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Was ist 5G? Teil 1 - Evolution und die nächste Generation

Willkommen zu unserer Gesprächsreihe über 5G. 5G ist die Netzwerktechnologie der nächsten Generation und verspricht exponentiell höhere Bandbreiten und geringere Latenzzeiten, um die große Bandbreite an Verbraucher- und kommerziellen Anwendungen im Internet der Dinge (IoT) zu unterstützen. Für alle, die datenintensive Anwendungen entwickeln, ist es wichtig zu wissen, wann und wie 5G zum Einsatz kommen wird.

In diesem Beitrag interviewt Scott Nelson, Digi VP of Product, erneut Harald Remmert, Digi Director of Engineering. Das Thema "Was ist 5G?" entwickelte sich zu zwei verwandten Gesprächen. Dieser Beitrag, Teil 1, behandelt die Entwicklung der Netzwerkgenerationen bis hin zu 5G. Teil 2 behandelt die Einführung von 5G in Verbrauchermärkten und dem IoT.

Falls Sie es verpasst haben, sollten Sie sich den ersten Blog unserer 5G-Serie ansehen: "Venturing Into the Fog of 5G".

Was ist 5G und wie haben sich die "Gs" entwickelt?

Scott: In diesem Gespräch lassen wir vergangene und aktuelle Technologien Revue passieren, die dazu geführt haben, wo wir heute stehen und wohin sich der Markt mit 5G-Netzwerken bewegt. Mobilfunk Technologie entwickelt sich weiter und bewegt sich auf die vollständige Übernahme von 5G zu, aber das wird noch einige Zeit dauern, da der Netzwerkaufbau ein langwieriger, zeitraubender und teurer Prozess ist.

Bei Digi International entwickeln wir die unterstützenden Technologien für das kommerzielle IoT und das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT), das sich auf einer separaten Mission vom Konsumentenmarkt bewegt. In meinem Gespräch mit Harald geht es darum, wie 5G in diesen separaten Pfaden genutzt und weiterentwickelt werden kann.

Beginnen Sie am Anfang - Was war das erste "G"?

Scott: Also, Harald, heute stellen viele Leute die Frage: Was ist 5G? Lassen Sie uns über 5G im Kontext von G sprechen. Vielleicht könnten Sie am Anfang beginnen und uns den ganzen Weg zu 5G erklären, damit wir verstehen, was es ist.

Harald: Sicher. Also, es begann alles mit der ersten Generation, 1G. Das war in den 80er Jahren, mit analoger Technologie, und dann ging es weiter zu 2G, der ersten digitalen GSM-Technologie, auch CDMA, 1xRTT. Zwei konkurrierende Technologien also, die es in einigen Regionen der Welt immer noch gibt.

Scott: Können Sie Akronyme wie GSM und CDMA für die Leser buchstabieren?

Harald: Ja. GSM steht für Global System for Mobile, und CDMA steht für Code Division Multiple Access, das ist eine konkurrierende Mobilfunktechnologie.

Scott: AT&T ging zu GSM und Verizon zu CDMA, richtig?

Harald: Richtig, der größte Teil der Mobilfunk Welt ging zum GSM-Vierfachen. Verizon und Sprint gingen mit CDMA.

Scott: Und Qualcomm besaß CDMA, nicht wahr?

Harald: Das ist korrekt. Nicht zu verwechseln mit Wide CDMA oder WCDMA, das ist die Technologie, die dann später in 3G verwendet wurde, und die von so ziemlich allen Parteien gemeinsam genutzt wurde.

Scott: Alle Parteien? Also, wir waren bei 2G und dann...

Harald: Ja, 2G. Und anfangs waren 1G und 2G vor allem durch Handys getrieben. Also die Möglichkeit, über Telefone zu kommunizieren. 2G bot auch Datenkommunikation mit sehr niedrigen Geschwindigkeiten, aber das war damals eher etwas für Enthusiasten.

Scott: War Texting erst mit 2G möglich?

Harald: Das ist richtig, und dann auch noch sehr langsame Datenkommunikation mit 9600 Baud, also sehr, sehr geringe Geschwindigkeit.

Scott: Wir haben immer noch Kunden, die unsere ehemaligen 2G-Produkte nutzen, richtig? Und die müssen wegen der kommenden Netzabschaltungen umziehen?

Harald: Ja, und wir helfen ihnen beim Übergang von der 2G- und auch 3G-Technologie auf 4G LTE und darüber hinaus.

Scott: Auch wenn es nicht als solches gekennzeichnet ist, war 2G zu dieser Zeit tatsächlich eine IoT-Technologie?

Harald: Auf jeden Fall. Ich erinnere mich, dass Digi Mitte der 2000er Jahre einen der ersten Mobilfunk Router mit einem 2G-Modem auf den Markt brachte. Damals waren Modems super teuer und ziemlich groß. Seitdem sind die Kosten gesunken und auch die Größe ist deutlich geringer geworden.

Scott: Okay. Also, zurück zu 3G.

Harald: 3G wurde in erster Linie wieder von den Handsets getrieben und war wirklich die erste Technologie, die vernünftige Datengeschwindigkeiten hatte, bis in den Megabit/s-Bereich. Es begann mit etwa 1 Megabit, in der Spitze erreichte es bis zu 30 bis 40 Megabit/s. Das war ziemlich flott für eine Vielzahl von Anwendungen sowohl auf Smartphones als auch für das IoT-Ökosystem. Dann gab es eine Zwischenstufe zwischen 3G und 4G. Einige Netzbetreiber nannten es 3,5G, andere nannten es bereits 4G. Also, dieses 3.5G oder das anfängliche 4G Non-LTE war so ziemlich die höhere Geschwindigkeitsvariante der 3G-Technologie.

Scott: Wie 3G+?

Harald: Ja, 3G+. Das war HSPA, was für High Speed Packet Access steht. Es war die gleiche Technologie oder die gleiche Generation, aber mit einem kleinen Marketing-Twist.

Was ist eine Generation in der Netzwerktechnik?

Scott: Schalten wir einen Gang zurück und sprechen darüber, was eine Generation definiert, wenn wir über diese Technologien sprechen. Woher weiß man, wann man wirklich von einer Generation zur nächsten wechselt?

Harald: Die International Telecommunications Union (ITU) und ihre Partner definieren die Anforderungen und den Zeitplan für zukünftige Mobilkommunikationssysteme. Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) nimmt dann diese Anforderungen und schreibt Spezifikationen, die in einer Reihe von Releases gebündelt werden. Etwa jedes Jahrzehnt definiert die ITU eine neue Generation, um den technologischen Fortschritt zu reflektieren und die Anforderungen von Anwendungen und Industrie zu erfüllen.

Das erste 4G-LTE-Release, das die ITU-Anforderungen für IMT-Advanced-Mobilfunksysteme umsetzte, war zum Beispiel Release 8 (2008). Diesem Release folgten mehrere Releases, die auf dem ersten Release aufbauten und mehr Funktionalität boten. Das erste 5G-Release war Release 15 (2018), Release 16 ist für Anfang 2020 und Release 17 für 2021 geplant.

Scott: Mit anderen Worten, innerhalb einer Generation sind die mobilen Kommunikationssysteme kompatibel. Aber wenn die Generation wechselt, müssen Sie Ihre Hardware aufrüsten, richtig?

Harald: Korrekt.

Scott: CAT-M, das Teil von LTE ist, konnte also auf vorhandener LTE-Hardware eingesetzt werden?

Harald: Das ist korrekt. Es könnte mit einem Software-Update auf der bestehenden LTE-Infrastruktur eingesetzt werden.

Scott: Okay. 5G wird also eindeutig neue Hardware erfordern. Vielleicht ist das der richtige Weg, darüber nachzudenken. Bei jeder Generation müssen die Netzbetreiber rausgehen und alle ihre Türme anfassen, um neue Hardware einzubauen.

Harald: Ja, das ist richtig.

Scott: Und wir können sagen, dass wir alle paar Veröffentlichungen dazu neigen, an diesen Punkt zu kommen?

Harald: Ja, das ist richtig. Ich denke gerne in Generationensyndikaten. Wenn man also darüber nachdenkt, wird 5G, mehr oder weniger, im Jahr 2020 wirklich anlaufen, richtig? 4G kam 2010 auf den Markt, und davor kam 3G in den 2000er Jahren auf den Markt. Dann können Sie zurückzählen.

Scott: Das ist interessant. Also ist jede Generation auch ungefähr ein Jahrzehnt...

Harald: Ja, ungefähr ein Jahrzehnt.

Scott: Das ist interessant zu wissen, denn viele Leute wurden von der 2G-3G-Abschaltung überrascht, und die Technologie, mit der sie derzeit arbeiten, ist effektiv 20 Jahre alt. Und so haben sie Produkte, die so lange leben.

Harald: Also jedes Jahrzehnt haben wir eine neue Generation, richtig? Und die vorherigen Generationen überschneiden sich bis zu einem gewissen Grad damit. Oftmals wird der Wechsel zur neuen Generation von den Betreibern vorangetrieben, um das Spektrum wiederzuverwenden, neu zu nutzen. Die neuen Generationen haben eine höhere spektrale Effizienz, was bedeutet, dass man Daten schneller und effektiver über das Netzwerk übertragen kann. Und da immer mehr Geräte online gehen und die Nutzer sowohl bei Consumer-Telefonen als auch auf der IoT-Seite schnellere Geschwindigkeiten benötigen, haben die Betreiber keine andere Wahl, als zusätzliches Spektrum zu finden, oder sie müssen eine Technologie grundsätzlich abschalten, um das Spektrum dieser Technologie wiederzuverwenden.

Über die LTE-Technologie, die Katzen und NB-IoT

Scott: Kommen wir zurück zur Evolution und sprechen wir über 4G. Für einen Puristen wie Sie ist echtes 4G LTE, richtig?

Harald: LTE steht für Long-Term Evolution, und das ist wirklich eine Evolution. Die ersten LTE-Geräte waren der Kategorie (CAT) 3 zugeordnet, was bedeutet, dass das Gerät bis zu 100 Megabit pro Sekunde im Downlink und 50 Megabit/s im Uplink übertragen kann. Das war wirklich die erste weit verbreitete LTE-Kategorie. Und seitdem hatten wir einige andere Marketing-Begriffe, um das Ganze ein wenig zu vereinfachen. LTE-Advanced ist CAT 6 und höher, LTE-Advanced Pro ist CAT 11 oder 12 und höher, und dann gibt es noch 5G.

Scott: LTE enthält eigentlich die CAT-1-, CAT-M- und NB-IoT-Versionen, richtig?

Harald: Das ist richtig, ja. Interessanterweise wurde CAT-1 auch schon sehr früh definiert. Das war also innerhalb von 3GPP Release 8, wurde aber erst viel später eingesetzt, weil der anfängliche Hauptanwendungsfall für LTE immer noch Telefone waren. Aber später stellte das Ökosystem fest, dass wir ein günstigeres Funkgerät brauchen. Und für einige Anwendungen, die früher gut mit 2G- oder sogar 3G-Geschwindigkeiten funktionierten, waren 100 Megabit zu viel. Wir mussten also einen Weg finden, eine kostengünstigere Lösung anzubieten, die eine breitere Palette von Produkten anspricht. Und an diesem Punkt teilten sich die Technologierollen in einen Hochgeschwindigkeits- und einen Low-End-Pfad. CAT1 war der erste, und in späteren Versionen folgten CAT-M und NB-IoT.

Scott: Und diese Netzwerke, die wir bei Digi als IoT- oder End-to-End-Netzwerke bezeichnen, zeichnen sich durch viel niedrigere Datenraten und viel weniger Strom aus, so dass sie für Maschinen geeignet sind, die nicht viel zu sagen haben, und dann sind sie vom Standpunkt der Stromversorgung und des Managements einfacher.

Harald: Ja. Und Leistung speziell auf die Batterielebensdauer. Das sind also Geräte, die batteriebetrieben sein können und über einen längeren Zeitraum, also Jahre, laufen.

Was ist 5G? Und wie wird es eingesetzt?

Scott: Okay, und jetzt bringen Sie uns nach Hause. Was ist 5G? 5G ist also die nächste Generation. Was ist daran neu? Was ist es?

Harald: Es ist die nächste Generation. Frühere Generationen konzentrierten sich zunächst auf die Geschwindigkeit, also 2G, 3G, 4G LTE, und dann begann auch innerhalb von LTE eine Diversifizierung, um eine große Anzahl von Geräten für das IoT zu unterstützen. Jetzt ist 5G die fünfte Generation und fügt eine weitere Dimension hinzu, nämlich niedrigere Latenzzeiten. Es erweitert also die anderen Dimensionen um höhere Geschwindigkeiten und eine größere Anzahl von Geräten, aber es erweitert auch eine weitere Dimension, nämlich eine geringere Latenz. Und diese Latenz ist wirklich der Schlüssel für neue Anwendungen rund um AR/VR, damit Sie Ihre Brille aufsetzen können.

Scott: AR ist Augmented Reality und VR ist Virtual Reality.

Harald: Ja. Und niedrigere Latenzzeiten für Fahrzeuganwendungen werden entscheidend sein, zum Beispiel bei autonomen Fahrzeugen, die untereinander und mit der Infrastruktur kommunizieren. Die Verringerung der Latenzzeit hilft also bei diesen Kommunikationsanforderungen, oder? Andernfalls passiert bei einer Reihe von Fahrzeugen alles mit einer Latenzzeit von 20, 30 Millisekunden, richtig? Wenn man dann beim zehnten Auto ist, hat man eine sehr lange Latenzzeit.

Scott: Ja, Sie haben Unfälle.

Harald: Und Sie haben Unfälle, genau. Auch für IoT, also für industrielles IoT, ist das wirklich interessant, weil man jetzt eine Kommunikationsinfrastruktur drahtlos haben kann, die man für die industrielle Automatisierung nutzen kann. Die industrielle Automatisierung ist sehr zeitkritisch.

Scott: Was ist ein gutes Beispiel für eine industrielle IoT-Anwendung für 5G.

Harald: Sie könnten zum Beispiel ein Signal senden, wenn ein Motor oder ein Förderband anhalten muss, richtig? Das muss im Sekundenbruchteil und manchmal sogar im einstelligen Millisekundenbereich geschehen, und 5G wird das leisten können. Mit 5G gibt es eine neue Infrastruktur, d. h. es werden neue Netzwerkkerne parallel zum 4G-Kern gebaut. In einigen Fällen werden neue Antennen an denselben Standorten aufgestellt, in vielen Fällen gibt es neue Antennenstandorte.

Scott: Soweit ich weiß, wird 5G viel dichter verteilt sein?

Harald: Das ist richtig. Für die Netzbetreiber ist es eigentlich eine interessante Umstellung. Zunächst konzentrieren sie sich auf den Ausbau des 4G-Netzes und die Bereitstellung der Netzabdeckung. Irgendwann schalten sie dann einen Gang zurück und arbeiten an der Verdichtung des 4G-LTE-Netzes, das sie dann auch nutzen. Als sie sahen, dass 5G kommen würde, haben sie einige Vorwärtsinvestitionen getätigt, um auch 5G-fähige Technologie einzusetzen, damit sie diese nutzen und leichter einen Schalter umlegen können, um sie zu aktivieren.

Scott: Ich habe gehört, Harald, 50 Meter im Quadrat. Ich hatte schon Knoten in einem 50-Meter-Raster. Ist es wirklich so dicht oder ist das nur in bestimmten Situationen so? Wenn Sie an die Dichte denken, was stellen Sie sich vor?

Harald: Also, bei den heutigen Mobilfunk Netzwerken handelt es sich eigentlich um eine Überlagerung von Netzwerken. Sie haben Ihre Makrozellen in Ihren Makronetzen. Das sind diejenigen, die mit einer sehr niedrigen Frequenz arbeiten und einen großen Bereich abdecken. Dort haben Sie vielleicht alle paar Kilometer einen Mobilfunkturm, richtig? Dann gibt es die kleinen Zellen, von denen es verschiedene Varianten gibt, aber lassen Sie uns Small Cell als Oberbegriff verwenden. Diese decken einen viel kleineren Bereich ab, und sie können bis zu einem Radius von 50 Metern im Quadrat sein.

Nun, diese kleinen Zellen arbeiten typischerweise mit höheren Frequenzen, und das ist auch ein Hauptunterschied zwischen 4G LTE und 5G. 4G LTE wurde typischerweise in den sogenannten Low-Bands-Frequenzen zwischen 1 und 2 GHz oder sogar unter 1 GHz und 2 GHz betrieben. Diese Frequenzen durchdringen also sehr gut Wände, richtig? Sie erreichen. Aber es ist ein sehr stark genutztes Spektrum.

Was jetzt bei Small Cells immer beliebter wird, ist das Mid-Band. Das ist der Frequenzbereich von 2 GHz bis hin zu 6 GHz, und dieser ganze Bereich von unter 1 GHz bis 6 GHz wird auch als Sub-6 bezeichnet. Wenn Sie also Begriffe in 5G hören, sprechen sie von Sub-6 und vielleicht auch von Millimeterwelle (mmWave).

5G mmWave nutzt Frequenzen im 24-, 28- und 39-GHz-Spektrum, also sehr, sehr hohe Frequenzen. Und je höher die Frequenz, desto kürzer die Entfernung, die eine Funkwelle erreichen kann. Da hört man dann zum Beispiel von einer kleinen Zelle oder einem Funkgerät an jedem Lichtmast.

Scott: Ich habe in einem Ihrer letzten Artikel gelesen, dass einer der Effekte dieser Dichte die Zuverlässigkeit sein wird, und dass die Zuverlässigkeit um zwei oder drei Größenordnungen steigen wird. Gibt es mehr als nur die Dichte? Im Grunde kann man an viele Türme gleichzeitig angeschlossen sein. Was schafft noch Zuverlässigkeit?

Harald: Nun, ein Teil der Dichte ist natürlich, dass man einen Mobilfunkmast in Reichweite haben muss, um überhaupt verbunden zu werden.

Scott: Sie können also zu jedem Zeitpunkt mehrere Türme sehen?

Harald: Ganz genau. Wenn man zwischen den Türmen wechselt, geht das ziemlich nahtlos, aber es kann immer noch eine kleine Übergangszeit geben, oder? Was also wirklich der Zuverlässigkeit hilft, ist eine Funktion namens Coordinated Multipoint (CoMP).

Scott: Okay.

Harald: In der Vergangenheit hat jeder Mobilfunkmast im Grunde genommen unabhängig gearbeitet, und es gab keine funkseitige Kommunikation zwischen ihnen. Und so konnte das Funkgerät immer nur mit einem Mobilfunkmast verbunden sein. Mit Coordinated Multipoint gibt es eine Koordination zwischen diesen und man hat das Funkgerät tatsächlich mit mehreren Türmen verbunden. Wenn Sie also plötzlich in einen Tunnel oder in ein Hochhaus einfahren und in diesen Bereich kommen, kann, wenn der eine Funkmast plötzlich verschwindet, der andere Funkmast die Verbindung sofort aufnehmen, so dass es keine Latenz gibt.

Scott: Für jeden, der schon einmal durch Wisconsin gefahren ist, heißen diese Übergaben Tower Handoffs und sie passieren oft nicht, richtig?

Harald: Richtig, und dann haben Sie einen Tropfen.

Scott: Okay. Mit 5G können wir also niedrigere Latenzzeiten, höhere Zuverlässigkeit, höhere Bandbreite und höhere Frequenzen erwarten. Lassen Sie mich auf etwas zurückkommen, das ich für interessant halte. Ich bin Physiker, also liebe ich das Wort "Spektrum". Richtig? Sie benutzen das Wort "Spektrum" sehr oft und dann sprechen wir über Frequenzen, 6 Gigahertz, sub-6 und über 6. Die Art und Weise, wie ich über Spektrum denke, ist ein bisschen wie bei Fernsehsendern. Wenn also das NBC-Netzwerk nur blaues Licht und das CBS-Netzwerk nur rotes Licht und das ABC-Netzwerk nur grünes Licht hätte, könnten sie nur in diesem Teil des Spektrums senden. Das hilft bei der Visualisierung des Spektrums. Ich muss mir das gesamte Radiospektrum in einem Histogramm vorstellen, und dann nehme ich Teile davon. Und Sie kaufen buchstäblich einen Brocken, richtig?

Harald: Das ist korrekt, ja.

Scott: Also, erklären Sie mir, wie das funktioniert. Das 3GPP sagt: "Hier ist der Teil des Spektrums, der diese Version unterstützen wird", und in diesem Fall ist es von Sub-6 bis 39, sagten Sie, oder 29?

Harald: Neununddreißig.

Scott: Neununddreißig Gigahertz. Ich meine, sie versteigern es, man hört davon, dass sie das Spektrum versteigern. Also, wie kaufen die Betreiber ihre verschiedenen Spektrumsteile?

Harald: Eine sehr gute Frage. Es ist eine globale Frage, richtig? Die ITU veranstaltet alle vier Jahre die World Radio Conference (WRC) und sie schauen sich alle Frequenzen weltweit an und entscheiden, welche Frequenzen zur Verfügung gestellt werden sollen. Und dann definieren sie übrigens auch, wie zukünftige Generationen aussehen sollen. Sie sind also eher die Visionäre, während das 3GPP eher die Exekutive dafür ist. Sie sagen also: "Oh, okay, wir brauchen so viele Knoten pro Quadratkilometer, wir brauchen diese Geschwindigkeiten und so weiter, richtig?

Scott: Sie finden das alles heraus.

Harald: Ja. Und sie sprechen über das Spektrum mehr in Allgemeinheiten. Sie sagen: "Okay, es gibt, sagen wir mal, 24 GHz, richtig? Und dann verteilen sie das an die Instanzen wie die FCC in den USA, und dann arbeitet die FCC mit der Regierung zusammen, um das zu versteigern. Ein Mobilfunkbetreiber kann also entweder das gesamte Spektrum oder bestimmte Teile des Spektrums ersteigern, und wenn er den Zuschlag erhält, geht es um Milliarden von Dollar und das Spektrum ist für Jahrzehnte gültig. Sie besitzen das Spektrum und können es für ihren Dienst nutzen.

Scott: Und niemand sonst kann das?

Harald: Und niemand sonst kann das. Und das nennt man auch Lizenzspektrum.

Scott: Lizenzspektrum? Das ist ein guter Punkt. Dann könnten sie also vermutlich 5,95 Gigahertz an Verizon und 6,05 Gigahertz an irgendeinen Bereich verkaufen. Sie sind also in der Nachbarschaft, aber sie haben sehr spezifische Frequenzen, auf denen sie arbeiten?

Harald: Ganz genau.

Scott: Ich danke Ihnen für all diese Einblicke. Ich genieße unsere Unterhaltungen immer. Als Nächstes setzen wir unsere Serie fort und sprechen über den aktuellen Stand des 5G-Netzausbaus und die zu erwartenden Zeitpläne für die 5G-Einführung.

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