Warum 5G nicht das bessere Wi-Fi ist
Posted: 12 Dec 2019, 14:55
Warum 5G nicht das bessere Wi-Fi ist
5G ist mit großen Marketing-Versprechungen verbunden. Doch tatsächlich wird hier mit immensem technischem und finanziellem Aufwand überwiegend das umgesetzt, was Wi-Fi bereits kann - ohne dessen Probleme zu lösen.
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Die fünfte Mobilfunkgeneration ist unter dem Kürzel 5G in aller Munde, den Marketingstrategen sei Dank. 5G soll ein Rundumschlag werden und nicht nur den Markt für mobiles Internet, sondern auch das Internet der Dinge, Cloud Computing, Car-to-Car-Kommunikation, Rundfunk und Industrieautomation revolutionieren.
Egal, ob nur ein paar Bytes am Tag aus dem Gewächshaus gefunkt oder viele Gigabyte auf sehr kurze Entfernung gestreamt werden sollen: 5G ist angeblich immer die beste Lösung. Am liebsten wäre es der Mobilfunkindustrie wohl, die Gesellschaft würde in allen Bereichen auf ihre 5G-Dienste vertrauen.
5G eignet sich nicht für alles ...
Entsprechend groß sind die mit 5G verknüpften Hoffnungen. So hat zuletzt etwa der niedersächsische Landtag das Ende der Förderung für den digitalen Rundfunkstandard DAB+ beschlossen - mit dem Argument, dass die Versorgung mit digitalem Rundfunk auch mit 5G Broadcast zu bewerkstelligen sei. Für die 5G-Betreiber tut sich damit eine zusätzliche Einnahmequelle auf. Doch die großspurigen Versprechen sind von der angekündigten Technik und dem an wirtschaftlichem Erfolg orientierten Ausbau kaum einzuhalten.
Die Strategie, Funklöcher und lahme Basisstationen in dünn besiedelten Gebieten in Kauf zu nehmen, spart zwar auf der Betreiberseite Geld. Wenn jedoch in Funklöchern Unfälle passieren und Ersthelfer niemanden erreichen können, wie Anfang November in Brandenburg geschehen, kann das drastische Folgen haben. Die Idee, wichtige Rundfunkwarnungen im Krisenfall bald nur noch über Mobilfunknetze zu verbreiten, ist angesichts der Mobilfunkversorgung abwegig. Zumal 5G-Basisstationen stromhungrig sind: Bei einem Blackout fällt das 5G-Netz nach wenigen Stunden aus. Dann wäre es ohne analogen FM-Rundfunk unmöglich, die Öffentlichkeit zu informieren.
... vor allem nicht fürs vernetzte Fahren
Ein weiteres Beispiel: Im Bereich des vernetzten Fahrens hat die Bundesregierung die EU-Pläne für den einheitlichen Einsatz des WLAN-Standards 802.11p zugunsten von 5G torpediert, obwohl die 5G-Technik für Ad-hoc-Kommunikation zwischen Endgeräten kaum geeignet ist. Schließlich wurde der Mobilfunk aufgrund seines ökonomischen Modells nicht für die unabhängige Kommunikation zwischen Endgeräten ohne Basisstationen entwickelt. Die Frage sei erlaubt: Will man sich ernsthaft gerade beim autonomen Fahren von einer flächendeckenden Versorgung mit schnellen 5G-Mobilfunk-Basisstationen abhängig machen?
Sogar für die Internetversorgung zu Hause wird mitunter der Vorschlag ins Gespräch gebracht, man könne wegen 5G vielerorts gleich auf den weiteren Ausbau von Glasfaserleitungen in der letzten Meile verzichten. Dabei liefert für stationäre Anwendungen und die Basisstationen, die für die drahtlose Verbreitung von Informationen sorgen sollen, lediglich die Glasfaser langfristig eine skalierbare Bandbreite, die mit dem Bedarf wachsen kann. In Kabelschächten und -rohren lassen sich nachträglich zusätzliche Glasfaserkabel einschießen, sofern der Raum noch nicht ausgereizt ist. Kommunen und Betreiber, die hier an Platz sparen oder auf Baumaßnahmen verzichten, weil sie sich auf die Versprechen des Mobilfunks in der Zukunft verlassen, sparen am falschen Ende.
Derartige Skalierbarkeit kann die Ressource Funkspektrum nicht leisten. Das Funkspektrum existiert nur einmal. Bei einer lokalen Übernutzung behindern sich die Anwendungen gegenseitig. Bestenfalls durch stetige Verkleinerung der Funkzellen bei gleichzeitiger Vergrößerung ihrer Anzahl lässt sich die Kapazität drahtloser Datenübertragung höher skalieren.
Walter Haas, CTO von Huawei Deutschland, hat seine Einschätzung zu 5G übrigens so zusammengefasst: "Ich will den 5G-Hype etwas entmystifizieren. Es ist etwas moderner, besser und schneller. Doch ob es das 5G-Netz wird, was sich viele erträumen, ist fraglich."
Fraglich ist das in der Tat - und zwar auf mehreren Ebenen. Da ist zunächst das Versprechen hoher Datenraten.
5G übernimmt das Wi-Fi-Konzept
5G soll unter anderem das Problem lösen, dass die Datenübertragung hierzulande oft immer noch zu langsam ist. Vor wenigen Jahren hoffte man in der Mobilfunkindustrie, dass Mobilfunk-Femtozellen die Lösung für die Kapazitätsprobleme im Mobilfunk bringen. Das sind sehr viele kleine Mobilfunkstationen, die über das leitungsgebundene Internet angebunden sind und lokal bei Firmen, Behörden und Privatanwendern eine kleinräumige, breitbandige Abdeckung mit UMTS/HSDPA und HSUPA ermöglichen sollten. Vodafone und die Telekom haben die Femtozellen-Technik 2013 eingeführt, um sie vier Jahre später wieder abzuschalten. Inzwischen setzen beide Unternehmen auf Entlastung der Mobilfunknetze über die WLAN-Accesspoints ihrer Festnetzkunden (Mobile Offloading).
Sehr viele und sehr kleine Funkzellen mit hoher Bandbreite in dicht besiedelten Gegenden zu errichten, war also bislang eher nicht die Domäne des Mobilfunks. Es ist aber seit über zwei Jahrzehnten das typische Anwendungsszenario einer anderen Technologie, nämlich der Wi-Fi-Technologie.
Wi-Fi bietet lokal sehr hohe Datenraten, aber nur eine kleine Reichweite. Der Mobilfunk hat bislang nur geringe Datenraten, aber dafür große Reichweite zur Versorgung in der Fläche zu einem hohen Preis.
Über Wi-Fi laufen bislang etwa zwei Drittel des drahtlosen Datenverkehrs, über den Mobilfunk nur ein Drittel. Das ist kein Wunder, denn mobiles Internet über Mobilfunkanbieter ist sehr teuer und üblicherweise im Volumen stark eingeschränkt.
Der Mobilfunk soll nun im Volumen aufholen und ist mit 5G im Begriff, das bei Wi-Fi übliche Konzept der sehr kleinen, schnellen Funkzellen mit breiten Übertragungskanälen immer stärker zu übernehmen - wenn auch mit sehr hohem technischen und finanziellen Aufwand.
Von den sagenhaften Datenraten bleibt nur ein Bruchteil übrig
Bis zu 400 Megahertz (MHz) Modulationsbandbreite sind für die 5G-Datenübertragung vorgesehen, auf sehr hohen Frequenzbändern (SHF = Super High Frequency) und extrem hohen Frequenzbändern (EHF = Extremely High Frequency) mit physikalisch bedingt sehr kleiner Reichweite. Die große verfügbare Bandbreite der extremen Millimeter- oder Zentimeterwellen bringt zwar Kapazität. Jedoch erfordern ihre geringen Reichweiten und quasi-optischen Eigenschaften einen massiven technischen Aufwand und sehr große effektive Strahlungsleistungen mit scharf bündelnden Antennensystemen, um auch nur einige Hundert Meter Reichweite bei akzeptablen Übertragungsraten zu erzielen.
Hier gilt wie bei Wi-Fi: Ist man mit einem Endgerät etwas weiter von der Basisstation entfernt, bleibt von den angekündigten sagenhaften Datenraten wegen der rasch abnehmenden Qualität der Übertragungsbedingungen nur ein Bruchteil übrig.
Das liegt auch daran, dass extrem kurze Wellen relativ störanfällig sind. Man kann sich das anhand von Wasserwellen vorstellen: Läuft eine kleine, kurze Welle gegen ein Schiff, bricht sie - wohingegen eine große, lange Welle sich von dem Schiff weniger stören lassen wird. Auf Funkwellen übertragen heißt das, dass hohe Frequenzbereiche mit kurzen Wellen leichter gestört werden können als niedrige mit langen Wellen. Für eine Abdeckung in der Fläche eignen sich extrem hohe Frequenzbereiche also eher nicht.
Wi-Fi ist störanfällig, kurzwelliges 5G aber auch
Die jüngst für über sechs Milliarden Euro ersteigerten 5G-Frequenzen um 3,5 GHz haben eine Wellenlänge von circa 8,5 cm. Die Übertragungseigenschaften des exklusiv von 5G genutzten Frequenzbands liegen also physikalisch zwischen dem 2,4-GHz-WLAN-Band und dem 5-GHz-WLAN-Band.
Wi-Fi verwendet aktuell in Deutschland lizenzfreie Frequenzbänder bei 2,4 GHz, 5 GHz und 60 GHz. Das entspricht Wellenlängen von 12 cm, 6 cm und 0,5 cm. Wegen der sehr kurzen Reichweite von Millimeterwellen gibt es bislang kaum WLANs, die im 60-GHz-Band arbeiten.
Obwohl 60-GHz-Wi-Fi seit Jahren existiert und bis zu 2,16 GHz breite Übertragungskanäle für Gigabit-Geschwindigkeiten bietet, wird es bislang von Endbenutzern kaum verwendet. Es ist schlicht zu teuer, der Markt für 60-GHz-Wi-Fi-Geräte ist verschwindend klein und die Reichweite beträgt bei freier Sicht bestenfalls einige Dutzend Meter. Sehr kleine Reichweite, hohe Störanfälligkeit, starke Dämpfung und ausgeprägte quasi-optische Übertragungseigenschaften machen den Betrieb viel ungünstiger als im 5-GHz-Wi-Fi-Band, das mit bis zu 160 MHz breiten Kanälen auch rasante und weit weniger störanfällige Übertragungsraten bietet und wenig kostet.
Aus dem gleichen Grund weist 5-GHz-Wi-Fi wiederum ungünstigere physikalische Übertragungseigenschaften als 2,4-GHz-Wi-Fi auf. 5-GHz-Wi-Fi reicht weniger weit als 2,4-GHz-Wi-Fi, bietet aber ein breiteres Frequenzband für breitere Kanäle und damit mehr Geschwindigkeit. Die Störreichweite von WLAN-Accesspoints ist im 5-GHz-Bereich kleiner - und da insgesamt weniger WLANs das breitere Frequenzband nutzen, funkt auch weniger dazwischen. Das ist in dicht besiedelten Gebieten von Vorteil. 2,4 GHz reicht etwas weiter, aber deswegen stören sich die vielen WLANs in den Innenstädten auch gegenseitig mehr. Abgesehen davon wird 2,4 GHz noch von vielen anderen störenden Anwendungen genutzt und es gibt insgesamt nur vier 2,4-GHz-Wi-Fi Kanäle, die sich nicht überlappen (1, 5, 9, 13).
5G hat kaum bessere Eigenschaften als 60-GHz-Wi-Fi
Der 5G-Millimeterbereich bei 28 GHz hat eine Wellenlänge, die mit knapp über einem Zentimeter nur etwa doppelt so lang wie bei 60-GHz-Wi-Fi ist. mmWave2 - in der 5G-Marketingsprache - weist daher kaum bessere Eigenschaften als 60-GHz-Wi-Fi auf.
Bereits Regen, Schnee und Nebel dämpfen oberhalb von 10 GHz stark. Regentropfen sind bei 1 cm Wellenlänge als störende Objekte nicht mehr zu vernachlässigen. Auch die Freifelddämpfung (Abschwächung der Signale über die Distanz, auch ohne störende Objekte) ist bei kürzeren Wellenlängen physikalisch bedingt größer.
Was die Reichweite und Störanfälligkeit angeht, kann Wi-Fi also durchaus mit 5G auf extrem kurzen Wellenlängen mithalten. Denn sie verwenden ähnliche Frequenzbereiche und sind somit beide für die Abdeckung einer großen Fläche eher ungeeignet. Aber wie sieht es mit den Latenzen aus? Immerhin verspricht die 5G-Werbung extrem kurze Verzögerungen.
Die 1-Millisekunde-Latenz ist ein gewagtes Versprechen
Gerade die häufig zitierte kurze Latenz von unter einer Millisekunde (ms) ist ein gewagtes Versprechen. Angeblich soll das für selbstfahrende Autos unverzichtbar sein.
Der harte Konflikt des Marketings mit der Realität fängt jedoch damit an, dass es in einem paketorientierten Netzwerk realiter keine Echtzeit gibt, sondern nur Quasi-Echtzeit. Mit mmWave-5G sind theoretisch 1 bis 4 ms Latenz dank sehr kurzer Zeitschlitze möglich, aber nur zwischen 5G-Geräten innerhalb einer Funkzelle. Warum sollten sich autonome Fahrzeuge beim Fahren gerade auf ausgewiesenen Kurzstreckenfunk im extremen Millimeterbereich verlassen?
Das selbstfahrende Auto wird auch in der Zukunft nicht mit 1 ms Latenz nach Hause telefonieren. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt zwar phantastische 300.000 Kilometer pro Sekunde, um aber einen "Ping" mit einer Round-Trip-Latenz von 1 ms zu erzielen, darf die Übertragungsstrecke allein wegen der physikalischen Laufzeit der Signale nur maximal 150 km lang sein. Dazu müssten dann aber alle anderen Verarbeitungsprozesse, Schutzintervalle, Zeitschlitze und Schnittstellen mit einer Verzögerung von Null ablaufen.
Tatsächlich wurden 2019 in einem von Verizon in Chicago betriebenen mmWave-5G-Netz Latenzen von 8 bis 12 Millisekunden gemessen. Statt 10 oder 20 Gigabit ergaben sich 80 bis 900 Mbit/s im Download, im Upload waren es ernüchternde 12 bis 57 Mbit/s. Die Round-Trip-Latenz lag entsprechend um 25 ms. Das sind Werte, die bereits die letzte Generation von LTE Pro Advanced leisten müsste.
Schlechte Übertragungseigenschaften werden teuer kompensiert
Es gibt Möglichkeiten, die Übertragungsqualität bei kurzen Wellen zu verbessern. Sie sind aber technisch anspruchsvoll und teuer. Denn dafür bräuchte es bis zu 64x64-MU-MIMO-Sende-Empfangsketten pro 5G-Antennensektor. Sämtliche dicht bewohnten Gebiete in Deutschland mit einem engmaschigen Netz von derartig aufwendigen 5G-Mobilfunkbasisstationen zu überziehen, wäre viel zu kostspielig. Dazu müssten sehr viele und teure neue Standorte gewonnen und erschlossen werden.
Selbst wenn die Endgeräte dann mit Gigabit-Geschwindigkeit per Funk an die Basisstationen angebunden wären, fehlt es in Deutschland oft an der engmaschigen und schnellen Backbone-Infrastruktur mit Glasfaser im Hintergrund, um die 5G-Basisstationen überhaupt mit den versprochenen Gigabit-Bandbreiten versorgen zu können.
Betreiber werden nicht maximal ausbauen
Wie viel Bandbreite bei den Konsumenten durch 5G am Ende ankommt und wo überhaupt, ist daher fraglich. Auch beim Aufbau von LTE-Basisstationen gibt es Ausbaustufen, die unterschiedlich viel leisten und kosten. LTE ist nicht gleich LTE, eine Basisstation kann im Downlink zwischen maximal 10 Mbit oder knapp 3.000 Mbit leisten. Warum sollten die Mobilfunk-Betreiber ihre LTE- oder 5G-Basisstationen weiter ausbauen als unbedingt nötig?
Diese ökonomische Logik wird erst recht für den Ausbau von 5G gelten. Auch für 5G gibt es verschiedene und damit unterschiedlich teure Ausbaustufen. Es ist wie bei LTE nicht davon auszugehen, dass die Betreiber ihr Geld verpulvern und aus reinem Spaß an der Freude überall 5G maximal ausbauen. Ohne den Druck der Bundesnetzagentur würde auch beim Auf- und Ausbau von LTE in Deutschland viel weniger geschehen als nötig.
Bei der Versteigerung der neuen 3,3- bis 3,6-GHz-Frequenzen hat die Bundesnetzagentur daher den Betreibern die Zusage abgenommen, zusätzlich 500 Basisstationen mit mindestens 100 Mbit/s pro Antennensektor in weißen Flecken in Betrieb zu nehmen. Dabei handelt es sich allerdings um LTE-Basisstationen, denn im Moment stehen für 5G keine Flächenfrequenzen zur Verfügung. Die für 5G vergebenen SHF- und EHF-Frequenzbänder sind denkbar ungeeignet zur Versorgung von Autobahnen, Wasserstraßen und Bundesstraßen, wie von der Bundesnetzagentur gefordert.
Allerdings wurden die Ausbau-Bedingungen von der Bundesnetzagentur weich formuliert. Die Betreiber dürfen beim Aufbau kooperieren. Es steht zu vermuten, dass es so insgesamt zu nicht wesentlich mehr als 500 zusätzlichen Stationen mit LTE kommt. Der angekündigte Aufbau mit 5G wird also sehr viel Geld kosten, wenn die angekündigten Versprechungen nur annähernd verwirklicht werden sollen.
Auch mit 5G werden Funklöcher bleiben, die versprochenen Datenraten und Latenzzeiten werden trotz großer Investitionen kaum einzuhalten sein. Warum also nicht etwas mehr Eigeninitiative beim Netzausbau übernehmen? Dafür bietet sich Wi-Fi an, egal in welcher Generation. Die Menschen täten gut daran, auf einen flächendeckenden Ausbau mit Glasfaser zu bestehen. Wo die breitbandige Versorgung für die Mobilfunkindustrie ein Verlustgeschäft bleibt, werden sie sich ohnehin weiterhin mit Wi-Fi selbst helfen müssen.
5G ist keine Revolution, Wi-Fi ist genauso gut
Im digitalen Alltag müssen LTE und die neuen kleinen, teuren 5G-Funkzellen mit der aktuell sechsten WLAN-Generation IEEE 802.11ax aka Wi-Fi 6 ökonomisch konkurrieren. Bei näherer Betrachtung und insbesondere im Vergleich mit Wi-Fi 6 fällt die angekündigte 5G-Technik-Revolution eher ernüchternd aus.
Im Marketing-Wettbewerb mit den Mobilfunkern hat die Wi-Fi-Alliance inzwischen sogar sprachlich ein wenig nachgezogen und spricht jetzt auch über Wi-Fi-Generationen statt IEEE-Zahlencodes. Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) ist bereits im Handel und bietet im Vergleich zum Vorgänger Wi-Fi 5 (IEEE 802.11ac) höhere Reichweiten, höhere Datenraten im knapp zweistelligen Gigabit-Bereich, eine effizientere Ausnutzung des elektromagnetischen Spektrums und Erweiterungen für die effektivere Anbindung von energiesparenden IoT-Geräten.
Mit exakt den gleichen Features wird auch für 5G im Vergleich zu älteren LTE-Generationen geworben. Vieles, was an 5G als umwerfende technische Neuerung gepriesen wird, ist aber bereits in den letzten Ausbaustufen von LTE enthalten. Der technologische Sprung von der LTE-Generation 4.9G auf 5G ist marginal. Davon sehen die Mobilfunk-Anwender aber nichts, solange nicht einmal die LTE-Netze entsprechend aufgerüstet werden. Genau das ist in der breiten Masse weder mit LTE noch 5G zu erwarten. Insbesondere nicht in den abgehängten Regionen auf dem Land, Stichwort: Milchkanne.
Die technischen Unterschiede sind gering
Technisch sind die Unterschiede zwischen dem aktuellen Wi-Fi 6 und 5G viel kleiner, als man vermuten könnte. Sowohl 5G als auch Wi-Fi 6 bieten auf der funktechnischen Seite Multi-User-MIMO, Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) und Quadraturamplitudenmodulation bis 1024 Symbole pro Zeichen (1024-QAM, 10 bit pro Zeichen).
Bei MIMO-Geräten werden mehrere Datenströme parallel übertragen, dazu senden oder empfangen mehrere Sendeempfänger (Transceiver) und ebenso viele Antennen desselben Geräts auf einem Funkkanal gleichzeitig. Dabei macht man sich zunutze, dass an jedem Antennenstandort potenziell etwas andere Übertragungsbedingungen herrschen (Spatial Diversity = Raumdiversität). MU-MIMO ist eine Erweiterung von MIMO, bei der mehrere Endgeräte gleichzeitig mit unterschiedlichen Datenströmen angefunkt werden. Ein 8x8-MU-MIMO-Gerät kann zum Beispiel gleichzeitig jeweils zwei Datenströme an vier 2x2-MU-MIMO-fähige Endgeräte senden.
"Massives MU-MIMO" versus 8x8
MU-MIMO gibt es im Mobilfunk, seit es neuere LTE-Generationen gibt. Mit 5G steigt die Anzahl der MU-MIMO-Streams in den Basisstation auf bis zu 64x64 in der maximalen Ausbaustufe, weshalb die 5G-Marketing-Abteilung von "massivem MU-MIMO" spricht. Wi-Fi 6 belässt es dagegen bislang bei maximal 8x8-MU-MIMO-Streams.
Die maximale Zahl der möglichen parallelen MU-MIMO-Streams bei Wi-Fi 6 und 5G auf der Seite der Basisstationen bedeutet aber nicht, dass ein einzelnes Endgerät tatsächlich zum Beispiel 64x64- oder 8x8-MU-MIMO-Datenströme empfangen kann. Viele Endgeräte sind nicht einmal mit MIMO, geschweige denn MU-MIMO ausgestattet, bessere können beispielsweise nur 2x2-MU-MIMO.
Nur für die sehr hohen oder extrem hohen Frequenzbänder mit Zentimeter- oder Millimeterwellen ist es physikalisch möglich, 4- oder sogar 8-MU-MIMO-Antennen im Gehäuse eines Tablets oder großen Smartphones unterbringen. MIMO-Antennensysteme benötigen einen Abstand von mindestens einem Drittel der Wellenlänge zwischen den einzelnen Antennen. Für das 2,4-GHz-WLAN-Band mit 12 cm Wellenlänge also 4 cm.
Bei 5G-Endgeräten ist 4x4-MU-MIMO für die SHF- und EHF-Frequenzbänder aktuell der State of the Art. Insgesamt 16 solcher 5G-Endgeräte könnten gleichzeitig jeweils 4x4 MU-MIMO-Streams von einem 5G-System mit 64x64-MU-MIMO-Antennensystem empfangen.
Die Physik beschränkt daher auch die Integration von MU-MIMO in mobilen Endgeräten für den späteren Umstieg von LTE auf 5G in den langwelligeren Mobilfunk-Bändern, die als Flächenfrequenzen zur Versorgung außerhalb der Ballungszentren dienen. Die Wellenlängen im 700- und 800-MHz-LTE-Band liegen bei 40 cm. Für ein sinnvolles MU-MIMO-Antennensetup mit Dezimeterwellen, die für die Versorgung in der Fläche unersetzlich sind, fehlt in Smartphones und Tablets schlicht der Platz.
Wi-Fi 6 und 5G versprechen gleich hohe Raten
Die Anzahl der Antennen lässt sich also in den Endgeräten nicht beliebig steigern. Auf der Seite der Basisstationen - egal ob 5G oder Wi-Fi 6 - können und dürfen es dagegen gerne sehr viele MU-MIMO-Antennen sein. Mit der Anzahl der im Raum verteilten Antennen auf der Seite der Basisstationen steigt die statistische Wahrscheinlichkeit, dass ein oder mehrere parallele Funkpfade mit gutem Signal-Rauschabstand zum Endgerät existieren. Davon haben die Nutzer wirklich einen Gewinn, sofern die Betreiber entsprechend in die Technik investieren.
Die Qualität der Funkabdeckung steigt durch Mehrfachantennensysteme auf der Seite der Basisstation, weil sich die Empfangssituation angesichts der Multi-Pfad-Ausbreitung verbessert. Dies trifft auch dann zu, wenn das Endgerät weder MU-MIMO oder MIMO kann. Dazu kommt bei 5G- und Wi-Fi-6-Systemen noch das Beamforming. Dabei werden die Antennenelemente einzeln so angesteuert, dass sie sich wie eine elektronisch ausrichtbare Richtantenne verhalten, die die Endgeräte gezielt anpeilen und anfunken kann.
Übertragungsfehler können leicht vorkommen
Diese Ausbaumaßnahmen bei den Basisstationen bringen in der Praxis von 5G und Wi-Fi 6 eben mehr als theoretische extreme Datenraten, die nur unter Idealbedingungen auf kürzeste Distanz funktionieren. Nach dem Shannon-Hartley-Gesetz muss für eine 1024-QAM-Modulation mathematisch ein Signal-Rauschverhältnis von mindestens Faktor 1023 bestehen (entsprechend 30 dB), in der praktischen technischen Implementierung noch mehr. Bereits minimale Abweichungen in der Synchronisation der Phasenlage und ein wenig Rauschvarianz verursachen Übertragungsfehler bei der Decodierung der Bits und Bytes. Passt das Signal-Rauschverhältnis nicht, bleibt kaum etwas von den angekündigten Datenraten übrig.
Bringt wenig in der Praxis, klingt aber gut
Schon bei Wi-Fi 5, dem Vorgänger von Wi-Fi 6, ist der Chiphersteller Broadcom mit der nicht standardkonformen Erweiterung der Symbolraten von 256- auf 1024-QAM vorgeprescht. Konkurrent Qualcomm bezweifelte indes den praktischen Nutzen. Nun gehört 1024-QAM bei Wi-Fi 6 und 5G zum Standard. Zwar bringt es in der Praxis tatsächlich kaum etwas. Bei der Produktwerbung sehen erhöhte theoretische Übertragungsraten aber gut aus.
Tatsächlich wird jedoch ständig auf sehr viel niedrigere und robustere Symbolraten heruntergeschaltet und man landet zum Beispiel bei 2 (4-QAM) statt 10 Bit pro Zeichen. Für einen Vierseiten-Hof im Märkischen Sand bringen solche Zahlenspiele ohnehin nichts, wenn er sich nicht in unmittelbarer Nähe der Basisstation befindet.
Ist die Basisstation mit einem ausgezeichneten MU-MIMO-System ausgestattet, verbessert das die Abdeckung und damit das Signal-Rauschverhältnis. Um Strom und Kosten zu sparen, werden aber eben nicht alle 5G-Stationen den Maximalausbau von 64x64-Streams bieten, sondern nur 32x32, 16x16 oder 8x8. Die aktuelle Situation von LTE, dass Basisstationen aus Kostengründen ohne MIMO oder nur mit 2x2-MIMO arbeiten, wird sich bei 5G absehbar wiederholen.
Die Versprechen, was 5G werden soll und was es voraussichtlich sein wird, klaffen also weit auseinander. Und nicht nur das: Im Vergleich zum Wi-Fi hat es einige Minuspunkte - vor allem was die Strahlung und die Offenheit der Netze angeht.
Worin sich 5G und Wi-Fi 6 unterscheiden
In funktechnischer Hinsicht unterscheiden sich die Konkurrenten vor allem bei den verfügbaren Frequenzbändern und den erlaubten Sendeleistungen unter Einberechnung des Antennengewinns, der äquivalenten isotropen Strahlungsleistung (EIRP). Bei Wi-Fi im 2,4-GHz-Band sind nur bis zu 0,1 Watt effektive Sendeleistung erlaubt. Die 5G-Basisstation Ericsson AIR 5121 arbeitet mit bis zu 40 Watt effektiver Sendeleistung pro Richtstrahl. 5G-Netze haben außerdem das Privileg, exklusive und ungestörte Wellenbereiche nutzen zu können, die nicht mit anderen Funkanwendungen geteilt werden müssen.
Diese Unterschiede sind in erster Linie regulatorischer Natur. Wesentlich für den Mobilfunk ist jedoch vor allem das automatische Handover zwischen den Basisstationen und die automatische Authentifizierung per SIM. Wi-Fi-Hotspots sind dagegen in der Regel nur für einen kleinen Benutzerkreis offen, ohne automatische Authentifizierung. Nur in Ausnahmefällen gibt es automatisches Handover oder automatische Authentifizierung bei professionell organisierten WLAN-Netzwerken. Das WLAN-Angebot ist daher aktuell kleinräumig und auf einen kleinen Nutzerkreis zugeschnitten.
Es gibt auch einige offene, vermaschte Wi-Fi-Hotspots der Freifunk-Bewegung mit automatischem Handover, wie sie manche Freifunk-Communitys anbieten. Da das Freifunk-Netz offen für alle ist, ist eine Authentifizierung nicht nötig, doch die WLAN-Abdeckung der Freifunk-Hotspots ist in der Regel auf wenige Hotspots mit kleinräumiger Abdeckung beschränkt, also stark fleckig, mit vielen Funklöchern.
Hat man das WLAN-Endgerät jedoch einmal für die WLAN-Hotspots der jeweiligen Freifunk-Community konfiguriert, kann es sich automatisch überall da einbuchen, wo es Freifunk gibt. Und es bleibt durch automatisches Handover nahtlos verbunden, solange es die Abdeckung zulässt. Dafür sorgen in den betreffenden Freifunk-Netzen angepasste Routing-Protokolle.
Die heute mit 5G konkurrierende Masse von vielen kleinen, preiswerten WLAN-Funkzellen wäre bei entsprechender Koordination für Ballungszentren ökonomisch effizient und mit den wenigen, zwar relativ reichweitenstarken, aber dafür teuren Mobilfunkzellen als direkter Konkurrent kaum zu schlagen.
Vermaschtes Wi-Fi als 5G-Konkurrenz
Sie könnten zum Beispiel nach dem Prinzip der vermaschten Freifunk-Hotspots mit automatischem Handover und mit größerem ökonomischem Aufwand vernetzt werden. Allerdings taugt WLAN wegen der ungeeigneten Frequenzbereiche und niedrigeren Sendeleistung nicht für die Versorgung in der Fläche, wie es LTE kann. Diesen Vorteil hat aber der Mobilfunk mit 5G in SHF- und EHF-Bändern auch nicht.
Es wird einige Zeit dauern, bis die heutigen LTE-Bänder für den 5G-Betrieb umgenutzt werden. Zudem ist fraglich, wie Antennensysteme mit zum Beispiel 64x64-Antennen in diesen langwelligeren Frequenzbändern technisch umgesetzt werden könnten. Längst gäbe es die technische Möglichkeit, alle älteren LTE-Basen auf LTE Advanced Pro mit 8x8 MIMO aufzurüsten. In Deutschland gibt es jedoch noch heute Mobilfunk-Basisstationen, die nur mit GSM (1G) arbeiten.
Teilt eure WLANs!
Entscheidend ist, was unter dem Strich ankommt. Am meisten profitieren die Nutzer von dem Trend zu Systemen mit immer mehr Antennen und MU-MIMO-Streams, selbst wenn ihre Geräte gar nicht so viele parallele Streams empfangen können. Dieser Trend existiert für Mobilfunk und WLANs gleichermaßen. Die Übertragungseigenschaften von sehr kurzen Wellenlängen bewirken eine fleckige Abdeckung. Weiße Flecken und Flecken mit Empfang wechseln sich bei SHF- und EHF-Frequenzen ab. Hier bringt der massive Ausbau von Antennensystemen einen Fortschritt - wenn er denn durchgeführt wird.
Für die Funklöcher auf dem Land ist also auf absehbare Zeit durch 5G wenig bis gar nichts zu erwarten. Erst wenn auf den langwelligeren 700- und 800-MHz-LTE-Bändern 5G-Systeme oder - realistischer - LTE-Systeme mit massiven Mehrfachantennen-Systemen Einzug halten, kann es hier zu einem Fortschritt kommen. Die Erhöhung der Symbolraten auf theoretische 1024-QAM bringt ohne Empfangsverbesserungen in der Fläche nichts.
Spektrum-Auktionen machen den Mobilfunk teuer
Gerade in Deutschland sind Datentarife für Mobilfunk im internationalen Vergleich sehr beschränkt und teuer. Eine Mitschuld daran tragen die hohen Investitionen in Spektrum-Lizenzen. Natürlich erwarten Investoren eine rasche Amortisation ihrer Ausgaben. So verteuern die Auktionen die mobile Internetnutzung. Für die insgesamt 6,55 Milliarden Euro, die bei der letzten 3,5-GHz-Frequenz-Auktion der Bundesnetzagentur ausgehandelt wurden, könnten Endverbraucher 16,4 Millionen voll ausgestattete 6G-WLAN-Access Points kaufen, ohne einen Mengenrabatt zu verhandeln.
Fast überall außerhalb Deutschlands ist es üblich, das eigene WLAN zu teilen. Das WLAN öfter zu teilen oder sogar per Funkmesh untereinander zu vernetzen, ist das Bestreben von Community-Netzwerk-Initiativen wie der Freifunk-Bewegung.
Das Alleinstellungsmerkmal des Mobilfunks dürfte die Versorgung mit relativ begrenzten Datenraten und vergleichsweise teurem Datenvolumen in der Fläche bleiben, allen anderslautenden bisherigen Ankündigungen zum Trotz. Gäbe es mehr öffentlich zugängliche WLANs und hätte die Bevölkerung weniger Bedenken, ihre WLANs untereinander zu vernetzen und freizügiger zu teilen, träfe der Hype um 5G möglicherweise auf eine kritischere Öffentlichkeit.
Bei jeder Einführung eines neuen Mobilfunk-Standards wurden hohe Erwartungen geschürt, aber der Abgleich mit den Zahlen der Breitbandmessungen zeigt, dass es noch reichlich Raum für Verbesserungen gibt. So verfügten nur 1,5 Prozent der Mobilfunk-Nutzer 2017/2018 über die vertraglich zugesicherte mobile Bandbreite. 50 Prozent der Nutzer konnten mindestens 16,1 Prozent der versprochenen Bandbreite nutzen und 80 Prozent bekamen mindestens 3,3 Prozent der zugesicherten Bandbreite.
Ein eigenes Netz in Bürgerhand
Es ist absehbar, dass sich durch die Einführung von 5G keine Zeitenwende in der digitalen Versorgung ereignet. Die Politik täte gut daran, der Bevölkerung auch dabei zu helfen, sich selbst zu helfen.
Dafür gäbe es durchaus Spielraum: Mehr lizenzfreies Spektrum für WLAN freizugeben, wäre zum Beispiel ein großer Gewinn für die ganze Gesellschaft. Mit zusätzlichen Flächenfrequenzen für WLAN unterhalb von 1 GHz könnten Bürger und Freifunker in Funklöchern zur Selbsthilfe greifen, anstatt weiterhin auf den lokalen Aufbau des Mobilfunks durch den Markt zu hoffen, der sich aus Sicht der Anbieter gar nicht auszahlt.
Die Digitale Dividende, die jetzt an die Mobilfunk-Unternehmen lizenziert wird, hat die Bevölkerung durch die Abschaffung des analogen Fernsehens und den Neukauf von DVB-T-Geräten schließlich mitfinanziert.
Überall schnelles Internet per Glasfaser, das die Bevölkerung über ein vermaschtes WLAN teilt, dazu gut ausgebauten Mobilfunk in der Fläche ohne nennenswerte Funklöcher, der gern auch etwas kosten darf - das wäre doch etwas.
5G ist mit großen Marketing-Versprechungen verbunden. Doch tatsächlich wird hier mit immensem technischem und finanziellem Aufwand überwiegend das umgesetzt, was Wi-Fi bereits kann - ohne dessen Probleme zu lösen.
Quelle
Die fünfte Mobilfunkgeneration ist unter dem Kürzel 5G in aller Munde, den Marketingstrategen sei Dank. 5G soll ein Rundumschlag werden und nicht nur den Markt für mobiles Internet, sondern auch das Internet der Dinge, Cloud Computing, Car-to-Car-Kommunikation, Rundfunk und Industrieautomation revolutionieren.
Egal, ob nur ein paar Bytes am Tag aus dem Gewächshaus gefunkt oder viele Gigabyte auf sehr kurze Entfernung gestreamt werden sollen: 5G ist angeblich immer die beste Lösung. Am liebsten wäre es der Mobilfunkindustrie wohl, die Gesellschaft würde in allen Bereichen auf ihre 5G-Dienste vertrauen.
5G eignet sich nicht für alles ...
Entsprechend groß sind die mit 5G verknüpften Hoffnungen. So hat zuletzt etwa der niedersächsische Landtag das Ende der Förderung für den digitalen Rundfunkstandard DAB+ beschlossen - mit dem Argument, dass die Versorgung mit digitalem Rundfunk auch mit 5G Broadcast zu bewerkstelligen sei. Für die 5G-Betreiber tut sich damit eine zusätzliche Einnahmequelle auf. Doch die großspurigen Versprechen sind von der angekündigten Technik und dem an wirtschaftlichem Erfolg orientierten Ausbau kaum einzuhalten.
Die Strategie, Funklöcher und lahme Basisstationen in dünn besiedelten Gebieten in Kauf zu nehmen, spart zwar auf der Betreiberseite Geld. Wenn jedoch in Funklöchern Unfälle passieren und Ersthelfer niemanden erreichen können, wie Anfang November in Brandenburg geschehen, kann das drastische Folgen haben. Die Idee, wichtige Rundfunkwarnungen im Krisenfall bald nur noch über Mobilfunknetze zu verbreiten, ist angesichts der Mobilfunkversorgung abwegig. Zumal 5G-Basisstationen stromhungrig sind: Bei einem Blackout fällt das 5G-Netz nach wenigen Stunden aus. Dann wäre es ohne analogen FM-Rundfunk unmöglich, die Öffentlichkeit zu informieren.
... vor allem nicht fürs vernetzte Fahren
Ein weiteres Beispiel: Im Bereich des vernetzten Fahrens hat die Bundesregierung die EU-Pläne für den einheitlichen Einsatz des WLAN-Standards 802.11p zugunsten von 5G torpediert, obwohl die 5G-Technik für Ad-hoc-Kommunikation zwischen Endgeräten kaum geeignet ist. Schließlich wurde der Mobilfunk aufgrund seines ökonomischen Modells nicht für die unabhängige Kommunikation zwischen Endgeräten ohne Basisstationen entwickelt. Die Frage sei erlaubt: Will man sich ernsthaft gerade beim autonomen Fahren von einer flächendeckenden Versorgung mit schnellen 5G-Mobilfunk-Basisstationen abhängig machen?
Sogar für die Internetversorgung zu Hause wird mitunter der Vorschlag ins Gespräch gebracht, man könne wegen 5G vielerorts gleich auf den weiteren Ausbau von Glasfaserleitungen in der letzten Meile verzichten. Dabei liefert für stationäre Anwendungen und die Basisstationen, die für die drahtlose Verbreitung von Informationen sorgen sollen, lediglich die Glasfaser langfristig eine skalierbare Bandbreite, die mit dem Bedarf wachsen kann. In Kabelschächten und -rohren lassen sich nachträglich zusätzliche Glasfaserkabel einschießen, sofern der Raum noch nicht ausgereizt ist. Kommunen und Betreiber, die hier an Platz sparen oder auf Baumaßnahmen verzichten, weil sie sich auf die Versprechen des Mobilfunks in der Zukunft verlassen, sparen am falschen Ende.
Derartige Skalierbarkeit kann die Ressource Funkspektrum nicht leisten. Das Funkspektrum existiert nur einmal. Bei einer lokalen Übernutzung behindern sich die Anwendungen gegenseitig. Bestenfalls durch stetige Verkleinerung der Funkzellen bei gleichzeitiger Vergrößerung ihrer Anzahl lässt sich die Kapazität drahtloser Datenübertragung höher skalieren.
Walter Haas, CTO von Huawei Deutschland, hat seine Einschätzung zu 5G übrigens so zusammengefasst: "Ich will den 5G-Hype etwas entmystifizieren. Es ist etwas moderner, besser und schneller. Doch ob es das 5G-Netz wird, was sich viele erträumen, ist fraglich."
Fraglich ist das in der Tat - und zwar auf mehreren Ebenen. Da ist zunächst das Versprechen hoher Datenraten.
5G übernimmt das Wi-Fi-Konzept
5G soll unter anderem das Problem lösen, dass die Datenübertragung hierzulande oft immer noch zu langsam ist. Vor wenigen Jahren hoffte man in der Mobilfunkindustrie, dass Mobilfunk-Femtozellen die Lösung für die Kapazitätsprobleme im Mobilfunk bringen. Das sind sehr viele kleine Mobilfunkstationen, die über das leitungsgebundene Internet angebunden sind und lokal bei Firmen, Behörden und Privatanwendern eine kleinräumige, breitbandige Abdeckung mit UMTS/HSDPA und HSUPA ermöglichen sollten. Vodafone und die Telekom haben die Femtozellen-Technik 2013 eingeführt, um sie vier Jahre später wieder abzuschalten. Inzwischen setzen beide Unternehmen auf Entlastung der Mobilfunknetze über die WLAN-Accesspoints ihrer Festnetzkunden (Mobile Offloading).
Sehr viele und sehr kleine Funkzellen mit hoher Bandbreite in dicht besiedelten Gegenden zu errichten, war also bislang eher nicht die Domäne des Mobilfunks. Es ist aber seit über zwei Jahrzehnten das typische Anwendungsszenario einer anderen Technologie, nämlich der Wi-Fi-Technologie.
Wi-Fi bietet lokal sehr hohe Datenraten, aber nur eine kleine Reichweite. Der Mobilfunk hat bislang nur geringe Datenraten, aber dafür große Reichweite zur Versorgung in der Fläche zu einem hohen Preis.
Über Wi-Fi laufen bislang etwa zwei Drittel des drahtlosen Datenverkehrs, über den Mobilfunk nur ein Drittel. Das ist kein Wunder, denn mobiles Internet über Mobilfunkanbieter ist sehr teuer und üblicherweise im Volumen stark eingeschränkt.
Der Mobilfunk soll nun im Volumen aufholen und ist mit 5G im Begriff, das bei Wi-Fi übliche Konzept der sehr kleinen, schnellen Funkzellen mit breiten Übertragungskanälen immer stärker zu übernehmen - wenn auch mit sehr hohem technischen und finanziellen Aufwand.
Von den sagenhaften Datenraten bleibt nur ein Bruchteil übrig
Bis zu 400 Megahertz (MHz) Modulationsbandbreite sind für die 5G-Datenübertragung vorgesehen, auf sehr hohen Frequenzbändern (SHF = Super High Frequency) und extrem hohen Frequenzbändern (EHF = Extremely High Frequency) mit physikalisch bedingt sehr kleiner Reichweite. Die große verfügbare Bandbreite der extremen Millimeter- oder Zentimeterwellen bringt zwar Kapazität. Jedoch erfordern ihre geringen Reichweiten und quasi-optischen Eigenschaften einen massiven technischen Aufwand und sehr große effektive Strahlungsleistungen mit scharf bündelnden Antennensystemen, um auch nur einige Hundert Meter Reichweite bei akzeptablen Übertragungsraten zu erzielen.
Hier gilt wie bei Wi-Fi: Ist man mit einem Endgerät etwas weiter von der Basisstation entfernt, bleibt von den angekündigten sagenhaften Datenraten wegen der rasch abnehmenden Qualität der Übertragungsbedingungen nur ein Bruchteil übrig.
Das liegt auch daran, dass extrem kurze Wellen relativ störanfällig sind. Man kann sich das anhand von Wasserwellen vorstellen: Läuft eine kleine, kurze Welle gegen ein Schiff, bricht sie - wohingegen eine große, lange Welle sich von dem Schiff weniger stören lassen wird. Auf Funkwellen übertragen heißt das, dass hohe Frequenzbereiche mit kurzen Wellen leichter gestört werden können als niedrige mit langen Wellen. Für eine Abdeckung in der Fläche eignen sich extrem hohe Frequenzbereiche also eher nicht.
Wi-Fi ist störanfällig, kurzwelliges 5G aber auch
Die jüngst für über sechs Milliarden Euro ersteigerten 5G-Frequenzen um 3,5 GHz haben eine Wellenlänge von circa 8,5 cm. Die Übertragungseigenschaften des exklusiv von 5G genutzten Frequenzbands liegen also physikalisch zwischen dem 2,4-GHz-WLAN-Band und dem 5-GHz-WLAN-Band.
Wi-Fi verwendet aktuell in Deutschland lizenzfreie Frequenzbänder bei 2,4 GHz, 5 GHz und 60 GHz. Das entspricht Wellenlängen von 12 cm, 6 cm und 0,5 cm. Wegen der sehr kurzen Reichweite von Millimeterwellen gibt es bislang kaum WLANs, die im 60-GHz-Band arbeiten.
Obwohl 60-GHz-Wi-Fi seit Jahren existiert und bis zu 2,16 GHz breite Übertragungskanäle für Gigabit-Geschwindigkeiten bietet, wird es bislang von Endbenutzern kaum verwendet. Es ist schlicht zu teuer, der Markt für 60-GHz-Wi-Fi-Geräte ist verschwindend klein und die Reichweite beträgt bei freier Sicht bestenfalls einige Dutzend Meter. Sehr kleine Reichweite, hohe Störanfälligkeit, starke Dämpfung und ausgeprägte quasi-optische Übertragungseigenschaften machen den Betrieb viel ungünstiger als im 5-GHz-Wi-Fi-Band, das mit bis zu 160 MHz breiten Kanälen auch rasante und weit weniger störanfällige Übertragungsraten bietet und wenig kostet.
Aus dem gleichen Grund weist 5-GHz-Wi-Fi wiederum ungünstigere physikalische Übertragungseigenschaften als 2,4-GHz-Wi-Fi auf. 5-GHz-Wi-Fi reicht weniger weit als 2,4-GHz-Wi-Fi, bietet aber ein breiteres Frequenzband für breitere Kanäle und damit mehr Geschwindigkeit. Die Störreichweite von WLAN-Accesspoints ist im 5-GHz-Bereich kleiner - und da insgesamt weniger WLANs das breitere Frequenzband nutzen, funkt auch weniger dazwischen. Das ist in dicht besiedelten Gebieten von Vorteil. 2,4 GHz reicht etwas weiter, aber deswegen stören sich die vielen WLANs in den Innenstädten auch gegenseitig mehr. Abgesehen davon wird 2,4 GHz noch von vielen anderen störenden Anwendungen genutzt und es gibt insgesamt nur vier 2,4-GHz-Wi-Fi Kanäle, die sich nicht überlappen (1, 5, 9, 13).
5G hat kaum bessere Eigenschaften als 60-GHz-Wi-Fi
Der 5G-Millimeterbereich bei 28 GHz hat eine Wellenlänge, die mit knapp über einem Zentimeter nur etwa doppelt so lang wie bei 60-GHz-Wi-Fi ist. mmWave2 - in der 5G-Marketingsprache - weist daher kaum bessere Eigenschaften als 60-GHz-Wi-Fi auf.
Bereits Regen, Schnee und Nebel dämpfen oberhalb von 10 GHz stark. Regentropfen sind bei 1 cm Wellenlänge als störende Objekte nicht mehr zu vernachlässigen. Auch die Freifelddämpfung (Abschwächung der Signale über die Distanz, auch ohne störende Objekte) ist bei kürzeren Wellenlängen physikalisch bedingt größer.
Was die Reichweite und Störanfälligkeit angeht, kann Wi-Fi also durchaus mit 5G auf extrem kurzen Wellenlängen mithalten. Denn sie verwenden ähnliche Frequenzbereiche und sind somit beide für die Abdeckung einer großen Fläche eher ungeeignet. Aber wie sieht es mit den Latenzen aus? Immerhin verspricht die 5G-Werbung extrem kurze Verzögerungen.
Die 1-Millisekunde-Latenz ist ein gewagtes Versprechen
Gerade die häufig zitierte kurze Latenz von unter einer Millisekunde (ms) ist ein gewagtes Versprechen. Angeblich soll das für selbstfahrende Autos unverzichtbar sein.
Der harte Konflikt des Marketings mit der Realität fängt jedoch damit an, dass es in einem paketorientierten Netzwerk realiter keine Echtzeit gibt, sondern nur Quasi-Echtzeit. Mit mmWave-5G sind theoretisch 1 bis 4 ms Latenz dank sehr kurzer Zeitschlitze möglich, aber nur zwischen 5G-Geräten innerhalb einer Funkzelle. Warum sollten sich autonome Fahrzeuge beim Fahren gerade auf ausgewiesenen Kurzstreckenfunk im extremen Millimeterbereich verlassen?
Das selbstfahrende Auto wird auch in der Zukunft nicht mit 1 ms Latenz nach Hause telefonieren. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt zwar phantastische 300.000 Kilometer pro Sekunde, um aber einen "Ping" mit einer Round-Trip-Latenz von 1 ms zu erzielen, darf die Übertragungsstrecke allein wegen der physikalischen Laufzeit der Signale nur maximal 150 km lang sein. Dazu müssten dann aber alle anderen Verarbeitungsprozesse, Schutzintervalle, Zeitschlitze und Schnittstellen mit einer Verzögerung von Null ablaufen.
Tatsächlich wurden 2019 in einem von Verizon in Chicago betriebenen mmWave-5G-Netz Latenzen von 8 bis 12 Millisekunden gemessen. Statt 10 oder 20 Gigabit ergaben sich 80 bis 900 Mbit/s im Download, im Upload waren es ernüchternde 12 bis 57 Mbit/s. Die Round-Trip-Latenz lag entsprechend um 25 ms. Das sind Werte, die bereits die letzte Generation von LTE Pro Advanced leisten müsste.
Schlechte Übertragungseigenschaften werden teuer kompensiert
Es gibt Möglichkeiten, die Übertragungsqualität bei kurzen Wellen zu verbessern. Sie sind aber technisch anspruchsvoll und teuer. Denn dafür bräuchte es bis zu 64x64-MU-MIMO-Sende-Empfangsketten pro 5G-Antennensektor. Sämtliche dicht bewohnten Gebiete in Deutschland mit einem engmaschigen Netz von derartig aufwendigen 5G-Mobilfunkbasisstationen zu überziehen, wäre viel zu kostspielig. Dazu müssten sehr viele und teure neue Standorte gewonnen und erschlossen werden.
Selbst wenn die Endgeräte dann mit Gigabit-Geschwindigkeit per Funk an die Basisstationen angebunden wären, fehlt es in Deutschland oft an der engmaschigen und schnellen Backbone-Infrastruktur mit Glasfaser im Hintergrund, um die 5G-Basisstationen überhaupt mit den versprochenen Gigabit-Bandbreiten versorgen zu können.
Betreiber werden nicht maximal ausbauen
Wie viel Bandbreite bei den Konsumenten durch 5G am Ende ankommt und wo überhaupt, ist daher fraglich. Auch beim Aufbau von LTE-Basisstationen gibt es Ausbaustufen, die unterschiedlich viel leisten und kosten. LTE ist nicht gleich LTE, eine Basisstation kann im Downlink zwischen maximal 10 Mbit oder knapp 3.000 Mbit leisten. Warum sollten die Mobilfunk-Betreiber ihre LTE- oder 5G-Basisstationen weiter ausbauen als unbedingt nötig?
Diese ökonomische Logik wird erst recht für den Ausbau von 5G gelten. Auch für 5G gibt es verschiedene und damit unterschiedlich teure Ausbaustufen. Es ist wie bei LTE nicht davon auszugehen, dass die Betreiber ihr Geld verpulvern und aus reinem Spaß an der Freude überall 5G maximal ausbauen. Ohne den Druck der Bundesnetzagentur würde auch beim Auf- und Ausbau von LTE in Deutschland viel weniger geschehen als nötig.
Bei der Versteigerung der neuen 3,3- bis 3,6-GHz-Frequenzen hat die Bundesnetzagentur daher den Betreibern die Zusage abgenommen, zusätzlich 500 Basisstationen mit mindestens 100 Mbit/s pro Antennensektor in weißen Flecken in Betrieb zu nehmen. Dabei handelt es sich allerdings um LTE-Basisstationen, denn im Moment stehen für 5G keine Flächenfrequenzen zur Verfügung. Die für 5G vergebenen SHF- und EHF-Frequenzbänder sind denkbar ungeeignet zur Versorgung von Autobahnen, Wasserstraßen und Bundesstraßen, wie von der Bundesnetzagentur gefordert.
Allerdings wurden die Ausbau-Bedingungen von der Bundesnetzagentur weich formuliert. Die Betreiber dürfen beim Aufbau kooperieren. Es steht zu vermuten, dass es so insgesamt zu nicht wesentlich mehr als 500 zusätzlichen Stationen mit LTE kommt. Der angekündigte Aufbau mit 5G wird also sehr viel Geld kosten, wenn die angekündigten Versprechungen nur annähernd verwirklicht werden sollen.
Auch mit 5G werden Funklöcher bleiben, die versprochenen Datenraten und Latenzzeiten werden trotz großer Investitionen kaum einzuhalten sein. Warum also nicht etwas mehr Eigeninitiative beim Netzausbau übernehmen? Dafür bietet sich Wi-Fi an, egal in welcher Generation. Die Menschen täten gut daran, auf einen flächendeckenden Ausbau mit Glasfaser zu bestehen. Wo die breitbandige Versorgung für die Mobilfunkindustrie ein Verlustgeschäft bleibt, werden sie sich ohnehin weiterhin mit Wi-Fi selbst helfen müssen.
5G ist keine Revolution, Wi-Fi ist genauso gut
Im digitalen Alltag müssen LTE und die neuen kleinen, teuren 5G-Funkzellen mit der aktuell sechsten WLAN-Generation IEEE 802.11ax aka Wi-Fi 6 ökonomisch konkurrieren. Bei näherer Betrachtung und insbesondere im Vergleich mit Wi-Fi 6 fällt die angekündigte 5G-Technik-Revolution eher ernüchternd aus.
Im Marketing-Wettbewerb mit den Mobilfunkern hat die Wi-Fi-Alliance inzwischen sogar sprachlich ein wenig nachgezogen und spricht jetzt auch über Wi-Fi-Generationen statt IEEE-Zahlencodes. Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) ist bereits im Handel und bietet im Vergleich zum Vorgänger Wi-Fi 5 (IEEE 802.11ac) höhere Reichweiten, höhere Datenraten im knapp zweistelligen Gigabit-Bereich, eine effizientere Ausnutzung des elektromagnetischen Spektrums und Erweiterungen für die effektivere Anbindung von energiesparenden IoT-Geräten.
Mit exakt den gleichen Features wird auch für 5G im Vergleich zu älteren LTE-Generationen geworben. Vieles, was an 5G als umwerfende technische Neuerung gepriesen wird, ist aber bereits in den letzten Ausbaustufen von LTE enthalten. Der technologische Sprung von der LTE-Generation 4.9G auf 5G ist marginal. Davon sehen die Mobilfunk-Anwender aber nichts, solange nicht einmal die LTE-Netze entsprechend aufgerüstet werden. Genau das ist in der breiten Masse weder mit LTE noch 5G zu erwarten. Insbesondere nicht in den abgehängten Regionen auf dem Land, Stichwort: Milchkanne.
Die technischen Unterschiede sind gering
Technisch sind die Unterschiede zwischen dem aktuellen Wi-Fi 6 und 5G viel kleiner, als man vermuten könnte. Sowohl 5G als auch Wi-Fi 6 bieten auf der funktechnischen Seite Multi-User-MIMO, Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) und Quadraturamplitudenmodulation bis 1024 Symbole pro Zeichen (1024-QAM, 10 bit pro Zeichen).
Bei MIMO-Geräten werden mehrere Datenströme parallel übertragen, dazu senden oder empfangen mehrere Sendeempfänger (Transceiver) und ebenso viele Antennen desselben Geräts auf einem Funkkanal gleichzeitig. Dabei macht man sich zunutze, dass an jedem Antennenstandort potenziell etwas andere Übertragungsbedingungen herrschen (Spatial Diversity = Raumdiversität). MU-MIMO ist eine Erweiterung von MIMO, bei der mehrere Endgeräte gleichzeitig mit unterschiedlichen Datenströmen angefunkt werden. Ein 8x8-MU-MIMO-Gerät kann zum Beispiel gleichzeitig jeweils zwei Datenströme an vier 2x2-MU-MIMO-fähige Endgeräte senden.
"Massives MU-MIMO" versus 8x8
MU-MIMO gibt es im Mobilfunk, seit es neuere LTE-Generationen gibt. Mit 5G steigt die Anzahl der MU-MIMO-Streams in den Basisstation auf bis zu 64x64 in der maximalen Ausbaustufe, weshalb die 5G-Marketing-Abteilung von "massivem MU-MIMO" spricht. Wi-Fi 6 belässt es dagegen bislang bei maximal 8x8-MU-MIMO-Streams.
Die maximale Zahl der möglichen parallelen MU-MIMO-Streams bei Wi-Fi 6 und 5G auf der Seite der Basisstationen bedeutet aber nicht, dass ein einzelnes Endgerät tatsächlich zum Beispiel 64x64- oder 8x8-MU-MIMO-Datenströme empfangen kann. Viele Endgeräte sind nicht einmal mit MIMO, geschweige denn MU-MIMO ausgestattet, bessere können beispielsweise nur 2x2-MU-MIMO.
Nur für die sehr hohen oder extrem hohen Frequenzbänder mit Zentimeter- oder Millimeterwellen ist es physikalisch möglich, 4- oder sogar 8-MU-MIMO-Antennen im Gehäuse eines Tablets oder großen Smartphones unterbringen. MIMO-Antennensysteme benötigen einen Abstand von mindestens einem Drittel der Wellenlänge zwischen den einzelnen Antennen. Für das 2,4-GHz-WLAN-Band mit 12 cm Wellenlänge also 4 cm.
Bei 5G-Endgeräten ist 4x4-MU-MIMO für die SHF- und EHF-Frequenzbänder aktuell der State of the Art. Insgesamt 16 solcher 5G-Endgeräte könnten gleichzeitig jeweils 4x4 MU-MIMO-Streams von einem 5G-System mit 64x64-MU-MIMO-Antennensystem empfangen.
Die Physik beschränkt daher auch die Integration von MU-MIMO in mobilen Endgeräten für den späteren Umstieg von LTE auf 5G in den langwelligeren Mobilfunk-Bändern, die als Flächenfrequenzen zur Versorgung außerhalb der Ballungszentren dienen. Die Wellenlängen im 700- und 800-MHz-LTE-Band liegen bei 40 cm. Für ein sinnvolles MU-MIMO-Antennensetup mit Dezimeterwellen, die für die Versorgung in der Fläche unersetzlich sind, fehlt in Smartphones und Tablets schlicht der Platz.
Wi-Fi 6 und 5G versprechen gleich hohe Raten
Die Anzahl der Antennen lässt sich also in den Endgeräten nicht beliebig steigern. Auf der Seite der Basisstationen - egal ob 5G oder Wi-Fi 6 - können und dürfen es dagegen gerne sehr viele MU-MIMO-Antennen sein. Mit der Anzahl der im Raum verteilten Antennen auf der Seite der Basisstationen steigt die statistische Wahrscheinlichkeit, dass ein oder mehrere parallele Funkpfade mit gutem Signal-Rauschabstand zum Endgerät existieren. Davon haben die Nutzer wirklich einen Gewinn, sofern die Betreiber entsprechend in die Technik investieren.
Die Qualität der Funkabdeckung steigt durch Mehrfachantennensysteme auf der Seite der Basisstation, weil sich die Empfangssituation angesichts der Multi-Pfad-Ausbreitung verbessert. Dies trifft auch dann zu, wenn das Endgerät weder MU-MIMO oder MIMO kann. Dazu kommt bei 5G- und Wi-Fi-6-Systemen noch das Beamforming. Dabei werden die Antennenelemente einzeln so angesteuert, dass sie sich wie eine elektronisch ausrichtbare Richtantenne verhalten, die die Endgeräte gezielt anpeilen und anfunken kann.
Übertragungsfehler können leicht vorkommen
Diese Ausbaumaßnahmen bei den Basisstationen bringen in der Praxis von 5G und Wi-Fi 6 eben mehr als theoretische extreme Datenraten, die nur unter Idealbedingungen auf kürzeste Distanz funktionieren. Nach dem Shannon-Hartley-Gesetz muss für eine 1024-QAM-Modulation mathematisch ein Signal-Rauschverhältnis von mindestens Faktor 1023 bestehen (entsprechend 30 dB), in der praktischen technischen Implementierung noch mehr. Bereits minimale Abweichungen in der Synchronisation der Phasenlage und ein wenig Rauschvarianz verursachen Übertragungsfehler bei der Decodierung der Bits und Bytes. Passt das Signal-Rauschverhältnis nicht, bleibt kaum etwas von den angekündigten Datenraten übrig.
Bringt wenig in der Praxis, klingt aber gut
Schon bei Wi-Fi 5, dem Vorgänger von Wi-Fi 6, ist der Chiphersteller Broadcom mit der nicht standardkonformen Erweiterung der Symbolraten von 256- auf 1024-QAM vorgeprescht. Konkurrent Qualcomm bezweifelte indes den praktischen Nutzen. Nun gehört 1024-QAM bei Wi-Fi 6 und 5G zum Standard. Zwar bringt es in der Praxis tatsächlich kaum etwas. Bei der Produktwerbung sehen erhöhte theoretische Übertragungsraten aber gut aus.
Tatsächlich wird jedoch ständig auf sehr viel niedrigere und robustere Symbolraten heruntergeschaltet und man landet zum Beispiel bei 2 (4-QAM) statt 10 Bit pro Zeichen. Für einen Vierseiten-Hof im Märkischen Sand bringen solche Zahlenspiele ohnehin nichts, wenn er sich nicht in unmittelbarer Nähe der Basisstation befindet.
Ist die Basisstation mit einem ausgezeichneten MU-MIMO-System ausgestattet, verbessert das die Abdeckung und damit das Signal-Rauschverhältnis. Um Strom und Kosten zu sparen, werden aber eben nicht alle 5G-Stationen den Maximalausbau von 64x64-Streams bieten, sondern nur 32x32, 16x16 oder 8x8. Die aktuelle Situation von LTE, dass Basisstationen aus Kostengründen ohne MIMO oder nur mit 2x2-MIMO arbeiten, wird sich bei 5G absehbar wiederholen.
Die Versprechen, was 5G werden soll und was es voraussichtlich sein wird, klaffen also weit auseinander. Und nicht nur das: Im Vergleich zum Wi-Fi hat es einige Minuspunkte - vor allem was die Strahlung und die Offenheit der Netze angeht.
Worin sich 5G und Wi-Fi 6 unterscheiden
In funktechnischer Hinsicht unterscheiden sich die Konkurrenten vor allem bei den verfügbaren Frequenzbändern und den erlaubten Sendeleistungen unter Einberechnung des Antennengewinns, der äquivalenten isotropen Strahlungsleistung (EIRP). Bei Wi-Fi im 2,4-GHz-Band sind nur bis zu 0,1 Watt effektive Sendeleistung erlaubt. Die 5G-Basisstation Ericsson AIR 5121 arbeitet mit bis zu 40 Watt effektiver Sendeleistung pro Richtstrahl. 5G-Netze haben außerdem das Privileg, exklusive und ungestörte Wellenbereiche nutzen zu können, die nicht mit anderen Funkanwendungen geteilt werden müssen.
Diese Unterschiede sind in erster Linie regulatorischer Natur. Wesentlich für den Mobilfunk ist jedoch vor allem das automatische Handover zwischen den Basisstationen und die automatische Authentifizierung per SIM. Wi-Fi-Hotspots sind dagegen in der Regel nur für einen kleinen Benutzerkreis offen, ohne automatische Authentifizierung. Nur in Ausnahmefällen gibt es automatisches Handover oder automatische Authentifizierung bei professionell organisierten WLAN-Netzwerken. Das WLAN-Angebot ist daher aktuell kleinräumig und auf einen kleinen Nutzerkreis zugeschnitten.
Es gibt auch einige offene, vermaschte Wi-Fi-Hotspots der Freifunk-Bewegung mit automatischem Handover, wie sie manche Freifunk-Communitys anbieten. Da das Freifunk-Netz offen für alle ist, ist eine Authentifizierung nicht nötig, doch die WLAN-Abdeckung der Freifunk-Hotspots ist in der Regel auf wenige Hotspots mit kleinräumiger Abdeckung beschränkt, also stark fleckig, mit vielen Funklöchern.
Hat man das WLAN-Endgerät jedoch einmal für die WLAN-Hotspots der jeweiligen Freifunk-Community konfiguriert, kann es sich automatisch überall da einbuchen, wo es Freifunk gibt. Und es bleibt durch automatisches Handover nahtlos verbunden, solange es die Abdeckung zulässt. Dafür sorgen in den betreffenden Freifunk-Netzen angepasste Routing-Protokolle.
Die heute mit 5G konkurrierende Masse von vielen kleinen, preiswerten WLAN-Funkzellen wäre bei entsprechender Koordination für Ballungszentren ökonomisch effizient und mit den wenigen, zwar relativ reichweitenstarken, aber dafür teuren Mobilfunkzellen als direkter Konkurrent kaum zu schlagen.
Vermaschtes Wi-Fi als 5G-Konkurrenz
Sie könnten zum Beispiel nach dem Prinzip der vermaschten Freifunk-Hotspots mit automatischem Handover und mit größerem ökonomischem Aufwand vernetzt werden. Allerdings taugt WLAN wegen der ungeeigneten Frequenzbereiche und niedrigeren Sendeleistung nicht für die Versorgung in der Fläche, wie es LTE kann. Diesen Vorteil hat aber der Mobilfunk mit 5G in SHF- und EHF-Bändern auch nicht.
Es wird einige Zeit dauern, bis die heutigen LTE-Bänder für den 5G-Betrieb umgenutzt werden. Zudem ist fraglich, wie Antennensysteme mit zum Beispiel 64x64-Antennen in diesen langwelligeren Frequenzbändern technisch umgesetzt werden könnten. Längst gäbe es die technische Möglichkeit, alle älteren LTE-Basen auf LTE Advanced Pro mit 8x8 MIMO aufzurüsten. In Deutschland gibt es jedoch noch heute Mobilfunk-Basisstationen, die nur mit GSM (1G) arbeiten.
Teilt eure WLANs!
Entscheidend ist, was unter dem Strich ankommt. Am meisten profitieren die Nutzer von dem Trend zu Systemen mit immer mehr Antennen und MU-MIMO-Streams, selbst wenn ihre Geräte gar nicht so viele parallele Streams empfangen können. Dieser Trend existiert für Mobilfunk und WLANs gleichermaßen. Die Übertragungseigenschaften von sehr kurzen Wellenlängen bewirken eine fleckige Abdeckung. Weiße Flecken und Flecken mit Empfang wechseln sich bei SHF- und EHF-Frequenzen ab. Hier bringt der massive Ausbau von Antennensystemen einen Fortschritt - wenn er denn durchgeführt wird.
Für die Funklöcher auf dem Land ist also auf absehbare Zeit durch 5G wenig bis gar nichts zu erwarten. Erst wenn auf den langwelligeren 700- und 800-MHz-LTE-Bändern 5G-Systeme oder - realistischer - LTE-Systeme mit massiven Mehrfachantennen-Systemen Einzug halten, kann es hier zu einem Fortschritt kommen. Die Erhöhung der Symbolraten auf theoretische 1024-QAM bringt ohne Empfangsverbesserungen in der Fläche nichts.
Spektrum-Auktionen machen den Mobilfunk teuer
Gerade in Deutschland sind Datentarife für Mobilfunk im internationalen Vergleich sehr beschränkt und teuer. Eine Mitschuld daran tragen die hohen Investitionen in Spektrum-Lizenzen. Natürlich erwarten Investoren eine rasche Amortisation ihrer Ausgaben. So verteuern die Auktionen die mobile Internetnutzung. Für die insgesamt 6,55 Milliarden Euro, die bei der letzten 3,5-GHz-Frequenz-Auktion der Bundesnetzagentur ausgehandelt wurden, könnten Endverbraucher 16,4 Millionen voll ausgestattete 6G-WLAN-Access Points kaufen, ohne einen Mengenrabatt zu verhandeln.
Fast überall außerhalb Deutschlands ist es üblich, das eigene WLAN zu teilen. Das WLAN öfter zu teilen oder sogar per Funkmesh untereinander zu vernetzen, ist das Bestreben von Community-Netzwerk-Initiativen wie der Freifunk-Bewegung.
Das Alleinstellungsmerkmal des Mobilfunks dürfte die Versorgung mit relativ begrenzten Datenraten und vergleichsweise teurem Datenvolumen in der Fläche bleiben, allen anderslautenden bisherigen Ankündigungen zum Trotz. Gäbe es mehr öffentlich zugängliche WLANs und hätte die Bevölkerung weniger Bedenken, ihre WLANs untereinander zu vernetzen und freizügiger zu teilen, träfe der Hype um 5G möglicherweise auf eine kritischere Öffentlichkeit.
Bei jeder Einführung eines neuen Mobilfunk-Standards wurden hohe Erwartungen geschürt, aber der Abgleich mit den Zahlen der Breitbandmessungen zeigt, dass es noch reichlich Raum für Verbesserungen gibt. So verfügten nur 1,5 Prozent der Mobilfunk-Nutzer 2017/2018 über die vertraglich zugesicherte mobile Bandbreite. 50 Prozent der Nutzer konnten mindestens 16,1 Prozent der versprochenen Bandbreite nutzen und 80 Prozent bekamen mindestens 3,3 Prozent der zugesicherten Bandbreite.
Ein eigenes Netz in Bürgerhand
Es ist absehbar, dass sich durch die Einführung von 5G keine Zeitenwende in der digitalen Versorgung ereignet. Die Politik täte gut daran, der Bevölkerung auch dabei zu helfen, sich selbst zu helfen.
Dafür gäbe es durchaus Spielraum: Mehr lizenzfreies Spektrum für WLAN freizugeben, wäre zum Beispiel ein großer Gewinn für die ganze Gesellschaft. Mit zusätzlichen Flächenfrequenzen für WLAN unterhalb von 1 GHz könnten Bürger und Freifunker in Funklöchern zur Selbsthilfe greifen, anstatt weiterhin auf den lokalen Aufbau des Mobilfunks durch den Markt zu hoffen, der sich aus Sicht der Anbieter gar nicht auszahlt.
Die Digitale Dividende, die jetzt an die Mobilfunk-Unternehmen lizenziert wird, hat die Bevölkerung durch die Abschaffung des analogen Fernsehens und den Neukauf von DVB-T-Geräten schließlich mitfinanziert.
Überall schnelles Internet per Glasfaser, das die Bevölkerung über ein vermaschtes WLAN teilt, dazu gut ausgebauten Mobilfunk in der Fläche ohne nennenswerte Funklöcher, der gern auch etwas kosten darf - das wäre doch etwas.