10 Gigabit/s auf dem Handy - wer macht das Rennen?

Die Datenexplosion will kein Ende nehmen: Nicht nur die schiere Zahl der Internet-Geräte, auch der Internet-Konsum und der Bandbreiten-Bedarf pro Kopf steigen ständig weiter. Man denke nur an Telefonate: Früher sorgte ein ISDN-Telefonat mit 64 Kilobit/s schon für Zufriedenheit. Heute verbrauchen Audio-Video-Konferenzen - wie Tests belegen - mittels Microsoft Skype, Google Hangouts, Cisco WebEx, Citrix GoToMeeting oder Microsoft Lync dynamische Bandbreiten von 500 bis 5.000 Kilobit pro Teilnehmer, je nach Fenstergröße und Bildauflösung.

Oder man denke an Video-Streaming: War man früher noch mit der "normalen" SD-TV-Auflösung beim Streaming auf den Fernseher oder Laptop glücklich, so muss es heute HD (720p) oder gar Full HD (1080p) sein. Die ersten Nutzer haben sogar schon 4K-Fernseher und 4K-Laptops mit Ultra-HD-Displays und können hausintern auch 4K-Filme per WLAN aus dem eigenen NAS-Speicher abrufen - sofern in der lokalen WLAN-Luft genug Bandbreite für 4K-Streamings frei ist.

Ein anderes Beispiel ist das immer beliebtere Musik-Streaming: Eigentlich könnte man tausende Musiktitel lokal auf Smartphones und Laptops abspeichern, um sie dann offline zu genießen. Tatsächlich hören viele Nutzer ihre Songs lieber stundenlang live direkt aus YouTube und Co., und lassen dabei den Videostrom völlig unbeachtet mitlaufen, was eine enorme Video-Last auf die externen und internen Netze bringt. Verschwendung pur! Aber gelebte Realität in Teilen der Gesellschaft.

Egal ob diese Datenexplosion nun über WLAN, per Mobilfunk oder über beide Netztypen bewältigt wird: Die Netze müssen weiter wachsen: Das Internet der Dinge kommt mit Wucht hinzu und will Milliarden von Menschen, Tieren, Fahrzeugen, Maschinen, Hausgeräten und Gebäude-Sensoren miteinander verkoppeln. Ein Stillstand beim Netzausbau würde ganz schnell zum Daten-Stau und Daten-Chaos führen. Big Data will bewegt werden.

Aller Anfang ist...lahm

Das Wettrennen zwischen WLAN und Mobilfunk wurde spätestens zur Jahrtausendwende offensichtlich: Im Jahr 2000 kamen die ersten WLAN-802.11b-Basisstationen von 3Com, Cisco, ELSA, Lucent und Siemens in den deutschen Markt. Sie schafften einen Daten-Speed bis zu 11 Mbit/s brutto und 6 Mbit/s netto. Ein WLAN-AccessPoint (AP) kostete damals 2.000 Deutsche Mark und mehr. Das konnte sich fast kein privater Haushalt leisten, nur Firmen.

Ein Jahr später, anno 2001, gingen die ersten öffentlichen WiFi-Hotspots mit 11b-Technik in Deutschland live: Etwa im Kempinski Hotel Vier Jahreszeiten an der Münchner Maximilianstrasse und im Hilton Munich Park Hotel am Englischen Garten. Anfangs bezahlte der betuchte Business-Traveller 150 Deutsche Mark für 24 Stunden Wireless Internet im Kempinski. Jener damals schnellste drahtlose Vorzeige-Hotspot Deutschlands hing an einem SDSL-Anschluss, der 2 Mbit/s symmetrisch in beide Richtungen schaffte, im Upload wie im Download.

WLAN 11 Mbit/s trifft GPRS 115 Kbit/s

Im gleichen Jahr schrieb das Handelsblatt zum Start der CeBIT-Messe 2001: "Die Mobilfunkanbieter haben sich das Zauberwort GPRS auf die Fahnen geschrieben… Datenpakete werden mit einer Geschwindigkeit von bis zu 115 Kilobit pro Sekunde übertragen". Das allerdings war meist nur graue Theorie: In der Praxis musste man froh sein, wenn die Daten mit 50 Kbit/s netto auf ein GPRS-Handy von Nokia oder Siemens herunter tröpfelten. Zur Erinnerung: Nokia und Siemens waren damals stolze Handy-Marken.

Drei Jahre später, im Frühling 2004, wurde UMTS von Vodafone, Telekom, E-Plus und O2 in Deutschland auch für zahlende Endkunden freigeschaltet. Der maximale UMTS-Daten-Download lag bei 384 Kbit/s. Die kamen aber nur sporadisch in der Nähe von UMTS-Mobilfunkmasten zustande. WLAN war derweil schon beim Speed-Level IEEE 802.11g angekommen und schaffte 54 Mbit/s brutto sowie über 20 Mbit/s netto. Natürlich nur auf kurze Distanz, zum Beispiel wenn AP und Client in Sichtweite im gleichen Raume funkten.

WLAN 1300 Mbit/s trifft LTE 150 Mbit/s

Knapp zehn Jahre später, 2013, konnte der Autor erstmals LTE-Cat4 mit brutto 150 Mbit/s und netto 120 Mbit/s im Download im echten Kundennetz von Vodafone auf der Münchener Theresienwiese messen. Im gleichen Herbst 2013 funkten auch zwei brandneue WLAN-11ac-Gigabit-Fritzboxen schon mit 1,3 Gbit/s brutto und knapp 800 Mbit/s netto auf kurze Distanz durch die Lüfte. Gemessen, nicht geraten. Wir brauchten für diesen Test allerdings noch zwei (!) identische Fritzboxen, weil es zur IFA 2013 noch keine 11ac-Clients (Laptops, Handys) mit dem vollen 3x3-MIMO-3SS-Speed von 1,3 Gigabit gab. Anno 2014 sind jedoch schon vereinzelte 11ac-Notebooks mit 3x3-MIMO auf dem Markt, etwa das Apple MacBook Pro. Die WLAN-Branche bezeichnet 802.11ac übrigens als 5te WLAN-Generation.

5G-Mobilfunk verspricht 10 Gigabit/s

Die fünfte Mobilfunk-Generation 5G verspricht drahtloses Internet mit 10 Gigabit pro Sekunde für Endgeräte wie Smartphones, Tablets, Laptops oder Autos. Ab 2020 soll der kommerzielle 5G-Rollout starten. Zum Vergleich: Das aktuelle 4G-LTE schafft 2014 bereits Peaks von 50 Mbit/s auf dem Lande, 100 bis 150 Mbit/s in vielen größeren Städten und bis zu 500 Mbit/s in vereinzelten Feldtests. Der 4G-Nachfolger 5G ist zwar noch nicht ganz funktionsfähig, verspricht aber Peaks bis 10 Gigabit/s ab 2020 auf jedes Handy. Das wäre dann 1000mal schneller als das aktuell ausgerollte LTE-Cat3 mit 100 Mbit/s. Damit soll der User ab dem Jahre 2020 einen kompletten Spielfilm binnen weniger Sekunden in sein Handy, Tablet, Notebook oder Auto bekommen.

5G auf Messen und Kongressen

Seit Anfang 2014 wird 5G zunehmend auf Messen und Kongressen diskutiert: Auf dem Mobile World Congress 2014 in Barcelona war 5G das Modethema der EU-Politiker. Zwei Wochen später sagte der britische Premierminister David Cameron in der CeBIT-Eröffnungsfeier mit Kanzlerin Merkel, dass Deutschland und UK bei der Entwicklung des 5G-Internets kooperieren wollen: Die Technische Universität Dresden, das King's College in London und die Universität von Surrey in Südost-England sollen gemeinsam an 5G forschen. Europa hat immerhin GSM, UMTS und LTE maßgeblich entworfen und will sich jetzt bei 5G nicht von den Asiaten abhängen lassen.

Doch wie kann 5G technisch einen solchen Sprung auf 10 Gigabit pro Sekunde machen? Das erklärte Huawei schon vor den beiden Mega-Messen auf dem 5G@Europe Summit 2014 im Sofitel Hotel München: Dazu hatte Huawei die klügsten Wireless-Köpfe aus Europa, Asien und Nordamerika geladen: Etwa Forscher und Vorstände europäischer Netzbetreiber wie Vodafone, Telekom und Telefonica, namhafte EU-Politiker, führende Wireless-Professoren, innovative Automobil-Hersteller. Sogar Huawei-Konkurrenten wie Alcatel, Ericsson und NSN durften kommen. Denn je schneller sich Ausrüster, Telcos und Anwender gemeinsam auf die neuen 5G-Standards einigen, desto früher können sich neue Märkte rund um 5G entwickeln.

Bis die neuen 5G-Standards vollends definiert sind, arbeiten die Konkurrenten vorübergehend und partiell zusammen. Doch spätestens mit der kommerziellen 5G-Einführung werden sie dann wieder scharfe Konkurrenten. So ähnlich war das auch schon bei 2G, 3G oder 4G. Neu ist jetzt nur, dass nicht mehr altverdiente GSM-UMTS-Pioniere wie Siemens, Nokia, Ericsson, Alcatel oder NSN (inzwischen nur noch Nokia) ganz vorne weg marschieren, sondern zunehmend auch Asiaten wie Huawei, LG, Samsung oder ZTE den 5G-Fortschritt mit anschieben.

Wozu braucht die Menschheit 5G?

5G soll ab 2020 die tausendfache Wireless-Kapazität in die Mobilfunknetze bringen. Das ermöglicht dann: 100 Milliarden Mobilfunkverbindungen für Menschen und Maschinen gleichzeitig. 10 Gbit/s auf jedem Endgerät. Pings unterhalb von einer Milli-Sekunde. Neunzig Prozent weniger Energieverbrauch pro Mobilfunkdienst. 1000mal weniger Energieverbrauch pro übertragenem Bit in den Endgeräten, auch um deren Akkuverbrauch zu reduzieren. Und daraus resultierend: Neue Anwendungen und Geschäftsmodelle rund um das drahtlose, superschnelle 5G-Cloud-Computing.

Tausendfache Mobilfunk-Kapazität mit 5G

Um 5G zu realisieren, braucht man neue Funkstationen und Endgeräte mit viel mehr MIMO-Antennen als heute, eine viel höhere geografische Dichte von Basis-Stationen mit viel kleineren Funkradien, sowie viel breitere Frequenz-Spektren in der Luft, als heute für LTE verfügbar sind, meinte etwa Dr. Wen Tong, der profilierteste 5G-Vordenker von Huawei, Inhaber von 180 US-Patenten und Chef von 700 Huawei-Forschern bereits im Februar 2014.

5G soll ein enormes Spektrum von 300 MHz bis 300 GHz flexibel nutzen können. Zum Vergleich: LTE nutzt in Deutschland gerade mal drei fixe Frequenz-Blöcke bei 800 MHz, 1800 MHz und 2600 MHz. Die restlichen 297 GHz sind für den terrestrischen Mobilfunk noch gar nicht aktiviert.

Natürlich sollen die neuen 5G-Techniken auch kreuz- und rückwärts-kompatibel zu den heute verbreiteten Funksorten 3G, 4G und WiFi sein. Die meisten User wollen ja nicht ständig neue Endgeräte kaufen.

Ab wann weitere Frequenzen für das drahtlose Internet versteigert werden, ist nicht zuletzt eine Frage der Politik. Deshalb kamen auch mehrere EU-Politiker aus Brüssel zum 5G-Kongress nach München. Daneben wird auf der World Radiocommunication Conference 2015 (WRC-15) der ITU vom 2. bis 27. November 2015 in Genf eine größere Einigung über die Verwendung weiterer Frequenzbänder für das mobile Internet erwartet.

Smartphones mit 10 Gbit/s

Der Endanwender soll mit 5G bis zu 10 Gigabit pro Sekunde auf sein Endgerät bekommen. Das heißt: Glasfaser-Speed beim Senden und Empfangen, nur eben per Mobilfunk. Mit solchen Bandbreiten werden auch Video-Streamings und Tele-Konferenzen in 4K-Ultra-HD-Qualität von Smartphone zu Smartphone möglich. Das gebogene 6-Zoll-Smartphone LG G Flex etwa kam schon im Februar 2014 mit einer Video-Kamera mit Ultra-HD-Aufzeichnung von 3.840 x 2.160 Pixel auf den Markt. Weitere wie das LG G3 folgten. Will man den 4K-UHD-Stream aber mobil senden und empfangen, so braucht man dazu idealerweise drahtlose 5G-Netze.

Zum Vergleich: UMTS kam anno 2004 mit 0,384 MBit/s auf den deutschen Markt. Die ersten Siemens-UMTS-Video-Handys waren damals, vor zehn Jahren, noch so dick wie eine Faust, hatten winzige und gering auflösende Video-Displays und wurden im Betrieb recht heiß. Doch danach ging es rasant weiter: HSDPA, HSUPA, HSPA, DC-HSPA, und dann 4G-LTE:

LTE-Cat3-800MHz wurde seit Dezember 2010 mit bis zu 50 MBit/s auf dem Lande kommerziell ausgerollt. Dann brachte die Telekom LTE-Cat3-1800MHz mit bis 100 MBit/s in über hundert deutsche Städte. Seit Herbst 2013 wird auch LTE-Cat4 mit 150 Megabit pro Sekunde von Telekom und Vodafone hierzulande ausgerollt. Außerdem fahren O2 (München) und Vodafone (Dresden) seit Ende 2013 bis zu 226 Mbit/s schnell LTE-Cat6-Netze als Piloten. Im weiteren Verlauf des Jahres 2014 wird man auch LTE bis 300 Megabit im deutschen Felde sehen, allerdings nur an bestversorgten Standorten.

5G-Reaktionszeiten von unter einer Millisekunde

Die bisherige 5G-Forschung gibt Grund zur Annahme, dass man die Ping-Zeiten in Mobilfunknetzen auf unter eine Millisekunde herunter bringen kann. Beim Surfen oder Business-Cloud-Computing würde sich das extrem zackig anfühlen und die Akzeptanz der Cloud vermutlich sehr verbessern. Bei der Wireless-Kommunikation zwischen schnell bewegten Fahrzeugen - Stichwort Connected Car - wären rasante Reaktionszeiten sogar noch wichtiger, um etwa Kollisionen zu vermeiden.

Zum Vergleich: Heute in der Praxis üblich sind Reaktionszeiten von LTE zwischen 30 und 80 Millisekunden. Diese fühlen sich beim Surfen zwar auch schon zackig an, für schnelle Fahrzeuge mit automatischen Lenk- und Bremsmanövern würde es hier allerdings schon eng. Hinzu kommt, dass das Handy, die vernetzte Maschine oder das vernetzte Fahrzeug bei künftigen Nutzungsszenarien bis auf weiteres auch noch zwischen (!) verschiedenen Funksorten wie 3G, 4G und WiFi hin- und her schalten muss. Solche Schaltvorgänge dauern heute manchmal mehrere Sekunden. Auch hier arbeiten Huawei und Konsorten auf ein "Zero-Second-Switching" hin: Maximal 10 Millisekunden soll die Umschaltung zwischen 4G, 5G und WiFi in absehbarer Zukunft nur noch dauern, damit der User nichts mehr davon merkt.

WLAN-AC-Wave-1: Brutto bis zu 1.300 Mbit/s

Stellt der kommende 5G-Mobilfunk den jahrelangen Speed-King WLAN alias WiFi bald in den Schatten? Wohl kaum: Gerade rechtzeitig zur weiteren Datenexplosion hat nämlich auch die WLAN-Technik einen großen Sprung gemacht: Der jüngste Standard IEEE 802.11ac schafft per Sommer 2014 Brutto-Datenraten von bis zu 1.300 MBit/s. Allerdings nur, wenn beide WLAN-Kommunikations-Partner jeweils drei WLAN-Antennen unter der Haube haben (3x3 MIMO) und auch tatsächlich drei Datenströme alias Spatial Streams (3SS) gleichzeitig fließen können. Dazu müssen aber mindestens 80 MHz Bandbreite in der lokalen Luft verfügbar sein. Da 11ac nicht im überfüllten 2,4 GHz-WLAN-Bluetooth-Band, sondern nur im relativ sauberen 5GHz-Band funkt, kann man die benötigten 80 MHz auch meist bekommen.

WLAN-AC-Wave-2: Brutto bis 3.500 Mbit/s

Die künftigen 11AC-Wave-2-Produkte (zweite Welle) schaffen bis zu 3.470 Mbit/s brutto. Dazu müssen aber beide WLAN-Partner 4 Antennen (4x4-MIMO) haben, vier Spatial Streams (4SS) durch die Luft funken, und 160 MHz freien Platz im 5GHz-Band ungehindert nutzen können. Chipsets für 11AC-Wave-2 werden bis Ende 2014 erwartet, finale Produkte anno 2015. Wave-2 soll rückwärts-kompatibel zu Wave-1 und älteren WiFi-Normen bleiben. Das heißt: Wave-2-Produkte beherrschen u.a. auch die langsameren Funkmodi von Wave-1.

In einer dritten AC-Innovations-Welle sind 11ac-Geräte auch mit einem 8x8-MIMO-8SS-Design vorstellbar. Der WLAN-Bruttospeed könnte sich dann, rein rechnerisch, nochmals auf circa sieben Gbit/s verdoppeln.

Interworking zwischen WLAN und Mobilfunk

Unterm Strich bewegen sich also WLAN-Technik wie auch Mobilfunk in Richtung 10 Gbit/s-Speed. Wer von Beiden das Ziel nun schneller erreicht, hängt auch davon ab, wie viele MIMO-Antennen die Hersteller in den Geräten verstauen können und wie viel Bandbreite sie in der Luft verbraten dürfen. Letzteres ist keine Frage der Technik, sondern der weiteren Frequenz-Politik. Am Ende wird man für die weitere Datenexplosion sowohl das schnelle 5G-WiFi wie auch den schnellen 5G-Mobilfunk benötigen. Ziel sollte keine Konkurrenz der ursprünglich sehr unterschiedlichen Netzwerktypen sein, sondern die Möglichkeit des gegenseitigen Traffic-Offloads, wenn etwa ein Netz schon zu viel Traffic und das andere noch preiswerte Reserven hat. Mit 802.11u hat das IEEE-Gremium auch schon das technische Konzept für ein solches "Interworking with External Networks" entworfen.

Der deutsche WLAN-Spezialist Lancom hat 802.11u schon mal präventiv in die ersten WLAN-Router eingebaut. Am Ende soll der Smartphone-User damit ruckzuck zwischen LTE und WLAN wechseln können, ohne dass er sich selber händisch in einen WLAN-Hotspot einloggen muss. Das regelt dann der Mobilfunk-Provider mit Hilfe von 802.11u im Hintergrund vollautomatisch für den User. Allerdings dürfte sich 802.11u nur dann in voller Konsequenz verbreiten, wenn die Mobilfunk-Provider das auch politisch wollen. (mb)