4G vs. 5G: Technik, Versprechen und Realität

Was ist 4G und wie funktioniert es?

4G ist der Vorgänger von 5G. Wie alle Arten der Mobilfunkverbindung nutzt auch 4G ein Funksystem: Eine Basisstation sendet Hochfrequenz-Signale zwischen dem Netzwerk und 4G-fähigen Geräten hin und her. Dieser Prozess ähnelt der Funktionsweise früherer Mobilfunkgenerationen, doch 4G bietet gegenüber seinen Vorgängern Vorteile wie höhere Geschwindigkeiten, eine bessere Spektraleffizienz und eine höhere Netzwerkkapazität.

Weitere Vorteile sind eine verbesserte Zelldichte, optimierte VoIP-Funktionen und eine größere Bandbreite. Dank dieser Funktionen konnte sich 4G in den 2010er-Jahren als innovativste Generation der Mobilfunktechnologie etablieren und innerhalb dieses Jahrzehnts eine allgegenwärtige Präsenz erreichen.

Während der Blütezeit von 4G wurde der drahtlose Breitbandstandard LTE entwickelt, der dazu beitrug, dass 4G sein Potenzial für höhere Geschwindigkeiten und eine verbesserte Netzwerkzuverlässigkeit ausschöpfen konnte. LTE wurde ursprünglich als eine Übergangstechnologie zwischen 3G (UMTS/HSPA) und echtem 4G eingeführt. Frühe LTE-Versionen (etwa LTE Release 8) erfüllten noch nicht vollständig die strengen Anforderungen der ITU für echtes 4G. LTE wurde aber später durch LTE-Advanced (ab Release 10) erweitert, das dann wirklich als echtes 4G galt. 4G LTE wird umgangssprachlich verwendet, weil LTE der am weitesten verbreitete Standard für 4G-Netze ist.

4G LTE ermöglicht eine Vielzahl von Funktionen, die von früheren Generationen mobiler Netzwerke nicht unterstützt werden. Dazu gehören unter anderem die folgenden:

• Unterstützung verschiedener Traffic-Typen, zum Beispiel Sprache, Video und Daten.
• Verwendet IP-basierte Kommunikationsmethoden für alle Traffic-Typen.
• Es werden Carrier Aggregation und OFDMA verwendet, damit mehrere Geräte die verfügbare Bandbreite effektiv gemeinsam nutzen können.

In der 4G-Ära gab es verschiedene innovative Netzwerktrends: das Wachstum des Internets der Dinge (IoT), eine steigende Anzahl von Smartphones sowie Remote- und mobile Mitarbeiter. Diese Trends setzten sich in den 2010er Jahren fort, wodurch ein Bedarf an höheren Geschwindigkeiten und einer höheren Zelldichte entstand.

Weltweit nutzen immer noch Millionen von Menschen 4G. Laut einem Bericht von 5G Americas und Informa TechTarget's Omdia aus dem Dezember 2024 wird die 5G-Nutzung in Nordamerika im Jahr 2025 die 4G-Verbindungen übertreffen. In allen anderen Teilen der Welt wird 4G jedoch weiterhin die dominierende Option für die drahtlose Konnektivität bleiben.

Mobilfunknetzbetreiber (MNO) werden ihre 4G-Netzwerke weiterhin aufrechterhalten, um diejenigen zu versorgen, die diesen Standard nutzen. Diese Interoperabilität ermöglicht es den Betreibern, die digitale Kluft für Nutzer zu überbrücken, die noch mit älteren Netzwerkstandards arbeiten, während Telekommunikationsanbieter 5G-Netzwerke einführen und ihre Kunden auf den neuen Standard umsteigen.

Was ist 5G und wie funktioniert es?

5G ist die neueste Generation der Mobilfunktechnologie. Wie bei 4G und früheren Generationen nutzen 5G-Mobilfunkmasten Funkwellen, um Geräte mit der Netzwerkinfrastruktur zu verbinden und Daten zwischen ihnen zu übertragen. Was 5G jedoch von früheren Generationen unterscheidet, ist die breitere Nutzung von Hochfrequenzen, noch höhere Geschwindigkeiten, Network Slicing und andere Funktionen.

5G-Basisstationen nutzen fortschrittliche Technologien wie Network Slicing, OFDMA und Massive MIMO (Multiple Input, Multiple Output), um schnellere Verbindungen bereitzustellen und die Gesamtleistung des Netzwerks zu verbessern.

5G Standalone (5G SA) umfasst ein 5G-Funkzugangsnetz, einen 5G-Kern und 5G-kompatible Geräte. Dies ist die ultimative Form von 5G, die ihr volles Potenzial mit Network Slicing und extrem niedriger Latenz entfaltet. 5G Non-Standalone (NSA) nutzt die bestehende 4G-LTE-Infrastruktur und einen 4G-Kern, während Telekommunikationsanbieter ihre 5G-SA-Netzwerkinfrastruktur aufbauen. Dadurch können Telekommunikationsanbieter während der Fertigstellung ihrer Rollouts in einem Hybridmodus zwischen 5G NSA und 5G SA arbeiten.

Die 5G-NSA-Infrastruktur nutzt zwar den LTE-Standard, führt jedoch auch einen weiteren Standard namens 5G New Radio (5G NR) ein, der LTE langfristig ersetzen soll. 5G NR ist für 5G das, was LTE für 4G ist: der Standard für die Funkzugangstechnologie. Er verbessert die 5G-Konnektivität und ermöglicht schnellere Geschwindigkeiten, geringere Latenzzeiten, größere Kapazitäten und vieles mehr. 5G NR baut auf den besten Funktionen von LTE auf und bietet neue Vorteile.

Zu den Vorteilen von 5G gehören:

• Erhöhte Energieeinsparungen für vernetzte Geräte.
• Verbesserte Konnektivität.
• höhere Netzwerkgeschwindigkeiten.
• Echtzeit-Kommunikationsfunktionen.

5G kann auch im neuen Hochfrequenzspektrum der Millimeterwellen (mm-Welle oder mmWave) mit Frequenzen zwischen 30 GHz und 300 GHz betrieben werden. Zum Vergleich: Die Frequenzen von 4G LTE liegen unter 6 GHz. Für das mm-Wellen-Spektrum benötigt 5G jedoch neue Kleinzellen-Basisstationen, um zu funktionieren.

Die verbesserten Fähigkeiten von 5G ermöglichen es Betreibern, Konnektivität bereitzustellen, die drahtlose Netzwerkinfrastrukturen der nächsten Generation unterstützt.

Vergleich zwischen 4G und 5G

Die Hauptunterschiede zwischen 4G und 5G liegen in den verbesserten Funktionen von 5G. Latenz, Geschwindigkeit und Bandbreite zählen zu den wichtigsten Leistungsindikatoren eines jeden Netzwerks. Als neuester Mobilfunkstandard verbessert 5G diese Aspekte im Vergleich zu 4G um ein Vielfaches.

Die wichtigsten Unterschiede zwischen 4G und 5G sind:

• Latenz
• Mögliche Geschwindigkeiten
• Basisstationen
• OFDM-Codierung
• Zelldichte

Vergleich von Latenz, Geschwindigkeit und Bandbreite

Latenz

Der größte Unterschied zwischen 4G und 5G ist die Latenz. 4G erreicht in der Praxis Latenzzeiten zwischen 60 und 98 Millisekunden, auch wenn unter optimalen Bedingungen Werte ab etwa 20 ms möglich sind. 5G hingegen verspricht eine extrem niedrige Latenz unter 1 Millisekunde. Dieses Ziel soll vor allem im 5G-Standalone-Betrieb (5G SA) erreichbar sein. In der Praxis liegen die heutigen Werte aber meist zwischen 10 und 30 Millisekunden. laut Bundesnetzagentur sind in Deutschland 93,82 Prozent der Fläche mit 5G SA

Mögliche Geschwindigkeiten

Während 4G verschiedene VoIP-Funktionen einführte, geht 5G auf das Versprechen schnellerer potenzieller Download-Geschwindigkeiten ein und verbessert diese. Theoretisch sind bei 4G Geschwindigkeiten von bis zu ein GBit/s möglich, praktisch liegen die durchschnittlichen Download-Geschwindigkeiten jedoch bei etwa 20 bis 50 MBit/s. 5G verspricht Geschwindigkeiten von bis zu 10 GBit/s, praktisch liegen die durchschnittlichen Download-Geschwindigkeiten bei etwa 300 bis 500 MBit/s.

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 bereits 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(A)

OFDM teilt ein Funksignal in mehrere schmalere Frequenzkanäle auf. Diese werden auch Subträger genannt. Sie befinden sich innerhalb derselben Bandbreite. So werden Interferenzen vermieden. Da jeder Subträger einen Teil der Gesamtdaten übertragen kann, verbessert sich der Datendurchsatz und die Download-Geschwindigkeiten von 4G und 5G erhöhen sich. 4G LTE verwendet in der Regel Kanäle von 1,4 bis 20 MHz, während 5G bei Verwendung von mmWave-Technologie Kanäle von 100 bis 800 MHz nutzt.

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.

5G-Erwartungen versus Realität

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.

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 ein 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.

In Deutschland ist der Ausbau von 5G im Millimeterwellenbereich noch nicht weit fortgeschritten. Bis Anfang 2025 gab es durch die Bundesnetzagentur noch keine flächendeckende Versteigerung von mmWave-Frequenzen für den breiten Mobilfunkmarkt. Die Bundesnetzagentur teilt das Frequenzspektrum um 26 GHz in Deutschland an Interessenten zu, wobei eine Nutzung derzeit nur für lokale Anwendungen zulässig ist.