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5G und 4G im Vergleich: Unterschiede, Erwartungen, Realität
Die Architekturen von 5G- und 4G-Netzen unterscheiden sich stark. Alles sollte besser und schneller werden. 5G ist auch schon einige Zeit verfügbar, was leistet es nun wirklich?
Die Bundesnetzagentur meldete Ende 2023, dass der Ausbau der 5G-Netze während diesen Jahres stark vorangeschritten sei. Die Versorgung mit 5G durch mindestens einen Netzbetreiber wäre auf 90 Prozent des Bundesgebiets angestiegen (Stand: Oktober 2023). Die 5G-Infrastruktrur ist also offenbar auf einem guten Weg, aber wie steht es mit den technologischen Vorteilen der neuen Mobilfunktechnik aus?
In einer perfekten Welt verbessert jede Generation die guten Eigenschaften ihrer Vorgänger und gedeiht auf eine Weise, die frühere Generationen nicht bieten konnten. In gewisser Weise reagieren neue Generationen auf die Probleme der älteren Generationen.
Dies ist besonders relevant für neue Generationen von Mobilfunknetzen und Mobilfunktechnologien. Im Fall der vierten und der fünften Generation von drahtlosen Geräten zielt 5G darauf ab, nicht nur die 4G-Fähigkeiten zu übertreffen, sondern auch die Ziele von 4G für Geschwindigkeiten, Latenzzeiten und Zelldichte zu erreichen und zu übertreffen.
Die 4G-Ära brachte schon verschiedene, innovative Netzwerktrends, wie etwa das Wachstum des IoT, eine steigende Anzahl von Smartphones sowie entfernte und mobile Arbeitskräfte. Diese Trends entwickelten sich in den 2010er Jahren enorm und machten es notwendig, höhere Geschwindigkeiten und eine höhere Zelldichte zu unterstützen. Viele Experten hoffen, dass 5G die von 4G eingeführten Probleme und Versprechungen lösen wird.
Bevor Unternehmen jedoch auf den 5G-Zug aufspringen, müssen sie die Unterschiede zwischen 4G- und 5G-Netzwerkarchitekturen verstehen und vorhersehen, wie sich beide Architekturen auf ihren Geschäftsbetrieb auswirken könnten. Dieser Artikel geht intensiv auf diese Unterschiede ein und diskutiert, was die wichtigen Unterscheidungsmerkmale für Unternehmen weltweit bedeuten.
Die Unterschiede zwischen LTE, 4G und 5G
4G
Die vierte Generation der drahtlosen Kommunikation ist der Vorgänger von 5G und die vierte Generation der Mobilfunktechnologie. In den 2010er Jahren galt 4G als die neueste, innovativste Generation der Mobilfunktechnologie und erreichte innerhalb des Jahrzehnts die Allgegenwärtigkeit. Einige der Versprechungen von 4G umfassten eine verbesserte Zelldichte, verbesserte VoIP-Funktionen und eine höhere Bandbreite.
LTE
LTE wurde während der 4G-Blütezeit als 4G-Standard entwickelt. LTE ist der goldene, globale Standard für drahtloses Breitband und bildet die Grundlage für 5G-Netze. Sowohl 4G als auch LTE unterstützen verschiedene Traffic-Typen, bei denen frühere Generationen Schwierigkeiten hatten, und die 5G nun weiter verbessern muss.
5G
Die drahtlose fünfte Generation ist die neueste Entwicklung der Mobilfunktechnik. Kleine, frühe Implementierungen begannen Ende 2010, aber die Telekommunikationsanbieter entwickeln ihre 5G-Infrastruktur noch. Zu den Vorteilen von 5G gehören deutlich höhere Netzwerkgeschwindigkeiten und Echtzeit-Kommunikationsmöglichkeiten.
Wie funktioniert 5G?
5G bringt verschiedene neue Funktionen und Möglichkeiten mit sich, darunter Network Slicing, orthogonales Frequenzmultiplexing (OFDM) und Massive Multiple Input, Multiple Output (MU-MIMO).
Mit 5G wird auch ein weiterer neuer Standard namens 5G New Radio (5G NR) eingeführt, der LTE ersetzen soll. 5G NR baut auf den besten Fähigkeiten von LTE auf und bringt neue Vorteile mit sich, zum Beispiel höhere Energieeinsparungen für verbundene Geräte und verbesserte Konnektivität.
Darüber hinaus kann 5G auch in einem neuen Frequenzspektrum arbeiten, der Millimeterwelle (mm-Welle). Es kann Wellenlängen zwischen 30 GHz und 300 GHz verwenden, verglichen mit den Wellenlängen von 4G LTE unterhalb von 6 GHz. Aufgrund des Millimeterwellenspektrums erfordert 5G neue, kleinzellige Basisstationen für Betrieb und Funktion.
Die wichtigsten Unterschiede zwischen 4G- und 5G-Netzwerkarchitekturen sind:
- Latenzzeit
- Mögliche Download-Geschwindigkeiten
- Basisstationen
- OFDM-Kodierung
- Zelldichte
Vergleich von Latenz, Geschwindigkeit und Bandbreite
Latenz
Der größte Unterschied zwischen 4G und 5G ist die Latenz. 5G verspricht eine geringe Latenzzeit unter einer Millisekunde, während 4G eine Latenzzeit von 60 ms bis 98 ms aufweist. Darüber hinaus bringt eine geringere Latenz auch Fortschritte in anderen Bereichen mit sich, zum Beispiel höhere Download-Geschwindigkeiten.
Die Mehrheit der bisher eingerichteten Netzwerke sind 5G-Non-Standalone-Netze (5G NSA). Aber nur mit der 5G-Standalone-Architektur (5G SA) lässt sich die extrem geringe Latenz wirklich erreichen. Im Moment sind es wohl im besten Fall eher zehn statt der versprochenen einen Millisekunde.
Mögliche Download-Geschwindigkeiten
Während 4G verschiedene VoIP-Funktionen einführte, geht 5G auf das Versprechen schnellerer potenzieller Download-Geschwindigkeiten ein und verbessert diese. Die Download-Geschwindigkeiten von 4G erreichen ein GBit/s. Das Ziel von 5G ist es, diese Geschwindigkeit zu verzehnfachen, um eine maximale Download-Geschwindigkeit von zehn GBit/s zu erreichen.
Allerdings gilt auch hier, dass nur mit 5G SA deutlich höhere GBit-Geschwindigkeiten möglich sind. Mit 5G NSA sind in der Praxis derzeit maximale Transferraten von ein bis zwei GBit/s möglich – und das auch nur im Frequenzband von 3,4 bis 3,8 GHz. Hinzu kommt, dass bei 5G-Billigtarifen zum Beispiel eine Begrenzung auf 100 MBit/s oder sogar weniger erfolgt. Wer auf dem Land lebt, muss auch mit einem teuren Vertrag oft mit Geschwindigkeiten von höchstens 200 MBit/s zufrieden sein. In ländlichen Gebieten basiert 5G in der Regel auf den reichweitenstarken Frequenzen im 700-MHz-Band, die dafür aber keine höheren Transferraten erlauben. Ein weiterer Grund für geringe Datenraten bei 5G NSA kann sein, dass sich 5G die vorhandene Kapazität mit 4G teilen muss. Sind viel 4G-Nutzer im Netz, bremst das auch die 5G-Anwender aus.
Dass 5G aber durchaus das zu leisten vermag, was versprochen wurde, bewies ein Versuch der Telekom im September 2023. Im 6-Ghz-Frequenzbereich wurde im Testbetrieb eine Datentransferrate von 11 Gbit/s erzielt.
Basisstationen
Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen 4G und 5G sind die verwendeten Basisstationen für die Übertragung der Signale. Wie seine Vorgänger überträgt 4G Signale von Mobilfunkmasten. Auch 5G wird weiterhin Mobilfunkmasten für seine niedrigeren Frequenzspektren verwenden. Für die neuen hohen Geschwindigkeiten setzt 5G jedoch aufgrund des Millimeterwellen-Frequenzniveaus auf Kleinzellentechnologie. Diese Kleinzellen sind kompakt und nur so groß wie eine Pizzaschachtel oder lassen sich in die Straßenbeleuchtung integrieren.
Die Frequenz ist zwar höher als die, die von der bisherigen Zelltechnologie genutzt wurde, aber die mm-Welle kann sich nur über kürzere Entfernungen ausbreiten. Hindernisse wie Bäume, Wände oder sogar Regen dämpfen das Signal zudem stark. Deshalb müssen mehr Kleinzellen als große Basisstationen in einem Gebiet platziert werden, um sicherzustellen, dass die Signale die Nutzer erreichen.
Die niedrigen Frequenzen sind daher für den ländlichen Raum mit großen Entfernungen interessant, während die hohen Frequenzspektren sich besser für Ballungszentren wie Städte eignen.
OFDM-Kodierung
OFDM wird verwendet, um verschiedene drahtlose Signale in separate Kanäle aufzuspalten, um Interferenzen zu vermeiden, wodurch auch eine größere Bandbreite bereitgestellt werden kann. Weil OFDM Daten auf verschiedenen Frequenzen codiert, kann dies die 4G- und 5G-Download-Geschwindigkeiten erhöhen, da diese Netzwerke ihre eigenen Signalkanäle haben und nicht einen gemeinsamen. 4G arbeitet mit 20 MHz-Kanälen, während 5G Kanäle von 100 MHz bis 800 MHz verwendet.
Zelldichte
Die Technologie der kleinen Zellen ermöglicht es 5G, eine höhere Zellendichte zu erreichen und die Netzkapazität zu erhöhen. Dies waren zwar auch Versprechungen für 4G, aber 5G wird wahrscheinlich dort Erfolg haben, wo sein Vorgänger versagte. 4G hat die hohen Ziele für allgemeine Geschwindigkeiten nie ganz erreicht. 5G-Netzwerke haben eine höhere Dichte, das heißt, sie verfügen über mehr Kapazität, um mehr Nutzer und angeschlossene Geräte zu unterstützen. Das führt zu einer höheren Kapazität für mobile Geräte und Verbindungen.
Trotz der angepriesenen Fortschritte von 5G ist Geduld angesagt, denn einige der Erwartungen wurden bisher nicht erfüllt. Die Mobilfunkanbieter brauchen Zeit, um die Fehler und die Komplexität zu überwinden, die 5G mit sich bringt.
5G-Erwartungen versus Realität
Frühe technologische Versprechen sind nicht immer garantiert. Unternehmen, die Unterschiede zwischen 4G und 5G für ihre Netzwerkarchitektur bewerten wollen, sollten einen Schritt zurücktreten und sich erst einmal ansehen, was 4G versprochen hat, was es tatsächlich liefert und was das für die Realität von 5G bedeuten könnte. Vorsicht ist geboten, denn Ziele bedeuten nicht immer Realität.
Ein Ziel von 4G war zum Beispiel, dass es allgemeine Geschwindigkeiten von 100 MBit/s bis 1 GBit/s erreichen sollte. In Wirklichkeit lagen diese Geschwindigkeiten bei durchschnittlich 7 MBit/s bis 43 MBit/s. Das bedeutet nicht, dass 4G schlecht ist oder dass die ursprünglichen Ziele Lügen waren. Stattdessen bilden diese Ziele von 4G die Grundlage dafür, was 5G erreichen soll und könnte. Die Download-Geschwindigkeiten und Latenzziele von 5G sind beispielsweise eine Erweiterung der ursprünglichen Ziele von 4G.
Allerdings hat 5G nicht alle seine Ziele in den ersten Jahren erreicht. Die Verwirklichung dieser Vorhaben kann noch Jahre dauern oder auch ganz ausbleiben. Für Unternehmen und Netzwerkteams ist es wichtig, zu verstehen, dass sich die Erwartungen und die Realität von 4G und 5G gegenseitig ausschließen. Dennoch hat 5G das Potenzial, den Betrieb zu verbessern und die Mängel zu beheben, die 4G nicht schaffen konnte. Wie 5G dies langfristig und global bewerkstelligt, muss sich erst noch zeigen.
