Internet of Things

Neue Anwendungen mit 5G

Beim Thema 5G gehen die Meinungen auseinander. Die einen halten es für überflüssig, die anderen für unverzichtbar. Dank der weiter entwickelten Eigenschaften leistet 5G deutlich mehr als seine Vorgänger. Dies ermöglicht eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten, etwa in der Landwirtschaft.

Herr und Frau Schweizer wurden von den hiesigen Netzbetreibern jahrzehntelang verwöhnt und haben praktisch überall Empfang. Gemessen an Netzqualität und -abdeckung erhalten sie einen hoch stehenden Service zu durchaus vernünftigen Preisen, auch im europäischen Vergleich.

Ob dies immer so bleibt, ist fraglich. Denn die Datenvolumina auf unseren Mobilfunknetzen verdoppeln sich etwa alle 12 – 16 Monate, besonders wegen dem beliebten Streaming. 2G/GSM und 3G/UMTS sind dafür völlig ungeeignet, in der Kanalnutzung ineffizient und emittieren wesentlich mehr Strahlung als moderne Mobilfunkgenerationen wie 4G/LTE oder 5G. Und 4G verzeichnet seit vielen Jahren einen dramatischen Mehrverkehr und läuft am Limit. Doch wie ist es dazu gekommen?

Ausgangssituation

Im Jahr 2008 wurde das erste iPhone in der Schweiz eingeführt. Niemand ahnte damals, wie viele unterschiedliche Anwendungen und Dienste heute damit möglich sind. Heute gehen deren Möglichkeiten dank hoch integrierter Schaltungen weit über die damals erahnten Grenzen hinaus. Die Endgeräte wurden kompakter, leichter und trotzdem leistungsfähiger. Heutige Smartphones vereinen eine Prozessorleistung, wie sie noch vor 20 Jahren ein Grossrechner hatte. Nun stellt sich die Frage, wie man diese mobilen Endgeräte mit deren Riesenpotenzial vernetzt.

Das erste digitale Mobilfunknetz war 2G/GSM, das auf Ende 2020 abgeschaltet wurde. Auch dessen Nachfolger 3G/UMTS war noch auf Sprachkommunikation optimiert und bot zunächst nur 384 Kbit/s zum Datenaustausch. Erst Jahre später wurde es auf bis zu 84 Mbit/s erweitert, wobei die Schweiz trotz strenger Strahlenschutzgesetze mit nur 1/10 der im Übrigen Europa zugelassenen Sendeleistungen eine Führungsrolle bei Abdeckung und Geschwindigkeit einnahm. Die tiefen Sendeleistungen haben zur Folge, dass viel mehr Sender gebaut werden müssen als bei starken Sendern. Dies ist nicht nur kostentreibend, sondern provoziert Widerstand.

Mobilfunknetze sind ein zentraler Teil der Digitalisierung der Schweiz. Denn digital ablaufende Prozesse können ohne leistungsfähige Mobilfunknetze nicht funktionieren. Diese gehören zur öffentlichen Infrastruktur, werden aber im Gegensatz zu Strassen oder Bahnlinien durch private Firmen erstellt. In der Schweiz sind dies Swisscom, Sunrise und Salt (bis 2015 Orange).

Gut ausgebaute Schweizer Netze

Viele Beispiele beweisen, dass unsere drei Anbieter weit vorne mitmischen. Sie liefern sich seit über 15 Jahren im jährlichen Connect-Netztest einen Wettkampf, der unter hohem Aufwand mit objektiven und kundennahen Testverfahren Netzbetreiber in der Schweiz, in Österreich und in Deutschland unter die Lupe nimmt. Im Dezember 2020 setzte sich Swisscom zum dritten Mal in Folge mit 960 Punkten und wiederholt mit der Note «überragend» an die Spitze, gefolgt von Sunrise und Salt (955 und 926 Punkte).

Die Telefonie- und Datenmessungen wurden per Fahrtests in Gross- und Kleinstädten sowie auf Verbindungsstrassen durchgeführt. Hinzu kamen Lauftests in Zonen mit ausgeprägtem Publikumsverkehr wie Bahnhofshallen, Flughafenterminals, Cafés, Museen und öffentliche Verkehrsmittel. Fahrten auf den Fernverkehrstrecken der Bahn ergänzten die intensiven Tests, im Datenbereich mit 177 Mio. Einzelmesswerten von über 33 000 Mobilfunknutzern.

Die Fahrtests führten durch 17 Gross- und 36 Kleinstädte, die Walktests durch acht Städte. Insgesamt umfassten die Messungen in der Schweiz ca. 6720 km2 und deckten rund 2,3 Millionen Einwohner ab, was etwa 27,5 Prozent der schweizerischen Bevölkerung entspricht. Wo vorhanden, wurde erstmals auch 5G in den Messungen erfasst, wo Sunrise mit Swisscom gleichzog. Bei 5G steht Salt noch am Anfang, lieferte in seinen ersten 5G-Zellen aber bereits Top-Werte. 5G spielt in der Datendisziplin bereits eine wichtige Rolle – abhängig vom jeweils vorhandenen Ausbaustand.

Was uns 5G bringt

Die Schweiz ist dank Innovation, hochstehendem Bildungsniveau und visionären Infrastrukturprojekten erfolgreich. Moderne 5G-Netze sind Teil dieser Erfolgsstory und stellen die Datenautobahnen bereit, welche zur Bewältigung des steigenden Datenverkehrs nötig sind. Die Datenübertragung auf 5G läuft im Vergleich zu UMTS/3G bis zu 100-mal und zu 4G/LTE etwa 10-mal schneller ab. Die Latenz wurde auf 1/50 verringert und beträgt unter 10 ms, was eine verzögerungsfreie Kommunikation in Echtzeit ermöglicht – dies bei hoher Flexibilität ohne lästige Kabel.

Durch die wesentlich effizientere Ausnutzung der Frequenzen kann ein 5G-Sender bedeutend mehr Endgeräte gleichzeitig versorgen als jede Generationen zuvor. Dies ist insbesondere für vernetzte Anwendungen wie das Internet der Dinge (IoT) von grosser Bedeutung, wo eine hohe Anzahl intelligenter Sensoren und sogenannter «Smart Devices» zum Einsatz kommen. 5G ermöglicht unzählige neue Anwendungen in Gemeinden und Städten (Smart Cities), im Gesundheitswesen (Smart Health) sowie in der Landwirtschaft (Smart Farming).

5G hinter den Kulissen

Neben der Bündelung von Funkkanälen (Carrier Aggregation, kurz CA) wurde auch die Nutzung von MIMO (Multiple Input, Multiple Output) als funktechnische Grundlage für 5G bereits bei LTE/4G gelegt. Bei MIMO handelt es sich um eine Mehrantennentechnik mit räumlich separierten Datenströmen. Während bei 4G/LTE und auch bei WLANs bis zu vier Antennen in der Basisstation und im Endgerät vorgesehen sind, nutzt 5G bis zu 32 Antennen im Sender sowie entsprechend winzige Antennen im Endgerät. Dabei nutzt der Raummultiplex («Spatial Multiplexing») die räumlich statistischen Eigenschaften eines Funkkanals mehrfach aus und verteilt den Datenstrom gleichmässig auf N Sendeantennen, sodass jede Antenne nur die 1/N-fache Datenrate abstrahlen muss, was auch die Energieeffizienz von 5G erklärt. 5G passt sich während der Übertragung zudem flexibel an die wechselnden Eigenschaften des Kanals an.

Alle Schichten des Kommunikationssystems inklusive der komplexen Sende- und Empfangssysteme für Mehrantennensysteme müssen unter Echtzeitbedingungen einwandfrei laufen. Die dazu erforderliche hohe Rechenleistung bedingt dabei grosse Akkuleistungen im Endgerät. Aus den verschiedenen Empfangssignalen wird über komplizierte Algorithmen ein optimiertes Summensignal ermittelt. Im Idealfall erreicht man damit einen besseren Datendurchsatz, da die Sende- und Empfangswege nicht den gleichen Störungen unterliegen. Signalverluste und Interferenzen werden wirkungsvoller vermieden oder korrigiert. Beim sogenannten Network Slicing werden 5G-Funkkanäle exklusiv für priorisierte Anwender wie Rettungsdienste reserviert, was Notfallsituationen entschärfen kann. Rettungssanitäter können so schon am Einsatzort Intensivmediziner via 5G-Live-Video-Übertragung zuschalten und Leben retten.

Das bei Strahlenschützern umstrittene Beamforming bietet eine flexible Abstrahlcharakteristik der 5G-Sender. Es nutzt lediglich das Funkspektrum sehr effizient, da es weit entfernten 5G-Nutzern einen schmalen, aber längeren Funkstrahl bereitstellt, während nahe 5G-Nutzer einen breiteren mit mehr Bandbreite erhalten.

Diese Nutzern können Menschen, aber auch lebensnotwendige Maschinen oder Messwerterfasser wie Felssturz- oder Lawinenmelder sein. Aber auch 5G-Nutzer in Rand- oder Bergregionen werden dank Beamforming deutlich besser erreicht. Bisher waren dazu langsame, teure, und anfällige Kupferfreileitungen oder verzögerungsempfindliche Satellitenanbindungen notwendig. In der nächsten Ausgabe von ET Elektrotechnik erfahren Sie mehr zu den Echtzeitanwendungen, 5G in der Produktion, Lokale 5G Cloud und potenzielle Gefahren, 5G in der Landwirtschaft und zu den Schritten zu 5G.                                               

Ein über GPS gesteuerter Roboter (links) entfernt die lästigen Blacken auf dem Feld (Mitte) mechanisch. Eine genaue Ortung und Spritzung über eine lokale 5G Cloud soll in naher Zukunft möglich sein, eventuell auch das Abspritzen mit heissem Wasser statt Chemie.

Neue Anwendungen dank 5G – ob gewöhnliche Benutzer, Rettungsdienste, Roboter oder Maschinen in der Landwirtschaft.

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