immer weniger Menschen traditionelles Festnetz-Internet und wechseln zu LTE: Es stellt sich heraus, dass mobile Daten schneller und günstiger sind – besonders mit geeigneten Tarifoptionen. So beispielsweise in Korea. Dies wird in diesem Comic veranschaulicht:
Fall 2. Massenansammlungen von Menschen
Sicherlich hat jeder schon einmal diese unangenehme Situation erlebt: Sie kommen zu einer Messe oder ins Stadion, und plötzlich gibt es keinen Mobilfunkempfang. Genau in dem Moment, in dem Sie ein Foto posten oder in sozialen Medien schreiben möchten.
Stadien
Samsung führte gemeinsam mit dem japanischen Telekommunikationsanbieter KDDI einen Test in einem 30.000-Plätze-B baseball Stadion durch. Mit den Test-5G-Tablets konnte die gleichzeitige Übertragung von 4K-Videos auf mehreren Tablets demonstriert werden.
Das Stadion ist eines von drei Szenarien, die in der Demozone namens 5G City in Suwon (dem Hauptsitz von Samsung) veranschaulicht werden. Die anderen Szenarien umfassen eine städtische Umgebung (Anschluss von Kameras, Sensoren und Informationsanzeigen) und einen hochgeschwindigkeitsfähigen Zugangspunkt zur Übertragung von HD-Videos in einen fahrenden Bus: während er an dem Punkt vorbeifährt, kann ein Film heruntergeladen werden.
Spiele
Das Unternehmen Niantic, der Entwickler des weltbekannten Geolocation-Spiels Pokémon Go, hat große Hoffnungen in 5G. Und das aus einem bestimmten Grund: Kürzlich wurden in dem Spiel Gruppenereignisse – Raids – eingeführt. In Raids müssen Sie sich mit anderen Spielern koordinieren, um gemeinsam einen besonders mächtigen Pokémon zu besiegen, was interessante Situationen im echten Leben schafft. So befindet sich die Hauptlegenden-Location des Spiels mit dem seltensten Pokémon Mewtwo am Times Square in New York – man kann sich vorstellen, welche Menschenmenge dort zusammenkommt, bestehend nicht nur aus Pokémon-Jägern, sondern auch ausTouristen.
Erweiterte Realität wird ebenfalls als "Killer-App" für 5G betrachtet. In diesem Sie können ein Konzept für magische Duelle in Echtzeit sehen, das derzeit von Niantic in einem neuen Spiel basierend auf „Harry Potter“ entwickelt wird. Niantic hat bereits Partnerschaften mit Samsung und den Betreibern Deutsche Telekom und SK Telecom geschlossen.
Transport
Ein interessanter Fall betrifft die Züge. Es gibt die Idee, die Eisenbahn mit 5G-Verbindung auszustatten, um den Passagieren Unterhaltung und Komfort zu bieten. Eine Studie der Universität Bristol : Um eine hochgeschwindigkeitsfähige, nahtlose Verbindung zu erreichen, müssen entlang der Eisenbahn alle 800 Meter Access Points installiert werden!
Ein Beispiel dafür, wie Access Points entlang der Gleise platziert werden sollten.
Testfahrten wurden erfolgreich mit einem Zug durchgeführt, der in der Nähe von Tokio verkehrt – diese wurden von Samsung in Zusammenarbeit mit dem Telekommunikationsanbieter KDDI. Während der Tests wurde eine Geschwindigkeit von 1,7 Gbit/s erreicht, und es wurde 8K-Video heruntergeladen sowie 4K-Video von einer Kamera hochgeladen.
Neue Nutzungsszenarien
Aber all dies sind eher Lösungen für uns vertraute Aufgaben. Was kann 5G uns im Grunde Neues bieten?
Connected Car
Der Hauptvorteil ist die geringe Latenz, die es Fahrzeugen ermöglicht, sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 500 km/h miteinander zu vernetzen. Im Gegensatz zu menschlichen Fahrern können Fahrzeuge endlich untereinander oder mit der stationären Infrastruktur über Manöver kommunizieren, wodurch die Straßen sicherer werden. Interessant ist, dass das System die Wetterbedingungen berücksichtigt: Jeder weiß, dass der Bremsweg bei rutschigen Bedingungen länger ist, weshalb auch die Regeln in einem solchen System angepasst werden müssen.
Die European Association 5GAA (Automotive Association) vereint bereits über 100 führende Telekommunikations- und Automobilhersteller weltweit, um die Einführung des C-V2X-Systems (Cellular Vehicle-To-Everything) zu beschleunigen. Die Hauptziele der Vereinigung sind umfassende Verkehrssicherheit und Verkehrseffizienz. Auch Radfahrer und Fußgänger mit 5G-Smartphones können sich auf Sicherheit verlassen. Verkehrsteilnehmer können über Entfernungen von bis zu 1 km direkt kommunizieren, während für größere Distanzen ein 5G-Netz erforderlich ist. Das System wird die Schaffung von Korridoren für Polizei und Rettungsdienste ermöglichen und den Austausch von Sensordaten zwischen Fahrzeugen sowie ferngesteuertes Fahren und weitere Innovationen vorsehen. Nach der Einführung von C-V2X plant die Vereinigung, die gesammelten Erfahrungen im 5G V2X anzuwenden, mit dem Ziel, die Industrie 4.0, intelligente Städte und alles, was sich bewegt und 5G nutzt, zu revolutionieren.
Beispiele für Situationen, die mit dem Connected Car gelöst werden können. Quelle: Qualcomm.
5G wird nicht nur Erdfahrzeuge, sondern auch Luftfahrzeuge verbinden. In diesem Jahr hat Samsung in Zusammenarbeit mit dem spanischen Internetdienstanbieter Orange , wie ein Remote-Pilot den Flug einer Drohne steuerte, indem er ein ausgedehntes 5G-Netzwerk nutzte und einen hochauflösenden Videostream in Echtzeit erhielt. Der amerikanische Anbieter Verizon kaufte 2017 , und verspricht Millionen von 5G-gestützten Flügen. Die Drohnen des Unternehmens sind bereits mit dem gestarteten 4G-Netz von Verizon verbunden.
Industrie 4.0
Der Begriff «Industrie 4.0» wurde in Deutschland für sein Modernisierungsprogramm der Industrie geprägt. Der Verband (5G Alliance for Connected Industries and Automation), mit Sitz in Deutschland, vereint seit 2018 Produktionsunternehmen, die an der Nutzung von 5G interessiert sind. Die höchsten Anforderungen an Latenz und Zuverlässigkeit stellt die Steuerung von Industrierobotern, wo die Reaktionszeit nicht mehr als einige Dutzend Mikrosekunden betragen darf. Derzeit wird dies mit Industrial Ethernet (zum Beispiel dem EtherCAT-Standard) gelöst. Es ist durchaus möglich, dass 5G auch um diesen Markt kämpfen wird!
Andere Anwendungen, wie die Kommunikation zwischen industriellen Controllern oder mit Mensch-Bedienern, sowie Sensornetzwerke, sind weniger anspruchsvoll. Derzeit nutzen die meisten dieser Netzwerke Kabel, was 5G jedoch zu einer wirtschaftlich sinnvollen Lösung macht, die zudem eine schnelle Rekonfiguration der Produktion ermöglicht.
In der Praxis wird die wirtschaftliche Rentabilität dazu führen, dass 5G in den kostenintensivsten Bereichen eingeführt wird, die mit menschlicher Arbeitskraft verbunden sind, beispielsweise bei Gabelstaplerfahrern in Fabriken und Lagerhäusern. So hat das europäische Ingenieurbüro Acciona demonstriert, . Der Wagen überträgt 360-Grad-Video in hoher Auflösung, und ein remote Operator hilft ihm, aus unerwarteten Situationen herauszukommen. Der Wagen nutzt 5G-Technologien von Cisco und Samsung.
Die Technologien für die Fernzusammenarbeit werden weiter voranschreiten. In diesem Jahr wurde demonstriert, wie ein Facharzt in Echtzeit einen Onkologie-Eingriff überwacht, der viele Kilometer entfernt stattfindet, und seinen Kollegen zeigt, wie die Operation besser durchgeführt werden kann. Mit dem Fortschritt der Technologie wird er in der Lage sein, aktiver teilzunehmen, indem er direkt die chirurgischen Instrumente steuert.
Internet der Dinge
Vor allem wird 5G das Problem mit den zahlreichen und schlecht unterstützten Kommunikationsstandards des Internets der Dinge lösen, das derzeit unserer Meinung nach die Entwicklung dieses Bereichs einschränkt.
Hier kann 5G Folgendes bieten:
- Ad-hoc-Netzwerke (ohne Router)
- Hohe Dichte angeschlossener Geräte
- Unterstützung für schmalbandige, energieeffiziente (über 10 Jahre mit einer Batterie) Kommunikation
Es scheint jedoch, dass große Unternehmen derzeit an anderen, nicht mit dem Internet der Dinge verbundenen Szenarien interessiert sind. Eine schnelle Internetrecherche hat keine Demonstrationen der Hauptakteure zu den Vorteilen von 5G für das Internet der Dinge ergeben.
Zum Abschluss dieses Themas möchten wir auf eine interessante Möglichkeit hinweisen. Der aktuelle Bedarf an einer Steckdose oder der Austausch von Batterien schränkt die Auswahl an „Dingen“ ein. Niedrigfrequente induktive kabellose Ladetechnologie funktioniert nur über Distanzen von wenigen Zentimetern. 5G und seine gerichteten Millimeterwellen ermöglichen effizientes Laden über Entfernungen von mehreren Metern. Auch wenn die bestehenden Standards dies nicht vorsehen, sind wir überzeugt, dass Ingenieure bald Möglichkeiten finden werden, diese Chance zu nutzen!
Möglichkeiten für Entwickler
Wenn Sie an dem Thema interessiert sind, wohin sollten Sie als Nächstes gehen?
Verbindungen. Persönliche Begegnungen mit den 5G-Akteuren sind auf den kommenden russischen Konferenzen möglich 29.-30. Mai, 30.-31. Mai, 25.-27. Juni, 24. Oktober.
Von akademischen Kontakten ist hervorzuheben das im Institut für Probleme der Informationsübertragung durchgeführt wird.
Finanzierung. Schlüsselakteure veranstalten Wettbewerbe zur Nutzung von 5G in verschiedenen Bereichen. In den USA hat Verizon kürzlich Der Wettbewerb „Built on 5G Challenge“ fokussiert auf Industrie 4.0, immersive Verbraucheranwendungen (VR/AR) und bahnbrechende Ideen, die unsere Lebens- und Arbeitsweise verändern. Der Wettbewerb richtet sich an in den USA registrierte kleine Unternehmen, die Anmeldungen bis zum 15. Juli einreichen können. Der Preisfonds beträgt 1 Million Dollar. Die Gewinner werden im Oktober dieses Jahres bekannt gegeben.
BeschäftigungNeben den vier großen Mobilfunkanbietern gibt es in Russland mehrere Unternehmen, die die Nutzung von 5G in naher Zukunft planen. Das Geschäftsmodell des führenden Anbieters von Content-Delivery in Russland und der GUS, CDNVideo, basiert auf einer Zahlung pro genutztem Datenvolumen. Der Einsatz von 5G, das potenziell diese Kosten senkt, wird es dem Unternehmen ermöglichen, seine Ausgaben zu reduzieren. PlayKey, das Cloud-Gaming anbietet, plant ebenfalls die Implementierung von 5G.
Open Sourcewird anscheinend eine Schlüsselrolle in der Infrastruktur spielen. Amerikanische unterstützt 5G. Europäische vereint alle, die proprietäre Komponenten der 5G-Infrastruktur umgehen möchten. Strategische Richtungen umfassen die Unterstützung von 5G-Modems und software-definierten Systemen, heterogenen Netzwerken und dem Internet der Dinge. virtualisiert die Netzwerke für den Funkzugang (Radio Access Networks). Die Implementierung des Netzwerk-Kerns ist verfügbar von .
Autoren:
Stanislaw Polonski – Leiter der Abteilung für zukunftsorientierte Forschung und Entwicklung im Forschungszentrum von Samsung
Tatjana Wolkowa – Autorin des Ausbildungsprogramms des IoT Academy Projekts von Samsung, Expertin für Programme zur Unternehmensverantwortung im Forschungszentrum von Samsung
Quelle: habr.com
