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Decoded: Wie funktioniert 5G?

Die fünfte Mobilfunkgeneration macht drahtloses Internet schneller als je zuvor. Mehr noch: Sie verändert das digitale Leben nachhaltig, wie das Video zeigt.
Wie 5G funktioniert, zeigt diese Folge der Video-Serie »Decoded«.

Du hast sicherlich schon von der fünften Mobilfunkgeneration gehört. 5G ist der neue Standard für mobiles Internet. Mobile Telefondienste gibt es seit den 1940er Jahren in den USA. Damals ging Telefonieren nur mit 36 Kilogramm schweren Autotelefonen. Bloß wenige Menschen konnten damit gleichzeitig telefonieren, weil für Telefonate lediglich ein kleiner Radiofrequenzbereich vorgesehen war.

In den folgenden Jahrzehnten plante die Telefongesellschaft AT&T ein Mobilfunknetz für die gesamten USA. Sie baute ein Netz aus »Zellen« mit je einem Sendeempfänger, dem Transceiver: einem Mobilfunkturm, der die Funkwellen von Mobiltelefonen empfing und an eine Telefonzentrale weiterleitete – später an einen elektronischen Schalter. Über analoge Leitungen wurde der Anruf dann an den richtigen Empfänger durchgestellt. Umgekehrt gingen die Signale auf demselben Weg zurück an den Anrufenden mit Handy. Weiter voneinander entfernte Zellen konnten so dieselben Frequenzen nutzen.

Im Jahr 1972 entwickelte der Elektroingenieur Amos Joel Jr. einen Prozess namens Handover, mit dem sich Ort und Zelle während eines Telefonats wechseln ließen. Im Jahr 1983 brachte der Motorola-Entwickler Marty Cooper das erste Mobiltelefon auf den Markt: das DynaTAC. Und nach Auflösung der Telefongesellschaft Bell System entwickelte die Firma Ameritech das erste 1G-Netz der USA.

© Spektrum der Wissenschaft/Scientific American
Wie 5G das digitale Leben verbessert
5G-Mobilfunknetze übertragen mehr als ein Gigabyte Daten pro Sekunde. Websuchen dauern dann noch halb so lange wie bisher und Onlinespiele laufen schneller. Wie 5G funktioniert, erklärt das Video.

Der Ansatz blieb auch in nachfolgenden Generationen gleich. Mit 2G wurden Funksysteme vollständig digital und Textnachrichten möglich. 3G-Handys konnten erstmals auf das Internet zugreifen, 4G beschleunigte das Surfen im Netz. Nun ist 5G der Standard. Neue Technologien verbinden die Nutzerinnen und Nutzer noch schneller als bisher mit dem Internet.

5G-Mobilfunknetze übertragen mehr als ein Gigabyte Daten pro Sekunde – im Gegensatz zu 4G-Netzen, die meist weniger als 50 Megabyte pro Sekunde schaffen. Und das in der halben Latenzzeit. Das bedeutet, dass Websuchen nur noch halb so lange dauern. Und deine Onlinespiele nicht mehr so stark hinterherhinken. 5G soll irgendwann auch Sensoren mit dem Internet verbinden, die etwa in Traktoren oder medizinischen Geräten stecken. Daraus entsteht das »Internet der Dinge«.

5G schont den Akku

5G funktioniert in dicht bewohnten Gebieten besser, weil es Daten in einem größeren Frequenzbereich überträgt. Dafür nutzt der neue Standard erstmals superschnelle Millimeterwellen. Ihre Frequenz ist deutlich höher als die der 4G-Funkwellen. Schnellere Wellen beschleunigen die Datenübertragung extrem. Außerdem schont 5G deinen Akku: Mit Hilfe der »adaptiven Bandbreite« erhöht dein Smartphone automatisch seine Internetgeschwindigkeit, wenn du viel Datenvolumen brauchst. Und es spart Strom, wenn du zum Beispiel E-Mails liest.

Was genau ist ein Virus? Wie lernen Maschinen? Und was passiert in einem Schwarzen Loch? In der Videoserie »Decoded« von »Scientific American« und »Spektrum der Wissenschaft« entschlüsseln wir grundlegende Fragen aus Forschung und Wissenschaft.

See the English-language version at »Scientific American«.

5G verändert die Infrastruktur des Netzwerks: Statt Mobilfunkmasten wird ein kleinzelliges Netz geschaffen, das aus Sendeempfängern von der Größe eines Pizzakartons besteht. Solche Transceiver werden an Straßenlaternen und Gebäuden montiert. Oder sie erzeugen in Haushalten ein privates Netzwerk. Da 5G schneller ist als dein WLAN zu Hause, wird es irgendwann vielleicht deine einzige Internetverbindung sein. Mit Hilfe einer weiteren Neuerung, dem Sidelinking, können 5G-Geräte ohne Transceiver miteinander kommunizieren. So ließen sich selbstfahrende Fahrzeuge besser aufeinander abstimmen.

Millimeterwellen liefern die schnellsten 5G-Signale, können aber nur kurze Strecken zurücklegen. Um sie der breiten Bevölkerung zugänglich zu machen, muss die Infrastruktur angepasst werden. 5G ersetzt 4G nicht, es baut darauf auf. 4G-Smartphones funktionieren also noch eine Weile. Selbst 3G-Handys laufen – allerdings nur noch bis Ende 2022. Dann brauchen beispielsweise 17 Prozent aller Menschen in den USA ein neues Gerät.

5G mit niedriger Bandbreite wird bereits eingesetzt. Diese Signale reichen weit, sind aber nicht schneller als 4G. 5G mit mittleren Bandbreiten ist zwar schneller als 4G, aber noch keine große Neuerung. Das heißt: 5G-fähige Geräte können mit den zahlreich vorhandenen 4G-Netzen verbunden werden. Irgendwann werden 4G-Smartphones ebenso wenig brauchbar sein wie heute das erste iPhone mit 2G oder das 1G-fähige Motorola DynaTAC. Abzuwarten bleibt, wann 5G wirklich im Alltag angekommen sein wird.

Noch gibt es 5G vor allem in den USA und in Asien. Bis 2022 soll ein Drittel der Weltbevölkerung Zugang zu 5G-Netzen bekommen, bis 2025 mehr als die Hälfte. Menschen in armen und ländlichen Regionen müssen möglicherweise warten: Die Infrastruktur kostet Geld. Und viele Menschen in Entwicklungsländern benutzen immer noch 2G-Geräte. 5G könnte die digitale Kluft also weiter vergrößern. Da Internetzugang und Wirtschaftswachstum eng zusammenhängen, würde auch das ökonomische Ungleichgewicht wachsen.

Die fünfte Mobilfunkgeneration wird kommen und unsere Sicht auf das Internet verändern. Von einem nützlichen und unterhaltsamen Werkzeug hin zu einem System, das alles verbindet. 5G wird Smartphones nicht bloß schneller machen. Es wird unser digitales Leben stark beeinflussen.

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