5G nimmt erste Formen an

Aufmacherbild: (C) Kārlis Dambrāns via Flickr, CCBY 2.0

Auf dem Mobile World Congress, der in diesem Jahr vom 27. Februar bis zum 2. März und wie schon in den Vorjahren in Barcelona stattfindet, wird es wieder jede Menge neuer Smartphones und Tablets zu sehen geben. Zukunftsweisender als höherauflösende Displays und Kameras, mehr Speicher oder stärkere Prozessoren, sind aber die Themen, mit denen die Netzausrüster auf der Fachmesse auftreten: Zwar sind die Spezifikationen für 5G noch gar nicht verabschiedet – doch die Netztechnik-Spezialisten wie Nokia/Alcatel, Ericsson und Huawei präsentieren in Barcelona bereits, dass sie für die nächste Mobilfunk-Generation gerüstet sind.

Wie die Intelligente Welt schon berichtet hat, sind die Ziele von 5G ambitioniert: Die Datenraten der nächsten Mobilfunkgeneration soll im Bereich von Gigabit/Sekunde liegen. Um das „Internet der Dinge“ voranzubringen, soll 5G Milliarden von Endgeräten versorgen. Gerade für die Versorgung von Sensoren und Aktoren soll die Funktechnik so energieeffizient arbeiten, dass eine installierte Batterie ein solches Gerät über mehrere Jahre betriebsbereit halten wird. Und für die geplanten Steuer- und Regelprozesse von autonomen Autos bis Telemedizin soll die Reaktionszeit des Netzes, die sogenannte Latenz auf nur noch eine Millisekunde gesenkt werden. In den heutigen LTE-Netzen liegt dieser Wert noch bei rund 50 ms.

Network Slicing – so bringt 5G widersprüchliche Anforderungen unter einem Hut

Ein wichtiges Konzept, um all dies unter einen Hut zu bringen, ist das sogenannte Network Slicing. Es trägt der Tatsache Rechnung, dass die skizzierten Anforderungen in sich widersprüchlich sind. Hohe Datenraten vertragen sich nicht mit energiesparender Funktechnik, kurze Latenzen stehen in Konkurrenz zu breiter Abdeckung. Die Lösung des Dilemmas liegt darin, dass nicht für alle Anwendungen alle genannten Eigenschaften gleichzeitig verfügbar sein müssen. Das künftige 5G-Netz soll deshalb verschiedene Nutzungsprofile unterstützen. Verschiedene „Schichten“ oder „Scheiben“ (engl. slices) des Datenstroms arbeiten dann mit unterschiedlichen Parametern. Möglich wird dies durch „Software-defined Networks“ (SDN) und durch die Virtualisierung von Netzfunktionen – der sogenannten „Network Functions Virtualisation“ (NFV). Durch das Zusammenspiel von SDN und NFV kann das Netz entscheiden, dass bestimmte Datenpakete etwa mit minimaler Latenz und andere mit maximaler Datenrate transportiert werden.

Die geplanten Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an 5G – mit „Network Slicing" wird das Netz auch widersprüchlichen Zielsetzungen gerecht.
Die geplanten Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an 5G – mit „Network Slicing“ wird das Netz auch widersprüchlichen Zielsetzungen gerecht.

Gerade für die extrem knappen Latenzzeiten sind noch weitere Konzepte nötig. Denn selbst beim schnellen Datentransport über Glasfaserkabel legt das Licht in einer Faser innerhalb der geforderten Millisekunde nur rund 200 Kilometer zurück. Dabei sind die Rechenzeiten für den SDN-basierten Datentransport noch gar nicht einmal berücksichtigt. Um die geforderte Millisekunde Reaktionszeit zu erreichen, muss die Verarbeitung der Daten deshalb sehr nah an die Endgeräte heranrücken – und somit aus der Sicht des Netzes an den Rand. Das ist die Idee hinter „Mobile Edge Computing“ – jede 5G-Basisstation enthält einen Cloud-Server, der die Daten beschafft, speichert und verarbeitet, die von den hier angemeldeten Client-Geräten gerade benötigt werden.

Das Konzept hinter „Mobile Edge Computing": Daten und Algorithmen rücken so nah wie möglich an die Endgeräte heran
Das Konzept hinter „Mobile Edge Computing“: Daten und Algorithmen rücken so nah wie möglich an die Endgeräte heran

Clevere Algorithmen spielen bei 5G die Hauptrolle

Dies erfordert nicht nur clevere Technik, sondern auch innovative Algorithmen – die zum Beispiel vorhersehen können, wie Daten oder Informationen eine bestimmte Anwendung als nächstes benötigen wird, um diese schon im Vorfeld aus anderen Cloud-Quellen in die Mobile Edge Cloud zu holen. Die konkreten Strategien ergeben sich aus den jeweiligen Anwendungen: Zur Verkehrssteuerung lässt sich der voraussichtliche Streckenverlauf vernetzter Fahrzeuge recht gut bestimmen. Für Landwirtschaft 4.0 sind beispielsweise ultrapräzise, kurzfristige Wettervorhersagen nützlich. Für viele klassische IT-Anwendungen lässt sich mit statistischen Methoden recht gut hochrechnen, welche Daten eine Anwendung mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit als nächstes benötigen wird.

Ähnliches gilt auch für das Thema Sicherheit. Nicht umsonst warnen Sicherheitsexperten, dass etwa Verkehrs- und Energie-Steuerungen ein attraktives Ziel für digitale Erpresser, Saboteure und Spione sind. Doch für traditionelle Schutzkonzepte wie Deep Packet Inspection oder Virenscans fehlt bei Anwendungen mit wenigen Millisekunden Latenz schlicht die Zeit. Auch hier können Statistik und Wahrscheinlichkeitstheorie Lösungsansätze bieten: Beim „Probabilistic Model Checking“ bewertet ein Algorithmus, wie wahrscheinlich eine boshafte Veränderung eines Datenpakets ist. Übersteigt diese Einschätzung einen bestimmten Schwellenwert, wird das betroffene Paket intensiveren Untersuchungen unterzogen.

Alle diese Bausteine sind in Barcelona bereits zu besichtigen. Und so sind die Voraussetzungen sehr gut, dass das zuständige Gremium 3GPP bis zum kommenden Jahr den offiziellen 5G-Standard verabschieden kann. Damit liegt das neue Netz im Zeitplan – sodass wir 2020 eventuell die ersten kommerziellen Anwendungen sehen werden.

 

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