Mobilfunkstandards Übersicht- Von 1G bis 6G

Kaum waren die Lizenzen für den 5G-Mobilfunkstandard vergeben und die neue Übertragungstechnik verfügbar, wurden die Forschungen und Entwicklungen für die nächste Mobilfunk-Generation gestartet – 6G. Doch was bedeutet eigentlich das „G“ und worin unterscheiden sich die unterschiedlichen Mobilfunkstandards? Wie hat sich der Mobilfunk über die letzten Jahrezehnte hinweg entwickelt? Dieser Artikel gibt einen kompakten Überblick, für „Nicht-Techniker“.

Wie schon beim 5G-Mobilfunkstandard, geben wir frühzeitig einen Einblick zur Zukunft der nächsten Mobilfunk-Generation und zum aktuellen Stand der Forschungen und Entwicklungen. Was erwartet uns mit dem 6G-Mobilfunkstandard?

Bevor wir starten, möchten wir kurz einen Blick in die Vergangenheit werfen. Grundsätzlich steht das „G“ hinter der jeweiligen Ziffer (1G, 2G, 3G, 4G, 5G, 6G, etc.) für Generation, womit die Generation der Mobilfunktechnik gemeint ist, ähnlich wie wir es in der Industrie mit Industrie 1.0 bis Industrie 4.0 als eine Art Evolutionserklärung definiert bekommen haben. In diesem Artikel werden Sie feststellen, dass über die Entwicklungsjahre des Mobilfunks hinweg, eine Vielzahl von Fachbegriffen und Abkürzungen entstanden sind, weshalb die Einordnung in Mobilfunk-Generationen Sinn macht.

Grundsätzlich ist das Ziel, mit jedem neuen Mobilfunkstandard, durch eine verbesserte Basistechnologie, neue Funktionen zu ermöglichen. Davor notwendig sind in der Regel höhere Datenübertragungsraten, geringere Latenzzeiten, höhere Verfügbarkeiten, bessere Flächendeckungen und eine verbesserte Konnektivität.

1G Mobilfunk-Technologie

Rückblickend, bezeichnet man heute den Mobilfunkstandard zum Ende der 1970er-Jahre als 1G Mobilfunkstandard. Bis dahin waren wir es gewohnt, kabelgebundene Telefone zu nutzen. 1978 wurde, mit dem Nordic Mobile Telephone (NMT), das erste kommerzielle 1G-Netz in Schweden eingeführt und später von anderen Ländern, teils angepasst, übernommen. Zum damaligen Zeitpunkt gab es unterschiedliche Mobilfunkstandards und Technologien.

Was war damals für diesen Mobilfunkstandard typisch?

• Die drahtlose Übertragung wurde durch analoge Übertragungstechniken ermöglicht.
  Einfacher gesagt, Sprache wurde in analoge Signale umgewandelt.
• Die Mobilfunknetz-Kapazität war begrenzt und die Übertragungsraten waren sehr niedrig (9,6 KBit/s).
• Damals noch Handys genannt, waren die Smartphones sehr groß und hatten eine geringe Akkulaufzeit.
• Erstmal wurde die Möglichkeit geschaffen, über größere Entfernungen drahtlos zu kommunizieren.
• Bei dieser Entwicklungsstufe des Mobilfunks musste man jedoch Interoperabilität, Störungen und Einschränkungen bei der Nutzung akzeptieren, besonders bei der internationalen Nutzung, da es keine internationalen Standards gab.

2G Mobilfunkstandard

Im alltäglichen Gebrauch und bei der Vermarktung wurde bei diesem Mobilfunkstandard im Alltag von GSM, GPRS oder EDGE gesprochen. Weltweite Bedeutung als erster internationaler Mobilfunkstandard erhielt diese Weiterentwicklungsstufe durch das GSM-Netz (Global System for Mobile Communications). Es wurde von dem European Telecommunications Standards Institute (ETSI) entwickelt und 1991 in Europa als erster, weit verbreiteter 2G-Mobilfunkstandard, eingeführt.

Was zeichnete den 2G Mobilfunkstandard aus?

• 1G unterlag den Gesetzen der Disruption, da die analoge Übertragungstechnik durch digitale Übertragungstechniken ersetzt wurde.
• Die Sprachqualität wurde durch eine bessere Nutzung der Frequenzen deutlich verbessert.
• Fortan war die Übertragung von digitalen Daten möglich, was die Grundlage der SMS war.
• Auch die SIM-Karten wurden geboren, welche eine einfache Identifizierung zwischen verschiedenen Geräten ermöglichte.
• GPRS (General Packet Radio Service) wurde ins Leben gerufen, was die Grundlage für einen mobilen Internetzugang war.
• Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 220 KBit/s waren möglich.
• Auch das internationale Roaming war nun möglich, sofern Länder den gleichen Mobilfunkstandard hatten.

Hinweis zur Vollständigkeit: GSM hatte zwar eine große Bedeutung, war jedoch nicht das einzige 2G-Mobilfunknetz. In anderen Regionen gab es z.B.  das Code Division Multiple Access (CDMA), welches in den USA eine große Rolle gespielt hat.

3G Mobilfunkstandard

Aus dieser Zeit kennen wir noch die Bezeichnungen UMTS, HSPA, HSPA+. Die dritte Generation der Mobilfunktechnik wurde 2003 in den Markt eingeführt und war erneut eine deutliche Verbesserung der mobilen Kommunikation.

Da die Vorgenerationen schon abgeschaltet wurden, wechseln wir nun bei der Formulierung zur Gegenwart und listen nachfolgenden die Merkmale von 3G-Mobilfunk auf. In Regionen mit schlechtem Empfang, wir heute noch 3G als eine Art Notlösung empfangen, dank der seit 4G vorhandenen Rückwärtskompatibilität.

Folgende Möglichkeiten wurden mit dem 3G-Netzwerk geschaffen:

• Ab diesem Mobilfunkstandard ist eine Breitbanddatenübertragung möglich, bis zu 42 MBit/s.
• Seit dieser Mobilfunk-Generation ist Wideband-Voice, oder auch HD Voice genannt, möglich.
• Das internationale Roaming wurde durch die Weiterentwicklung der internationalen Mobilfunk-Standardisierung verbessert.
• Der erste mobile Videoanruf wurde 2003 getätigt, Details folgen nach dieser Auflistung.
• Die mobile Nutzung von E-Mails und Webseiten war nun aufgrund der deutlich verbesserten Breitbandtechnik möglich.
• Die Basis für eine neue mobile Internetnutzung wurde geschaffen, z.B. für Videostreaming und Audiostreaming.
• Die Netzwerkkapazitäten wurden erneut um ein Vielfaches verbessert, dank der Technologien HSDPA und HSUPA.
• Die mobile Datensicherheit wurde durch Sicherheitsprotokolle und Verschlüsselungstechniken erhöht.
• Viele neue Internetdienste konnten genutzt werden, u.a. auch mobiles Fernsehen oder Mobile Banking.

Der erste mobile Videoanruf: Am 3. Oktober 2003 , tätigte der damaligen Generaldirektor von Nokia, den ersten Video-Call in Finnland, indem er den finnischen Premierminister, mit einem Nokia 6630-Handy, angerufen hatte und sein Bild über eine Forntkamera übertrug.

4G Mobilfunkstandard

Diese Mobilfunk-Generation wird auch als LTE, LTE Advanced oder LTE Advanced Pro beschrieben. Schnelles Surfen, mobiles Streaming bis hin zum mobilen Online-Gaming mit sehr guten Latenzzeiten (Ping-Zeiten), zeichnet diese Entwicklungsstufe aus.

Darüber hinaus nutzen wir seit 2012, mit der 4G-Mobilfunktechnik, folgende Vorteile:

• Wesentlich höhere Datenübertragungsraten mit bis zu 600 MBit/s.
• Die Technologie Long Term Evolution (LTE) verringert deutlich die Latenzzeiten.
• Dies führt zu schnellere Reaktionszeiten für Anwendungen mit Echtzeit-Kommunikation.
• Eine höhere Anzahl von gleichzeitigen Benutzern ist durch die verbesserte Netzkapazität möglich.
• Eine hochauflösende Bildschirmübertragung ist z.B. für HD-Videostreaming und Multimedia-Anwendungen möglich.
• 4G-Netze sind weltweit verfügbar und sorgen für eine leistungsfähige und länderübergreifende Kommunikation.
• Mit dem Internetprotokoll All-IP-Netzwerk ist die Integration verschiedener Internetdienste auf unterschiedlichen Technologieebenen möglich.
• 4G macht durch die leistungsstarke Vernetzung mehrerer Geräte, das Internet der Dinge (IoT) möglich.
• Sofern 4G nicht verfügbar ist, werden Nutzer automatisch zu den Vorgänger-Mobilfunknetzen verbunden (Rückwärtskompatibilität).

5G Mobilfunkstandard

Mit dieser Mobilfunk-Generation werden die normalen Mobilfunknutzer nicht mit neuen Fachbegriffen konfrontiert, da dieser Mobilfunkstandard auf LTE aufbaut.  Technisch interessierte erfreuen sich den neuen Technologien wie z.B. Network Slicing oder Small Cells.

Seit 2019 zeichnet sich der 5G-Mobilfunkstandard mit folgenden Weiterentwicklungen aus:

• Wie in jeder neuen Mobilfunk-Generation, erneut mit einer vielfachen Leistung hinsichtlich der bisher verfügbaren Datenübertragungsraten, mit bis zu 10 GBit/s.
• Durch eine weitere Verbesserung der Latenzzeiten sind Echtzeitanwendungen, wie Augmented Reality  und Virtual Reality auch mobil möglich.
• Die mögliche Benutzeranzahl pro Quadratkilometer ist deutlich gestiegen. Waren es noch beim 4G Mobilfunkstandard  zwischen 1000 und 2000 Benutzer, sind im 5G-Mobilfunknetz zwischen 10.000 und 100.000 Benutzer möglich.
• 5G nutzt Smart Cells, das bedeutet die Nutzung einer größeren Anzahl von kleineren Funkzellen, was besonders in Städten die Möglichkeiten für IoT verbessert und somit eine breite Palette von IoT-Geräten verbinden kann.
• Die Nutzung höherer Frequenzen im Millimeterwellenbereich optimieren die Mehrband-Konnektivität.
• Als neue Technologie wird ab dieser Mobilfunk-Generation das Network Slicing genutzt. Es handelt sich hierbei um die Funktion, das Netzwerk in mehrere virtuelle Netzwerke aufzuteilen, was u.a. zu einer höheren Energieeffizienz und zu besseren Anpassungen unterschiedlichen Anwendungen führt.
• 5G-Mobilfunknetze sind unter anderem dafür ausgelegt, den Energieverbrauch pro übertragender Datenübertragung zu reduzieren.
• Das große Ziel, was 5G bei der Konzeptionierung hatte, war, das autonome Fahren, intelligente Städte, Echtzeit-Kommunikationen und die Industrie 4.0 zu unterstützen, weshalb Mitte 2019 die Internetprovider Vodafone, Drillisch (1&1), O2 und die deutsche Telekom, im Rahmen der Lizenzvergabe, gemeinsam knapp 6,6 Milliarden Euro in diesen Mobilfunkstandard investierten.

6G und Mobilfunkstandards der Zukunft

Zwischen den Entwicklungssprüngen jeder Mobil-Generation, kann man sich beim Bewusstmachen der neuen Datenübertragungsraten, Funktionen und neuen Technologien schon einmal die Augen reiben und sich aufgrund der teils drastischen Steigerungen die Frage stellen, ob nun das Ende der Fahnenstange erreicht ist oder was der nächste Mobilfunkstandard uns liefern wird?

Fakt ist, die Forschungen und Entwicklungen hinsichtlich des 6G-Netzes sind im vollen Gange, welches ungefähr im Jahr 2030 verfügbar sein soll. Erneut soll der aktuelle Mobilfunkstandard 5G um ein Vielfaches übertroffen werden. Kein Wunder, denn neue Anwendungen, wie beispielsweise die datenintensive künstliche Intelligenz, stehen erst am Anfang der heute schon erdenklichen Möglichkeiten. Doch 6G befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, wobei sich die zukünftigen Leistungsmerkmale festmachen lassen, u.a. durch die Definitionen aus dem Jahr 2020, von der Europäischen Kommission, hinsichtlich der Strategie für die digitale Dekade.

Folgende Ziele sind für den 6G-Mobilfunkstandard definiert:

• Das Ziel sind Datenübertragungsraten von 1 Tbit/s.
• Die Latenzzeiten sollen unter 0,1 ms liegen.
• Die Verfügbarkeit des 6G-Netzes soll bei 99,9999 % liegen.
• Die Energieeffizienz soll um das 100-Fache gesteigert werden.
• Die Flächenabdeckung soll 90% betragen.
• Die Zukunftskonzepte wie z.B. holographische Kommunikation, Internet der Sinne, Internet der Nano-Dinge oder Internet der Intelligenz sollen unterstützt werden.

Die Ziele sollen mit folgenden Weiterentwicklungen erreicht werden:

• Nutzung neuer Frequenzbereiche, z.B. Terahertz oder optische Frequenzen.
• Entwicklung neuer Antennen, Verstärker, Modulatoren und Filter.
• Nutzung von künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen und Quantentechnologien.

Dieser Mobilfunkstandard wir über den technischen Horizont blicken müssen, da durch die neuen Anwendungen ethische Aspekte, Nachhaltigkeitsaspekte und Datenschutzaspekte berücksichtigt werden müssen.

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