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VolleBeschleunigungmit5G!Die5.GenerationdesMobilfunksalsGrundlageder„Gigabit-Gesellschaft“

Warvorgut100Jahren„Elektrifizierung“desEnergieeinsatzesdasSynonymfürFortschritt,so ist es heute in Politik undWirtschaftwie einMantra die „Digitalisierung“ der Informa-tions- und Kommunikationstechniken auf demWeg zur „Gigabit-Gesellschaft“: „Alles,wasdigitalisiertwerdenkann,wirddigitalisiert–undvernetzt.“[1]

Mit5Gimmerdabei:„DasNetz“

Mit„Vernetzung“istdabeilängstkeinKnäuelausKupferleitungenmehrgemeint,sondernschnellsteGlasfasertechnikunddienahtloseEinbeziehungvonnahezuüberallverfügbarenFunksystemen,ins-besonderedesindenletzten25JahrenrasantgewachsenenMobilfunks.Mitdernunbaldanstehen-denEinführungder5.Generation(5G)erfährtderMobilfunkeinenBedeutungswandel,wieernochvorwenigenJahrenunvorstellbarschien.DieTrennungzwischenMobilfunkundFestnetzwirdquasiaufgehoben, und es wird nur noch das eine, nahezu allgegenwärtige „Netz“ geben. Das Land derunbegrenztenMöglichkeiten– impositivenwie imnegativenSinne– istnichtmehrAmerika, son-derndaswird„dasNetz“sein.

5G:EinevölligneueQualitätvonFunksystemen

DerMobilfunkwarursprünglichmitdemZielangetreten,TelefonateundspäterauchdenInternet-zugriffabseitsvonFestnetzanschlüssen,unterwegsundmobilzuermöglichen.MitderzunehmendenVerbreitungwurdenauchmehrundmehrdieFestnetzanschlüssevondenHandysundSmartphoneszunächst ergänzt und dann immermehr abgelöst. Benutzt werden Handys und Smartphones vonmenschlichenWesen/Personen/Usern/Teilnehmern.

Mit5GwirdsichdiesesSzenariomassivändern:NebenderMensch-zu-Mensch-Kommunikationwirdder Anteil vonMensch-Maschine- undMaschine-Maschine-Kommunikation rasant steigen. Es gehtauch gar nicht mehr um „Mobilfunk“ im ursprünglichen Sinne, sondern um das drahtlose „Netz“schlechthin, das mit unbegrenzt erscheinender Kapazität und schier unbegrenzten Möglichkeitenüberall–egal,ob innerhalboderaußerhalbvonGebäuden– fürDatenübertragungenallerArtzurVerfügungsteht,sowiewiresganzselbstverständlichvonderLuftzumAtmengewohntsind.

DieAhnenkettedesMobilfunks

Die1.Generation–AnalogeTechnik

Das A- und B-Netz, die zur ersten Generation derMobilfunksysteme zählen, wurden in den 60er,70erund80erJahrendesvorigenJahrhundertsaufgebautundbetrieben.Sietrugendamalsbezeich-nenderweisedenNamen„Autotelefon“,unddie imKfzeingebautenGerätewarenweitdavonent-fernt,hinsichtlichGröße,GewichtundStromverbrauchmiteinemHandyoderSmartphonederzwei-ten,drittenodergarviertenMobilfunkgenerationmithaltenzukönnen,ganzzuschweigenvomPreisderGeräteunddenKostendesTelefonierens– „flat rate“wardamalseinunbekanntesWort.DasAutotelefon war daher imWesentlichen einer Elite von besonders bedeutenden und/oder betuchtenGeschäftsleutenzurberuflichenNutzungvorbehaltenunddasGegenteilvoneinemMassenmediumwiedemheutigenMobilfunk.DieTechnikwar–dendamaligenMöglichkeitenentsprechend–reinanalog.

MitderEinführungdesC-Netzeserfolgteab1984einersterSchritt inRichtungDigitalisierung:DieSprachübertragungwarzwarimmernochanalog,aberdieSteuerungsdatendesSystemswurdenindigitalerFormübertragen.DasC-NetzerreichteaucherstmalseinenahezuvollständigeVersorgunginderFlächeundaufgrundeinerdrastischenPreissenkungeinegrößereTeilnehmerzahlinderBevöl-kerung (etwaeineMillionbeieiner Infrastrukturvonca.2.000Basisstationen)–nicht zuletztauchdeshalb,weilmanbeidenMobilteilenaufgrundfortschreitenderMiniaturisierungnunerstmalsvoneinfachzutransportierenden„Handys“redenkonnte.

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Abb.2: LogosderdigitalenMobilfunk-Generationen

GSM,die2.Generation–Abjetztvolldigital

InzwischenwardurchdieEntwicklungkomplettdigitalerTechnik–inklusivederSprachübertragung–einMobilfunksystementstandenundwurdeab1992amMarkteingeführt,dashinsichtlichKomfort,LeistungsfähigkeitundKostendasalteanalogeSystembinnenkurzerZeitüberflügelte:GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)wardasMobilfunksystemder2.Generation(2G)–inDeutsch-landeherbekanntalsD-Netz(GSM900)undE-Netz(GSM1800)–,mitdemdieMassennutzungdesMobilfunks den großen Durchbruch erreichte – begleitet vom Aufbau von schätzungsweise rund45.000Basisstationen,diefüreinenflächendeckendenBetrieberforderlichwaren.DieSignalcharak-teristikbeiGSM ist geprägtdurchdasZugriffsverfahrenTDMA (TimeDivisionMultipleAccess),beidemsichbiszuachtTeilnehmereineFrequenzteilenunddaszueinerperiodischenPulsungdesSig-nalsführt.

UMTS,die3.Generation–HighSpeedDatenübertragung

BaldschonwurdedasTelefonierenzur„Nebennutzung“desHandys:SMS,Spiele,EmpfangundVer-sandvonBildernundDaten,Internetzugriffusw.erfordertenimmerhöhereÜbertragungsratenundNetzkapazitäten.Ausden„Handys“mit vergleichsweise rechtgeringerFunktionalitätwurdenkom-fortable „Smartphones“ mit vielen neuen Funktionen – der Durchbruch kam mit Apple‘s erstemiPhone.

AlsMobilfunksystemder 3. Generation (3G) trat – nach langenAnlaufschwierigkeiten – nach derlegendärenFrequenzauktion2000UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem)indenheißumkämpften und mittlerweile zu einem bedeutsamen Wirtschaftsfaktor angewachsenen Mobil-funkmarktein,derauchimSozialverhaltenderBevölkerungundhierinsbesonderebeidenJugendli-chendeutlicheSpurenhinterlassenhat.MitUMTSerreichtedieDurchdringungderdeutschenBevöl-kerungmitMobilfunkstatistischbetrachteterstmalsmehrals100Prozent!DieFunkübertragungbeiUMTS erfolgtmit dem ZugriffsverfahrenW-CDMA (Wideband CodeDivisionMultiple Access) nachvöllig anderenPrinzipien als beiGSM;dementsprechend ist die Signalcharakteristik auch völlig an-ders.Detailshierzusiehe[2].

Baldwarauchschondas„normale“UMTSzulangsam;daherwurdenzurBeschleunigungderDaten-ratendie„HighSpeed“-VariantenHSPA/HSPA+(HighSpeedPacketAccess)entwickeltundinnerhalbkurzerZeiteingeführt.

LTE,die4.Generation

UndwiederertöntderRufnachnochschnellerenSystemenfürdievonderdeutschenRegierungimEU-KonsensvorangetriebeneBreitbandversorgungderBevölkerungauchaußerhalbderBallungsge-biete.DieAntwortderIndustrieistLTE(LongTermEvolution),fürdasdieFrequenzeninDeutschlandim Jahr 2010 versteigertwurdenunddas alsMobilfunksystemder 4.Generation (4G) vermarktet

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wird.UndwiederwirdmitOFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess)eineneueFunk-technikmiteinerneuenSignalcharakteristikeingesetzt(s.[2]).

BeiderZuordnungvonLTEzueinerMobilfunkgenerationgibtesjedochscheinbareWidersprüche,daeszumeistschonder4.undmanchmalnochder3.Mobilfunkgenerationzugeordnetwird.Diesliegtjedochnurdaran,dassMarketingstrategengernebereitsetwaspropagieren,dasdieTechniknochnichtwirklicherfüllenkann.LTEgehörtwieUMTSundHSPA/HSPA+nochzurdrittenMobilfunkgene-rationgemäßdentechnischenLeistungsmerkmalen,welchedieITU(InternationalTelecommunicationUnion)festgelegthat.

Im LTE-Standard reichen u.a. die Spektraleffizienz und Kanalbandbreitennutzung nicht aus, umdieAnforderungen fürden4GStandardder ITUzuerfüllen. LTE istdemzufolgemaximalals3.8Goder3.9Geinzustufen,wirdunterMarketinggesichtspunkten aber trotzdem i.d.R. als 4Gbezeichnet, daderpotentielleKundehiermithöhereDatenratenund leistungsfähigereTechnikverbindet.Erstbeider LTE-Ausbaustufe „LTE-Advanced“ handelt es sich um eine „echte“ 4G-Technologie,welche dieAnforderungenderITUandieseMobilfunkgenerationvollerfüllt.

Mitzunehmender„Zahl“derGenerationensteigendieÜbertragungsgeschwindigkeit,DatenrateundNetzkapazität.DiesedreiGrößen sind aucheinwesentlicherMotor für die bisher erfolgteund zu-künftigeWeiterentwicklungneuerGenerationen.ZurErreichungdieserZielewurdenentsprechenddieBandbreitenimmergrößer:Von200kHzbeiGSMüber3,84MHzbeiUMTSzu5,10oder20MHzbeiLTE(Abb.3).UndLTEeröffnetschondieMöglichkeit,mehrereKanäleparallelzubündeln,umaufGesamtbandbreitenvon40MHz,60MHzodernochhöherzukommen.

Abb.3: BandbreitenderMobilfunksysteme2Gbis4G

AusführlicheBeschreibungendereinzelnenSignalcharakteristikensindunter[2]zufinden.

5G:VonderPolitikgewollt

DieumfassendeDigitalisierungund in ihremZugedieBreiteneinführungvon5Gsind inersterLiniepolitischgewolltundalshohesZielausgerufen.

SohatdasBundesministeriumfürVerkehrunddigitaleInfrastrukturBMVIimRahmenderInitiative„Netzallianz Digitales Deutschland“ bereits im Kursbuch „Netzausbau 2016“ verlautbart, dassDeutschlandbeiderEntwicklung zurGigabitgesellschaftvorderHerausforderung steht,diehierfürnotwendigenInfrastrukturenzuschaffen:

„DiezunehmendeVernetzungvonleitungsgebundenenundmobilenAnwendungenstelltstetigerhöh-teAnforderungenandiebedarfsgerechteBereitstellungvonFrequenzendar.EinebesondereHeraus-forderungbildethierdieWeiterentwicklungzu5G.“([3],zitiertin[4])

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Und das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi hat in seiner „Digitalen Strategie2025“dasZielausgegeben:

„eine zukunftsfähige digitale Infrastruktur [zu] schaffen, die der dreifachenAnforderung von hoherKapazität,breiterVerfügbarkeitundgeringerLatenzgenügt.“([5],zitiertin[4])

UnddieBundesnetzagentur(BNetzA)stelltfest:

„Deutschland sollWeltspitze bei der digitalen Infrastruktur und Leitmarkt für 5Gwerden.Die neueMobilfunkgeneration 5G soll die Entwicklung innovativer Dienste und Anwendungen (Industrie 4.0,automatisiertes Fahren, Internet der Dinge) fördern. Dafür werden Frequenzen frühzeitig und be-darfsgerechtbereitgestellt,damitDeutschlandbeidiesemTechnologiesprungvoranschreitet.“[6]

TechnischeZielevon5G

Ausdemo.g.politischenWillenergebensichdiefolgendentechnischenZielsetzungenfür5G:- HöchsteDatenratenund -kapazitäten fürhoheDatenvoluminaundextremgroßeTeilneh-

merzahlenbeiIoT(InternetofThings)undSmartX-Anwendungen,- Niedrigste Latenzzeiten für die schnelle Reaktion von Regelsystemen (Autonomes Fahren,

IndustrielleProduktionsprozesse,ferngesteuertesOperiereninderMedizin),- Quasiüberallverfügbar.

Latenzzeit istdietechnischbedingteVerzögerung,biseineDatenübertragungnachihrerAnfor-derungbeginnt.ImRahmenvon5GwerdenLatenzzeitenvondeutlichunter10ms(Millisekun-den)angestrebt,möglichstsogarum1ms.

Abb.4: TechnischeZielevon5G

Dieo.g.Zielesindteilweisewidersprüchlich:„DazumussmanimHinterkopfhaben,dass5Gnichtgleich5Gist.Vielmehristdas,wasunterdemSchlagwort5Gzusammengefasstwird,eineSamm-lungverschiedenerMobilfunktechniken–jeweilsfürdenrichtigenEinsatzzweckkonfiguriert.SieunterscheidensichhinsichtlichdergenutztenFrequenzen,dermöglichenBandbreiteundnatür-lichhinsichtlichderunterstütztenLatenz.“[7]

WichtigfürdieErreichungderjeweiligenZieleistauchdieGestaltungdesIT-Umfeldes,wiezen-traleoderlokaleCloud-LösungenundEDGE-Computing.

ZumBeispiel:DieVisiondes5G-AusrüstersHuawei

„5G-MobilfunkistbereitundwirddieWirtschaftverändern5GistgebrauchsfertigundwirdtiefgreifendeVeränderungenverursachen.AberesgibtnochHemm-nisse,gegendieRegierungenetwastunmüssen,meintHuaweisRotatingCEOKenHu.

5G-MobilfunkistaufdemWeg,dasstellteKenHu,RotatingChairmanvonHuawei,inseinerKeynote-RedezurEröffnungdesGlobalMobileBroadbandForums(20.bis21.November2018)inLondonklar.

HöchsteDatenratenund-kapazitätenfürhoheDatenvolumina

undgroßeTeilnehmerzahlen(IoT)

ÜberallverfügbarNiedrigsteLatenzzeitenfürschnelleReaktionvonRegelsystemen

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‚AusallenBlickwinkeln ist5Gbereit‘, sagteer. ‚Es istgebrauchsfertig,erschwinglichundvorallem,dieNachfrageistreal.NatürlichgibtesimmernocheinigeHindernissefürdenEinsatzvon5G.‘

Huaweihabebereitsüber10.0005G-Basisstationenausgeliefert.„5GwirdeinetechnologischeRevo-lutionstarten“,meintHu.Undweiter: ‚EswirdallenIKT-TechnologienneueKraftverleihenundtief-greifendeVeränderungeninderWirtschaftauslösen.EswirdneueMöglichkeitengeben,wiewirsienochniegesehenhaben.‘

KenHuprognostiziertfünfgrundlegendenÄnderungen,die5Gbringenwird:

1. 5GwirddieKonnektivitätineinePlattformverwandeln.5Gerlaubtallgegenwärtige,nahtloseundunbegrenzteKonnektivitätfüralleMenschenundalleDinge.

2. Alleswird onlinegehen. ImMoment sinddiemeistenDinge standardmäßigoffline, unddiemeisten elektronischen Geräte sind nicht verbunden.Mit 5Gwird online und verbunden zuseinzumStandardfüralles.

3. DieWeltwirdindieCloudgehen.Diemit5GaufgeladeneCloudbieteteineenormeRechen-leistung mit blitzschnellen Übertragungsgeschwindigkeiten und nahezu Null Verzögerung.DamitistIntelligenzaufAbruf(IntelligenceonDemand)fürjedenundüberallverfügbar.

4. Gerätewerdenneudefiniert.MitKI-UnterstützungfürGeräte,NetzwerkunddieCloudwerdenGerätevonPlugandPlayzuPlugandThinkübergehen.SiewerdenBenutzerbesserverstehenundinderLagesein,unsereBedürfnisseaktivvorherzusagen,nichtnurpassiv.SiewerdenaufBefehlereagierenundmitunsaufnatürlichereWeiseinteragieren.

5. DasErlebniswirdnahtlosverlaufen.BeibestehendenNetzwerkenistunsereOnline-ErfahrungvoneinemSzenariozumanderenfragmentiert.WennalleDingeonlineundCloud-basiertsind,fließenErlebnisundInhaltenahtlosdurchZeit,RaumundGeräte–füreinwirklichganzheitli-chesErlebnisüberalleSzenarienhinweg.

KenHugingauchaufdieHerausforderungenbeiderFrequenzzuweisungundderStandortbereitstel-lung ein. Insbesondere denMobilfunkbetreibern fehlten die Ressourcen für das Spektrum. Um dieBereitstellung zubeschleunigen, empfahl erdenRegierungen,denProzessderHarmonisierungundFreigabekontinuierlicherBändermitgroßem5G-SpektrumundzuGesamtkostenvonwenigerals4Gzubeschleunigen.‚InderZwischenzeit‘,wieserdieMobilfunkbetreiberimPublikumdaraufhin,‚kön-nenundwerdennebendemC-BandauchalleBänderfür5Ggenutztwerden,einschließlich2,3GHzund2,6GHz-Bänder.‘

‚WasdieStandortebetrifft,soistdieBereitstellungvonNetzwerkeneinteuresGeschäft‘,fuhrerfort.‚WirermutigendieRegierungen,mehröffentlicheRessourcenfürdenEinsatzvorOrtbereitzustellen.Gemeinsame Versorgungsinfrastrukturenwie Dächer und Lichtmasten können den Carriern helfen,KostenundZeitzusparenundsogarneueEinnahmequellenfürStadtwerkezuerschließen.‘“[8]

ZielerreichungmitneuenFrequenzen

HöhereDatenratenlassensichdurchgrößereBandbreitenerreichen.ImFrequenzbereichunter3GHzist aber bereits seit Langen kaumnoch Platz. Alsomussman auf Frequenzen oberhalb von 3GHzausweichen.Außerdemsteigtbei gleicherprozentualerBandbreitemit zunehmenderFrequenzdieabsoluteBandbreite:10%von1GHzsind100MHz;10%von20GHzdagegenschon2GHz.

Mit zunehmender Frequenz nimmt aber die Streckendämpfung der elektromagnetischen Welleebenfalls zuunddieDurchdringungsfähigkeit vonMaterie (z.B.Gebäudehüllen) verschlechtert sicherheblich. Bei höheren Frequenzen sinkt demnach die überbrückbare Distanz, und die Zellradienwerdenkleiner.Damit rückendieBasisstationennäherandieTeilnehmerheran.GleichzeitigsteigtmitkleinerenZellendieverfügbareKapazität inderFläche.Für5GwerdenZellradien inderGrößen-ordnungvon100modergarnur50mdiskutiert,d.h.alle50bis100mmusseineBasisstationinstalliertwerden.

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Gleichesgilt fürdasZielderkurzenLatenzzeiten.ElektromagnetischeWellenhabenzwareinesehrhohe, aber doch endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von 300.000 km/s. Für kurze LatenzzeitenmüssendemnachdieEntfernungenkleinsein.

Dieo.g.Effekte führendazu,dassmit5GdieBasisstationennebendenerhöhtenMast-undDach-standorteninerheblichemUmfangals„SmallCells“indieStraßenundvordieHäuserwandernwer-den,sowiemanesbisherbeimMobilfunk2Gbis4GvonMikro-undNanozellenherkennt(Abb.5),dieinGebietenmitextremhohemKapazitätsbedarfaufgebautwerden,wiez.B. inFußgängerzonenvonGroßstädten,Messehallen und Fußballstadien. Statt aufMasten,Gebäudenund Fabrikschorn-steinenwerdendie großenMengen von5G-Basisstationenüberwiegendauf Laternenpfählen,Am-peln,LitfaßsäulenundinwenigenMeternHöheanHauswändeninstalliert,außerdemvermehrtaufStromkästen und insbesondere in Kabelverzweigern (auch als Fernmelde-Multifunktionsgehäusebezeichnet,Abb.6).DieseMultifunktionsgehäuse,die imZugederUmstellungdes„Telefonnetzes“aufIP/VDSLingroßenStückzahleninstalliertwurdenundnochweiterhininstalliertwerden,sindbeidenNetzbetreibernbesondersbeliebt,weilhier sowohldie230V-Energieversorgungvorhanden istalsauchdieDatenanbindungandasGlasfasernetz.

Abb.5: MikrozellemitLTE-Mobilfunk(Hotspot)inderFußgängerzoneMönchengladbach

Abb.6: Multifunktionsgehäuse (Outdoorgehäuse) von Berthold Sichert aus Berlin-Marienfelde,

fixundfertigvorbereitetfürdenEinbauvonMikrozellen[9]

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BeiBasisstationenaufoder inMultifunktionsgehäusenu.ä. ist abernichtmehr gewährleistet, dassPersoneneinengrößerenAbstandeinhalten;dieAntennenkönnenbeidieserpersonennahenMon-tagefastanderOberflächeberührtwerden.DieskannzuProblemenmitderEinhaltungderGrenz-werte gemäß 26. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) führen. In der Nähe von solchenBasisstationenkönnen–trotzeinerSendeleistungvonwenigerals10W,sodasskeineStandortbe-scheinigungderNetzAerforderlichist–sehrhoheFeldstärkenauftreten,deutlichhöheralsbeidenbisherigenMast-undDachstandortenmitihrengrößerenEntfernungen.BeiFrequenzenüber2GHzundeiner Leistung von10WEIRP (Äquivalente isotropeStrahlungsleistungunterBerücksichtigungdesAntennengewinns)wirdderGrenzwertder26.BImSchVvon61V/min28cmEntfernungvonderAntenneerreicht.

EinweitererEffektder5G-Mikrozellen:BeiMast-undDachstandortensinddieunterenEtagenunddas Erdgeschoss eines Gebäudes deutlich weniger exponiert als die höheren Stockwerke. Bei denMikrozelleninderStraßekehrtsichdiesesVerhältnisum.

5G-FrequenzauktionimFrühjahr2019

ImFrühjahr2019(Startam19.März2019)führtdieBundesnetzagentureineFrequenzauktiondurch,umdenMobilfunkbetreiberndiefür5GerforderlichenFrequenzenzuverschaffen.

ZurVersteigerungstehendiefolgendenFrequenzbereiche:- Achtje5MHzbreiteFrequenzblöckeimUMTS-Bereichoberhalbvon2GHz.Hierlaufendieent-

sprechendenbisherigenUMTS-NutzungenimJahr2020aus.- NeueFrequenzenimBereich3,4-3,7GHz

ZurAuktionzugelassensinddieProvider:- TelekomDeutschland- Vodafone- Telefónica- DrillischNetzAG.WährenddiedreierstgenannteninderÖffentlichkeitbekanntsindundbereitsseitLangem2G-bis4G-Mobilfunknetzebetreiben,istderName„Drillisch“kaumgeläufig–imGegensatzzurzusätzlichenBezeichnung„1&1“imFirmennamen(Abb.7).

Abb.7: Unternehmen (links) und Marken (rechts) der 1&1 Drillisch AG [10]

ZusätzlichzurAuktionfürdiebundesweitoperierendenMobilfunkbetreiber ist fürdenBereichvon3,7-3,8GHzeinAntragsverfahrenzurlokalenundregionalenNutzungentwickeltworden.„Dadurchkönnen auch regionale Netzbetreiber, kleine undmittlere Unternehmen oder Start-Ups,mit einemerstkünftigauftretendenFrequenzbedarf, sowieGemeindenundVertreterderLand-undForstwirt-schaft das Potenzial der kommendenMobilfunkgeneration 5G für Anwendungen in derWirtschaftundIndustrienutzenbzw.dieMobilfunkversorgungimländlichenRaumverbessern.“[6]

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FürdenwesentlichhöherenFrequenzbereichbei26GHzwirdebenfallseinAntragsverfahrenerarbeitet.D.h.dieseFrequenzenwerdenwiederBereich3,7 -3,8GHznichtandiebekanntenMobilfunkbe-treiberversteigert,sondernnachAntragstellungdurchdieo.g.ZielgruppenvonderBNetzAbewilligt.

InweitererZukunftsollenauchnochhöhereFrequenzenimBereich26-86GHzfür5Gbereitgestelltwerden.HierfürsindabernochumfangreicheinternationaleAbstimmungenzwischendenzuständi-genBehördenerforderlich.

BeidenfürdieZukunftavisiertenFrequenzenvon26GHzundhöherliegtdieWellenlängebei10-3mm(Millimeterwellen).DiesesindkauminderLage,Gebäudewändezudurchdringen.

MobilfunkkritischeMedizinerführenin’sFeld,dassbeidiesenkurzenWellenlängenrelevantebiolo-gischeEffekteindenoberstenHautschichtenstattfinden,diedurchdasreinthermischeWirkmodell,dasdenGrenzwertender26.BImSchVzugrundeliegt,nichtabgedecktsind.

DieGrundlagenvon5G-Wireless-Netzwerken

Die Grundlagen von 5G-Wireless-Netzwerken sind in dem Beitrag [11] sehr übersichtlich und ver-ständlichdargestellt.DiewesentlichenPunktesindhierauszugsweisezitiert.

„Manerwartet,dass5G-Mobilfunk,basierendaufdrahtlosenLTE-Services(LongTermEvolution)dervierten Generation (4G), ein größeres Datenvolumen über deutlich schnellere Netzwerkemit einerLatenz imBereichvonuntereinerMillisekundeüberträgt.Mobilfunknetzekönnenbei4GDatenmiteinerSpitzengeschwindigkeitvonbiszu1GBit/s transportieren. In5G-Wireless-Netzwerkenwird je-dochdiePerformancedrastischsteigen,sodassDatenmitnichtwenigerals10GBit/sbefördertwer-den–dasentsprichteinemTempowiebeidrahtgebundenerKommunikation.

Die Reduzierung von Netzwerkantwortzeiten bringt derweil weitere bedeutende Fortschritte. AlsErgebnis birgt die 5G-Architektur einbeträchtlichesPotenzial für neueTechnologien – zumBeispielRemote-Online-Chirurgie–,dieMachineLearningundkünstlicheIntelligenz,virtuelleunderweiterteRealitätsowiedasInternetderDingeumfassen.

Typenvon5GWirelessServicesWährenddas kommerzielleDeployment von5G-Wireless-Netzwerkennäher rückt, bereiten sichdieMobilfunkbetreiber auf das Rollout von zwei Grundtypen neuer 5G-Services vor. Da ist zum einenFixedWirelessBroadband,dasbeispielsweisedieDeutscheTelekomab2019nutzenwill.DerzweiteTypistMobile5GCellular,ineinigenMärktenwahrscheinlichebenfallsab2019verfügbar,wobeidieTechnologie,diesowohlfürmobileAnwenderimAllgemeinenwiefürMobilfunknutzerimBesonderengeeignetist,ab2020generellerhältlichseindürfte.Analystengehendavonaus,dassdieBetreiberbis2025übereinevollständige5G-Wireless-Bereitstellungverfügenwerden....

ImFolgendenerfahrenSie,wiediezweiTypenvon5G-Wireless-Dienstenfunktionieren.

FixedWirelessBroadband 5G. Diese Services (auch kurz FixedWireless genannt) sollen für Unter-nehmenoderPrivathaushaltedie Internetkonnektivitätaufder letztenMeilemitFunksignalenstatteinerdrahtgebundenenAnbindungdirektvorOrtermöglichen.UmFixedWirelessBroadbandanzu-bieten,stellendieCarriersogenannte5GNewRadiosinkleinenFunkzellenstandortenbereit,etwaaufder StraßenbeleuchtungundTelefonmasten. SogelangendieSignale zudrahtlosenModems,die inGebäudenundWohnungeninstalliertsind.DadurchentfälltdieNotwendigkeitvonfestenAnbindun-gen,etwaperGlasfaseroderKabel,direktineinGebäude.

5GMobileServices.DieBetreiberplanenzudemmobile5G-Funkservices,diedurchdienächsteEnt-wicklungsstufevonEvolvedPacketCoreLTE-Advancedermöglichtwerden....Analystengehendavonaus,dassdieMobilfunkbetreibermitderBereitstellungvon5G-MobilservicesgegenEndedeserstenQuartals2019beginnenwerden.

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5GWirelessimUnternehmen

DieAussichtauf5G-FunktechnologiefürUnternehmenbleibtersteinmaleinVersprechen–bis...dieBetreiberdasRolloutvon5G-Wireless-Netzwerkenbeendethaben.Sobald5G-Funkeinheiteninstalliertund5G-fähige intelligenteGeräteverfügbarsind,stehtzuerwarten,dassUnternehmenmehrAnwen-dungsfällefür5G-Servicesentwickeln.

ChrisAntlitz, leitenderAnalyst fürdenTelekommunikationsmarktbeiTechnologyBusinessResearchInc.inHampton,NewHampshire,erwartet,dassgroßeFortune-2000-Unternehmenunterdenerstenseinwerden, die ab 2020mit demRollout von 5G-Services beginnen. Eine stärkere Verbreitung imUnternehmensbereichwerdeerstspäterstattfinden–zwischen2025und2030.

UmfürdenRolloutvon5G-Wireless-Netzwerkengewappnetzusein,beginnen ineinigenUnterneh-menMitgliederderGeschäftsleitungundandere IT-Managerdamit,sichumpotenzielleAnwendun-genzukümmern,dieeinenVorteilausderhohenPerformanceundgeringenLatenzvon5Gziehen.

Werwirdvon5Gprofitieren?

Nach Angaben von MarketsandMarkets verspricht der Markt für 5G-Infrastruktur ein erheblichesWachstumspotenzialvon2,9MilliardenUS-DollarimJahre2020auf34MilliardenUS-Dollarbis2026.

GründesinddieNachfragenachmobilenDatendiensten,dieZunahmenderindustriellenAutomatisie-rungunddiesteigendeNutzungvonSoftwareinKommunikationsnetzwerken.

FürBranchen,beidenenesaufeinegeringeLatenzundeinenhohenDurchsatzankommt–zumBei-spieldasGesundheitswesen,Finanzdienstleister,EnergieversorgerundandereUnternehmenmitAu-ßendiensteinsatz –, dürften 5G-Wireless-Netzwerke beträchtliche Auswirkungen haben. FirmenmitspeziellenKommunikationsanforderungenundHerstellungsprozessenwerdenwohlalserstevondenVorteilenprofitieren.

Techniker in einem 5G-Entwicklungscenter in Oulu, Finnland ... entwickeln beispielsweise 5G-Anwendungsfälle.ForscherarbeitenanKommunikationsideenwieRundfunküber5GundentwickelnAnwendungenfürdasGesundheitswesen,etwaReha-MaßnahmenfürSchlaganfallpatientenpervir-tuellerRealität.“[11]

SmarteAntennen/MIMO/Beamforming

Einewesentliche technischeNeuerungbei 5G ist dieVerwendung von „SmartenAntennen“.Wäh-rend herkömmlicheMobilfunkantennen imWesentlichen aus „mechanischerHardware“ bestehen,kommen bei den „Smarten Antennen“ noch elektronische Komponenten und Software hinzu.Dadurchkönnensienichtnur–wiebisher–ineineeinmaleingestellteVorzugsrichtungsenden,son-dern die Hauptstrahlrichtung den aktuellen Gegebenheiten der lokalen Nutzung des Netzes dyna-mischanpassen.WennsicheinSmartphone-NutzerimEinwirkungsbereicheiner„SmartenAntenne“fortbewegt,sofolgtihmderHauptstrahldurchVeränderungderAntennen-Richtcharakteristik.DieseEigenschaftwirdauchals„Beamforming“bezeichnet.

TechnischgelöstwirdBeamformingdurchVerwendungeinerVielzahlvonüber-undnebeneinanderangeordnetenkleinenEinzelantennen,sogenannten„Arrays“;typischfür5Gistz.B.eineAnzahlvon8x8=64Einzelantennen(Abb.8).DieseEinzelantennenarbeitenabernichtunabhängigvoneinan-der,sondernwirkenzusammenwieeineeinzigeGesamt-Antenne.Z.B.durchindividuellphasenver-schobeneAnsteuerungderEinzelantennenmitdemgleichenSendesignalkanndieRichtcharakteristikder insgesamtabgestrahltenWellegesteuertwerden,diedurchÜberlagerungdereinzelnenWellen-frontenentsteht.

Außerdem können solche Antennen nicht nur einen, sondern gleichzeitig mehrere Hauptstrahlenfokussieren, so dass auf der gleichen Frequenzmehrere Teilnehmer, die sich an unterschiedlichenStellenimRaumbefinden,versorgtwerdenkönnen(ZugriffsverfahrenSDMA–SpaceDivisionMultipleAccess/VielfachzugriffdurchräumlicheAufteilung).HierdurchwirdauchdieKapazitäteinerMobil-funkzelledeutlicherhöht(zurzeitbiszumFaktoracht).

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Abb.8: „SmarteAntenne“,Gehäuseentfernt,sodassdieArrayssichtbarsind(links)undmitauf-

gesetztem Gehäuse (rechts), (Quelle: Ericsson auf Youtube [12])

Außerdem können solche Antennen nicht nur einen, sondern gleichzeitig mehrere Hauptstrahlenfokussieren, so dass auf der gleichen Frequenzmehrere Teilnehmer, die sich an unterschiedlichenStellenimRaumbefinden,versorgtwerdenkönnen(ZugriffsverfahrenSDMA–SpaceDivisionMultipleAccess/VielfachzugriffdurchräumlicheAufteilung).HierdurchwirdauchdieKapazitäteinerMobil-funkzelledeutlicherhöht(zurzeitbiszumFaktoracht).

Dieses Verfahren wird als „MassiveMIMO“ (Multiple Input –Multiple Output) bezeichnet und indieserFormbei5Gerstmaligangewendet.

Daher fehlennochErfahrungenmitdieserTechnik,undes istunklar,obesnichtvielleichtdochzuRaumbereichenmitüberhöhtenFeldstärkenkommenkann.Ebensogibtesnochgarkeineklardefi-niertenMessvorschriften für dieMessung solcher Immissionen, die nun räumlich nichtmehr kon-stant,sondernvariabelsind.

HierausergebensichnatürlichauchneueHerausforderungen fürdie reproduzierbareMessungderImmissionen.LösungenhierfürsindnochinderEntwicklung.

5GauchperSatellit?

Im Internet kursieren etliche Informationen, dass parallel zu den terrestrischen 5G-Systemen baldschoneinezusätzlicheflächendeckende5G-VersorgungübermehreretausendSatellitenhergestelltwerdensoll,z.B.[13].

Bisher gibt es international – großenteils bereits seit etlichen Jahren oder gar seit Jahrzehnten –33AnbietervonTelekommunikationsdienstenperSatellit,wiez.B.Iridium,skyDSLundSTARDSL[14].

InPlanungoder inderErprobungsindeinigeweitereSatellitensysteme,dieüberwiegendalssoge-nannteLEOSatelliten(LowEarthOrbit,erdnaheUmlaufbahn) inHöhenvonca.1.000-1.400kmdieErdeumkreisen.FüreinenErdumlaufbenötigteinSatellitindieserHöheca.100Minuten.DieSicht-barkeitunddamitderFunkkontaktzueinerBodenstationbeträgtmaximal15MinutenproUmlauf.DementsprechenddichtmussdieFolgevonSatellitenaufdergleichenUmlaufbahnsein.

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HiereinigeBeispiele:- OneWeb satellite constellation:Ursprünglichwaren882 Satelliten geplant, derenAnzahlwurde

mittlerweileauf600reduziert.DerersteStartvonTest-SatellitenwurdevonDezember2018aufnichtfrüheralsMärz2019verschoben.

- LeoSat: Geplant sind bis zu 108 Satelliten, die untereinander durch optischeDatenübertragung(Laser) verbunden sind. Start von zwei Testsatelliten („Early Birds“) in 2019, Start der übrigenSatellitenin2021,vollerweltweiterBetriebistab2022geplant.

- V-Band Konstellation (Boeing): Boeing hat bei der US-amerikanischen Behörde FCC (FederalCommunications Commission, entspricht etwa der deutschen Bundesnetzagentur) Funklizenzenbeantragt,um1.396bis2.956LEO-Satellitenbetreibenzudürfen.

- LeoVantage(Telesat):EinTest-Satellitwurde2018gestartet.- O3bNetworks:Sollden3MilliardenMenscheninstrukturschwachenGebietenderErdeinÄqua-

tornäheInternetzugriffundTelekommunikationsdienstebieten.Geplantsindinsgesamt16MEO-Satelliten (Medium EarthOrbit) in 7.825 kmHöhe. Der Start der ersten 4 Satelliten fand 2013statt,gefolgtvon8Satelliten2014unddenletzten4in2018.

- EurostarE3000Satellite(AirbusDefenseandSpace).HierzusindimInternetkeinenäherenInfor-mationenzufinden.

- Space X: Laut [13] sind im Endausbau 4.400 Satelliten geplant; die volle Kapazität soll 2024 er-reichtwerden.SpaceXisteinamerikanischesRaumfahrtunternehmenmitElonMuskalsCEOundCTO (Musk ist auchChef des Elektromobil-Herstellers Tesla undbekannt für sein spektakuläresMarketing).AufderWebseitevonSpaceX[15]istüberdasProjektjedochnichtszufinden.

Die o.g. Satellitensysteme richten sich vorzugsweise nicht an privateMobilfunkbenutzer in bereitsgut erschlossenen Gebieten als Kunden, sondern sollen an Land der Versorgung von entlegenen,abgeschiedenRegionenmitschlechteroderfehlenderMobilfunkversorgungdienensowiederFunk-versorgung von Schiffen und Flugzeugen. Als Zielgruppen werden auch insbesondere Firmen undBehördengenannt.

Die Satellitensysteme dienen häufig als „Backhaul“ oder „Backbone“, d.h. sie verbinden Teile vonumfassenderenNetzenmiteinander und kommunizieren dann nicht direktmit den einzelnen Teil-nehmern. Ein typisches Szenario ist in entlegenen Gebieten ohne Internetanschluss per Kupferlei-tung,GlasfaseroderterrestrischeFunkstreckendieAnbindungvonansonsten isoliertenMobilfunk-Basisstationen an das übergeordnete Netz. Dies gilt auch für die Einbindung in zukünftige 5G-Systeme.

MancheSatellitenbetreibersindbeimRührenderWerbetrommelnichtzimperlichundnennenu.a.alsVorteilauchdiekurzenLatenzzeiten,wiesiefür5Gtypischsind.5GfordertLatenzzeitendeutlichunter10ms, idealerweiseum1ms.Bei einemSatelliten in1.200kmHöhebeträgtaberalleindieLaufzeitderelektromagnetischenWellezumSatellitenhinundwiederzurückschon2⋅4ms=8ms;VerzögerungszeitendurchdieelektronischeDatenverarbeitungkommennochhinzu.

FürdieNutzungvonSatellitensystemenwerdenspezielle,fürdasjeweiligeSystementwickelteTele-foneoderTerminalsbenötigt.SiesinddeutlichklobrigerundhabengrößereAntennenalsdieübli-chenterrestrischenSmartphones.SowohldieMobilteilealsauchdieVerbindungskostensinddeut-lichhöheralsbeimterrestrischenMobilfunk.AufgrunddergroßenEntfernungundderhohenatmo-sphärischenStreckendämpfungbeidenverwendetenFrequenzenüber10GHzistdieFeldstärkeander Erdoberfläche sehr niedrig, dementsprechend ist der Betrieb nur im Freienmöglich und ohneAußenantennenichtinnerhalbvonGebäuden.

IoTistmehrals5G

NebendemfürhöchsteDatenratenund-voluminakonzipierten5GsteigtzurzeitundinZukunftnochweiter rasantdieZahlvon funkbasiertenAnwendungen fürdas„InternetofThings“und„SmartX“(z.B.SmartHome,SmartCity,SmartMeteringfürElektrizität,Wasser,Gas,Wärmeundweitere,bis-

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her kaum zu ahnende Applikationen), die nur in größeren Zeitabständen sporadisch kleine undkleinsteDatenmengenübertragen.DafürabermiteinerriesigenAnzahlvon„Teilnehmern“,dieaberkeinemenschlichenWesensind,sonderntechnischeSensorenundGeräte(sogenannteM2M=Ma-chine-to-Machine Communication). Erwartet werden weltweit in einigen Jahren IoT-Endgeräte imzweistelligenMilliardenbereich.Hierfürwerden– auchheute schon– die bestehendenMobilfunk-netzevon2Gund4Gunterhalbvon1GHzmittelsspeziellerÜbertragungsdienstemitbenutzt,wiez.B.:- NBIoT(LTENarrowband/SchmalbandIoT),eineLTE-Variantemitnur200kHzBandbreiteundbis

zu50.000EndgerätenproFunkzelle,- LTE-M (LTE for Machines), auch als LTE-M2M (LTE Machine-to-Machine) oder LTE-MTC (LTE

Machine-TypeCommunications)bezeichnet),eineLTE-Variantemit1,4MHzBandbreiteundbiszu20.000EndgerätenproFunkzelle,Reichweitebiszu2,5kmoderauch5km,

- EC-GSM-IoT(ExtendedCoverageGSMIoT),eineGSM-VariantemitderGSM-typischenBandbreitevon200kHz,Reichweitebiszu15km.

ZusätzlichwerdenparallelzudenbestehendenMobilfunksystemenweitereIoT-FunksystemeindenlizenzfreienISM-/SRD-Bändern433MHzund860-870MHzaufkommunalerEbeneaufgebaut,häufiginRegiederlokalenEnergieversorger,wie:- LoRaWAN(LongRangeWideAreaNetworkforIoT),Reichweitebisüber10km,- Sigfox LPWAN (Sigfox Low-PowerWideAreaNetwork for IoT),UltraNarrowBand-Signal, bis zu

1MillionEndgeräteproFunkzelle,ReichweiteimfreienGelände30-50km,inStädten3-10km.

DieserProzessgehtvonderÖffentlichkeitundmobilfunkkritischenKreisenweitgehendunbemerktvonstatten.

DiealsVorzügevon5GgenanntenextremhohenDatenratenundäußerstkurzenLatenzzeitenwer-denfürdiemeistenIoT-undSmartX-Anwendungenüberhauptnichtbenötigt. DasentsprichtdemLeistungsprofil einesFormel-1-Rennwagens. IoTbrauchtaberdasallesnicht, sondernhatAnforde-rungen,dieeherdemTreckerfahrenmitzweivollbeladenenAnhängernentsprechen.GemeinsamerHintergrundistnatürlich,dassman900PSentwederzumrasantenundspurtstarkenFahrenmitei-nemmöglichst leichtenWagenverwendenkannoder zum langsamenFahrenmitMassentransportvonvielenRüben.

LiteraturundInternetadressen

[1] DeutscheTelekomAG,SpectrumPolicy&Projects:5G:Schlüsseltechnologie fürdas InternetderDinge;Juni2017;

https://www.breitband-in-hessen.de/mm/5G_Perspektive_DTAG_publish.pdf

[2] Virnich, Martin: Technische Aspekte der Mobilfunktechnologien; Referat bei der AnhörungzumThema„Mobilfunk“imSüdtirolerLandtag,29.April2015;

https://baubiologie-virnich.deàBibliothekàFachartikelàSuchbegriff„TechnischeAspektederMobilfunktechnologien“

[3] BMVI,KursbuchNetzausbau2016,5.Handlungsfeld,4.Frequenzen,S.37

[4] Bundesnetzagentur:Frequenz-Kompass–NeueFrequenzenfürdenweiterenAusbaudigitalerInfrastrukturen;https://www.bundesnetzagentur.de/SharedDocs/Downloads/DE/Sachgebiete/Telekommunikation/Unternehmen_Institutionen/Frequenzen/OffentlicheNetze/Mobilfunk/DrahtloserNetzzugang/Mobilfunk2020/Kompasspapier.pdf;jsessionid=770A65C72E722D51792ECF2FB4BFA4AD?__blob=publicationFile&v=1

[5] BMWi:DigitaleStrategie2025,S.13

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[6] Bundesnetzagentur:Mobilfunknetze/MobilesBreitband–Frequenzenfür5G; https://www.bundesnetzagentur.de/DE/Sachgebiete/Telekommunikation/Unternehmen_Insti

tutionen/Frequenzen/OeffentlicheNetze/Mobilfunknetze/mobilfunknetze-node.html

[7] Jan Raehm: Der Eine-Millisekunde-Mythos im Mobilfunkstandard 5G; 10.12.2018;https://www.golem.de/news/latenz-der-eine-millisekunde-mythos-im-mobilfunkstandard-5g-1812-138027.html

[8] MichaelEckert,EditorialDirector;https://www.searchnetworking.de/news/252452938/5G-Mobilfunk-ist-bereit-und-wird-die-Wirtschaft-veraendern

[9] Multifunktionsgehäuse(Outdoorgehäuse)vonBertholdSichertausBerlin-MarienfeldemitderOptionzumEinbauvonMikrozellen;www.sichert.com,

https://www.golem.de/news/berthold-sichert-5g-fuer-die-telekom-aus-dem-berliner-multifunktionsgehaeuse-1901-138907.html

[10] https://www.1und1-drillisch.de

[11] JeanDerGurahian,TechTarget; https://www.searchnetworking.de/sonderbeitrag/Die-Grundlagen-von-5G-Wireless-

Netzwerken

[12] Ericsson5GRadioPrototypesforlivefieldtrials; https://www.youtube.com/watch?v=5naPdaSRVNA

[13] ThorstenNeuhetzki:EswirdengimAll:SpaceXwillmehrals4400Internet-Satellitenstarten,vom04.05.2017;

https://www.teltarif.de/space-x-satelliten-antrag-fcc/news/66302.html

[14] https://de.wikipedia.org/wiki/Internetzugang_über_Satellit

[15] https://spacex.com

Dr.-Ing.MartinH.Virnich

Mönchengladbach

BaubiologeIBN,BerufsverbandDeutscherBaubiologenVDBe.V.