Die fünfte Generation des Mobilfunks klopft an
Telefonieren war gestern, Datenübertragung heute. In Zukunft sollen sich Maschinen selbstständig über Mobilfunknetze austauschen. Wiener Wissenschaftler testen die neuen Netzarchitekturen in einem CD-Labor.
Ein Unfall ist passiert. Das Unfallauto schlägt Alarm, die nachkommenden Pkw leiten sofort eine Vollbremsung ein und vermeiden so größeren Schaden. Außerdem geht die Information sofort an alle Fahrzeuge in der Umgebung, sie empfehlen ihren Fahrern eine Ausweichroute. Noch bevor Menschen miteinander sprechen, wenden die Maschinen einen Stau ab.
Ein Szenario, das in der fünften Generation des Mobilfunks, kurz 5G, stattfinden könnte. „Dabei geht es immer weniger um Telefonieren und immer mehr um die Kommunikation zwischen Maschinen, also das Internet der Dinge“, sagt Stefan Schwarz vom Institut für Telekommunikation der TU Wien. Dort hat die Zukunft des neuen Mobilfunks längst begonnen. Denn im von ihm geleiteten Christian-Doppler-(CD) Labor für „Zuverlässige drahtlose Konnektivität für eine Gesellschaft in Bewegung“arbeiten Forscher gemeinsam mit Industriepartnern wie Nokia und Kathrein sowie dem Netzbetreiber A1 an neuen Kommunikationslösungen.
Störungsfrei telefonieren
Der Knackpunkt: Alle und alles – Menschen wie Maschinen – sind künftig noch mobiler als schon bisher. Jeder, der im Zug telefonieren will, merkt aber schon heute, dass es Probleme gibt, wenn man in Bewegung ist: Die Netze sind darauf nicht ausgelegt, ein Gespräch muss ständig von einer Mobilfunkantenne zur nächsten weitergegeben werden. Die Folge sind lästige Hacker im Gespräch oder Ausfälle. Störungen, die man künftig beheben will – das ist auch für die Sicherheit unerlässlich, wenn etwa Autos miteinander kommunizieren.
Dabei hat sich die Branche in den vergangenen vier Jahrzehnten rasant entwickelt. „Die erste Generation des Mobilfunks funktionierte noch analog und kannte keine Da- tenübertragung“, sagt Schwarz. Wer in den 1980er-Jahren ein Autotelefon besaß, galt fast als Pionier. Den Durchbruch erlebten die Handys mit der zweiten Generation: dem GSM-Netz der 1990er-Jahre. In kurzer Zeit hatte jeder sein eigenes Telefon, mit dem auch Kurznachrichten verschickt werden konnten.
Neue Standards im Mobilfunk und der Datenübertragung setzte schließlich die dritte Generation: Gab es zuvor technisch noch Insellösungen, trat UMTS nun seinen Siegeszug um die Welt an. Um mittlerweile nach und nach von den schnelleren LTE-Handys der vierten Generation abgelöst zu werden.
Die fünfte Generation will nun immer mehr Endgeräte – also nicht mehr nur Smartphones – miteinander verbinden. „Im Internet der Dinge sind viel mehr Geräte, auch im Haushalt, miteinander vernetzt“, erklärt Schwarz. Zwar würden die Endgeräte jeweils nur eine geringe Datenmenge brauchen. Insgesamt werde die Zahl sogenannter Devices aber von einigen Milliarden heute auf Hunderte Milliarden steigen. Dadurch nimmt die benötigte Datenmenge weiter zu. Und vielleicht seien auch bald die Zeiten, in denen man mit dem Handy im Kaffeehaus sitzt und ein Video ansieht, vorbei. „Es wird kaum mehr statische Szenarien, sondern viel mehr Bewegung im Netz geben“, sagt Schwarz. Weil eben auch die Nutzer mit hoher Geschwindigkeit durch das Netz rauschen: Autos etwa tauschen Informationen während der Fahrt in Echtzeit, also live aus.
Neue Netzarchitektur
Die technischen Grundpfeiler für die sogenannte fünfte Generation kennt man bereits: Die Struktur des Netzes soll erstens dichter werden. Statt großer Basisstationen soll es künftig viele kleine Zellen geben, in denen Nutzer das Netz ständig flexibel wechseln. Ähnlich wie ein WLAN-Hotspot könnten sie sich dezent ins Straßenbild einfügen, etwa an Hauswänden oder Stra- ßenlaternen angebracht sein. In der Schweiz würden Antennen bereits unter der Erde senden und empfangen: etwa in Kabelschächten unter Gehsteigen und Straßen, schildert Schwarz.
Wo notwendig, sollen zweitens große, ausgeklügelt angeordnete Antennensysteme die heutige Vielzahl kleiner Antennen ersetzen. Sie sollen die Energie gezielt in eine Richtung lenken können: etwa dass ein einzelnes Fahrzeug die Signalstärke bekommt, die es braucht. Drittens soll die Bandbreite und damit die Netzkapazität um das hundert- bis tausendfache erhöht werden. Weil Frequenzbereiche um zwei Gigahertz bereits überfüllt sind, muss man dazu auf Frequenzen zwischen 30 und 300 Gigahertz ausweichen. Diese sind allerdings empfindlicher auf Bewegungen.
Antenne rotiert im Labor
Im neuen CD-Labor testet man, wie das künftig in der Praxis funktionieren kann. „Die Technologien sind ja schon da, aber noch teuer“, sagt Schwarz. Um den Einfluss der Geschwindigkeit auf die Signalübertragung zu testen, rotiert im Labor eine Empfängerantenne mit bis zu 500 km/h. Eine neue Netzarchitektur soll die Teilnehmer künftig automatisch koordinieren. Die nächstgelegene Antenne zu wählen, muss dabei nicht immer die beste Option sein: Das System könnte sich auch an eine weniger belastete wenden oder mit mehreren Basisstationen gleichzeitig Daten tauschen, erklärt Schwarz. Am Computer lassen sich Szenarien beliebig testen, ohne das Netz zu gefährden.
Entspricht das Labor in den Evaluierungen nach zwei und fünf Jahren den strengen wissenschaftlichen Kriterien, soll es bis 2023 laufen. Ein Wettlauf mit den Anforderungen des Marktes, denn die fünfte Generation des Mobilfunks soll schon ab 2020 starten. Bis sie sich auf dem Markt durchsetzt, werde es aber ohnehin vier bis fünf Jahre dauern, schätzt Schwarz.