5G-Frequenzen erklärt: Unterschiede und Gemeinsamkeiten zu 4G/3G/2G

(Gastbeitrag!) Als ich vor ein paar Tagen einem Bekannten eine Erklärung zu 5G, sowie den Unterschieden und Gemeinsamkeiten zu früheren Technologien zukommen lassen wollte, suchte ich im Internet nach „5G einfach erklärt“. Falls ihr dies auch schon getan habt, wird es euch sicher wie mir ergangen sein: jede Menge Marketing und Werbeversprechen, teilweise veraltete Informationen, aber nirgends eine einfach zu verstehende und umfangreichere Erklärung, was dieses 5G denn jetzt alles besser und anders oder aber auch (fast) gleich macht. Daher entschied ich mich, einen Beitrag zu verfassen der alles beleuchtet und so vielleicht dem ein oder anderen, der bisher nicht viel darüber wusste, ein wenig Angst nehmen und Wissen vermitteln kann.

Grundlagen: Aufbau eines Mobilfunknetzes

Zuallererst müssen wir uns den Aufbau eines Mobilfunknetzes anschauen. Hier braucht es neben dem Endgerät (beispielsweise einem Smartphone) die Basisstation (also den Mobilfunksender, etwa auf einem freistehenden Mast oder einem Hausdach). In der Basisstation befinden sich verschiedene Bauteile, die alle eine unterschiedliche Aufgabe haben. Dort gibt es neben einem Bauteil, das die Anbindung des einzelnen Senders an das weitere Kernnetz im Hintergrund sicherstellt, noch die sogenannte Baseband-Unit sowie die Radiomodule. Meistens befinden sich diese Baugruppen in einem kleinen Häuschen oder einem Kasten unterhalb des Senders. Die Radiomodule können aber auch am Mast selbst verbaut sein. Außerdem gibt es den am meisten sichtbaren Teil des Senders: die Antennen. Bis auf die Baugruppe für die Anbindung ans Kernnetz, gibt es diese Teile ebenfalls in eurem Smartphone, wenn auch in sehr viel kleinerer Form.

Was macht nun welches Bauteil? Beginnen wir bei den Radiomodulen (RRU).

Die Radiomodule haben die Aufgabe, die digitalen Daten, die sie von der Baseband-Unit erhalten, in Funkwellen auf vorgegebenen Frequenzen umzuwandeln. Sie sind somit ein DAC – Digital Analog Converter. Dabei wird das digitale Signal von der Frequenz 0 auf die Frequenz, für die das Radiomodul bestimmt ist, gehoben. Radiomodule haben in der Regel 1-2 Frequenzen, die sie aussenden. Bei mehr Frequenzen braucht man also mehrere Radiomodule. Diese berechneten Funkwellen (man kann sich das wie zum Beispiel die Sinuskurve vorstellen) werden dann auf eine bestimmte Sendeleistung verstärkt und anschließend an die Antenne weitergegeben. Die Antennen selbst sind zum größten Teil passive Bauteile, was bedeutet, sie senden einfach nur „stumpf“ das aus, was das Radiomodul ihnen zukommen lässt, in einem bestimmten Winkel und in eine bestimmte Richtung.

Vor den Radiomodulen kommt die Baseband-Unit. Sie ist sehr vereinfacht gesagt ein spezieller Computer, der die digitalen Daten, die der Sender vom Kernnetz erhält, verarbeitet. Dabei wird das Signal, das bei Frequenz 0 liegt, umcodiert und moduliert. Das ist notwendig, weil beispielsweise vom Kernnetz her ein IP-Datenpaket kommt, das dann in LTE- / 5G-Datenpakete umgewandelt werden muss. Danach wird das Signal weiter an die RRU gegeben, die dann ihre oben erklärte Aufgabe erfüllen kann. Sie ist also wie eine Art „Vermittler“ zwischen den verschiedenen Komponenten und Abschnitten tätig. Außerdem sind in ihr etliche Funktionen zur Fehlerüberwachung und andere Protokolle vorhanden. Sie ist damit ein sogenannter DSP – Digital Signal Processor.

Das gleiche geschieht natürlich umgekehrt genauso, wenn ihr etwas versendet, statt zu empfangen, sowohl im Handy als auch in der Basisstation. Eine Antenne ohne Radiomodule und Baseband-Unit ist also eigentlich nutzlos. Um eine Computer-Analogie zu ziehen: Die BBU ist der PC, die Radiomodule die Soundkarte und die Antenne der Lautsprecher bzw. das Mikrofon.

Nun sind aber nicht alle Funkwellen gleich, denn hier kommen die oben schon angeschnittenen Frequenzen ins Spiel: Grundsätzlich gilt: Je höher eine Frequenz, desto kürzer (in Zentimeter gemessen) ist eine Welle. Kürzere Wellen können in derselben Zeit mehr Daten übertragen, da im oberen Frequenzbereich mehr Platz ist und somit eine breiteres Spektrum zur Verfügung steht, kommen dafür aber schlechter durch Objekte und Hindernisse wie beispielsweise Wände hindurch. Das Ganze ist bei WLAN dasselbe: 2,4-GHz-Wi-Fi ist langsamer, hat aber dafür mehr Reichweite, während es beim 5-GHz-Wi-Fi genau umgekehrt ist. Angegeben sind bei den Mobilfunknetzen übrigens immer die maximalen Geschwindigkeiten. Da ihr diese aber mit allen anderen Teilnehmern in einer Zelle teilt, sind die real erreichbaren Ergebnisse meist niedriger.

Um eines direkt vorweg zu nehmen: Gefährlich für den Menschen wird Strahlung grundsätzlich erst dann, wenn eine Wellenlänge vorliegt, deren Frequenz höher als die des sichtbaren Bereichs ist oder bei sehr hoher Energieleistung mit gleichzeitig wenig Abstand. Alle in der drahtlosen Kommunikation genutzten Wellenlängen liegen aber weit unter diesem für den Menschen sichtbaren Spektrum, und sind somit harmlos für den Organismus. Auch ist die Sendeleistung der Mobilfunksender nicht extrem hoch. Konkret werden vor Aufbau eines Senders sowieso gesetzlich festgelegte Mindestabstände berechnet, die zwischen Antennen und Personen bestehen müssen (meist zwischen 5 – 15 m), sodass man automatisch mehr als genug Abstand hat, selbst wenn man auf dem Boden neben einem Funkmast steht.

Das Gerät, das am nächsten an eurem Kopf oder Körper ist, ist das Smartphone selbst, nicht der Sender. Je weiter der Sender weg steht, desto schwächer ist das Signal. Bei schwächerem Signal muss das Handy wiederum stärker senden, um noch am Sender anzukommen und Daten zurück zu schicken. Führt man also ein Gespräch am Ohr, während man nah an einem Sender steht, ist die „Belastung“ der man ausgesetzt ist erheblich geringer, als wenn der Sender weit weg steht, denn das Handy muss dann wesentlich stärker senden.

Ein Blick auf 2G – das bleibt uns für die Grundversorgung auch in Zukunft noch erhalten

Beginnen wir mit unserem Vergleich nun bei der aktuell ältesten Technik am Markt: 2G/GSM

Noch bevor das GSM-Netz 1992 startete, gab es bereits erste Mobilfunknetze, wie beispielsweise das C-Netz. Da diese aber komplexere und größere Technik, sowohl in den Basisstationen als auch in den Endgeräten erforderten, kamen sie hauptsächlich etwa in Autotelefonen zum Einsatz. Erst mit Einführung des Mobilfunknetzes der 2. Generation, auch GSM genannt, wurden mobilere und kleinere Endgeräte nach und nach Realität.

Bis heute bildet GSM die Grundversorgung für weitgehend flächendeckende Telefonie in Deutschland. Euch bekannt wird es als „E“ oder „G“ Symbol in der Statusleiste beim Handy sein. E steht für Edge und ist eine Weiterentwicklung innerhalb des 2G-Standards von GPRS (G). Damit waren minimal schnellere Datenraten möglich.

In Deutschland wird GSM auf zwei Frequenzen betrieben: Vodafone und die Deutsche Telekom setzen fast ausschließlich GSM auf 900 MHz ein, während Télefonica o2 auf einen Mix aus GSM bei 900 MHz sowie GSM bei 1.800 MHz setzt. Dies ist je nach Sender, dessen Alter und Aufbau anders. Aber es wird immer eine dieser zwei Frequenzen eingesetzt (oder sehr selten bei GSM beide).

So funktioniert 3G – 3G-Frequenzen werden in diesem Jahr großflächig für 4G und 5G freigeschaufelt

Circa 12 Jahre später, also im Jahre 2004, startete dann in Deutschland das 3G/UMTS Netz.

Dieses ist euch auf dem Smartphone als 3G oder H/H+ bekannt. H(+) steht für HSDPA(+), eine Weiterentwicklung von UMTS innerhalb des 3G Standards. Mit HSDPA+ waren erstmals Datenraten von bis zu 42 mbit/s im Mobilfunknetz erreichbar. Im Gegensatz zu vorigen Standards war es somit nun möglich, mobil mit ordentlicher Geschwindigkeit zu surfen, Videos zu schauen und vieles mehr.

3G wird in Deutschland von allen Netzbetreibern ausschließlich auf der Frequenz 2.100 MHz betrieben. Dies sorgte zwar für zur damaligen Zeit phänomenale Geschwindigkeiten, bedeutete aber auch gleichzeitig, dass eine flächendeckende Versorgung aufgrund der geringeren Reichweite deutlich schwerer zu erreichen war. Unter anderem  dadurch kam es dazu, dass das 3G-Netz in Deutschland nie eine so große Abdeckung wie GSM oder heute LTE erreichen konnte.

Ein Grund für die Abschaltung des 3G-Netzes ist die Umwidmung der Frequenzen hin zu LTE, wodurch im modernen Standard mehr Bandbreite entsteht. Die Umwidmung ist auch deshalb sinnvoll, weil LTE mit dem gleichen Frequenzspektrum viel mehr Bandbreite als UMTS erreichen kann, da LTE im Hintergrund viel effizientere Techniken nutzt. Aber auch der Betrieb des Kernnetzes für 3G (denn jede eigenständige Netztechnik braucht ein eigenes Kernnetz im Hintergrund), ist mittlerweile unwirtschaftlich geworden. Folgendes Video der Telekom zeigt dazu einige Details auf:

4G: Wird auch weiterhin ausgebaut

Wieder einige Jahre später, genauer gesagt 2010, startete dann die bis heute wichtigste Mobilfunktechnik in Deutschland: 4G/LTE

4G brachte, neben einigen vorher genutzten Techniken, viel Neues mit sich. Erstmals war es möglich, eine breite Palette von Frequenzen parallel zu nutzen. LTE funkt heute auf den Frequenzen 700 MHz, 800 MHz, 900 MHz, 1.500 MHz, 1.800 MHz, 2.100 MHz sowie 2.600 MHz. Am wichtigsten hierbei sind in Deutschland nach wie vor die Frequenzen um 800 MHz und 1.800 MHz.

Welche Frequenz an welchem exakten Sendemast eingesetzt wird, hängt von vielen Faktoren ab: Welchen Ort versorgt der Sender? Hotspot in der Stadt oder eher Feld und Wiese? Wo steht der Sender? Sind schon Antennen anderer Betreiber am selben Mast vorhanden? (Denn es gibt ein Limit ab dem ein Sendestandort als funktechnisch ausgeschöpft gilt). Davon und vielem anderen abhängig ist es, welche Kapazität der Sender maximal bereitstellen muss. Denn auch bei LTE gilt: Unterschiedliche Frequenzen haben unterschiedliche Eigenschaften.

So bilden 700, 800 sowie 900 MHz (auch Lowband genannt) das Grundnetz, da diese eine hohe Flächenabdeckung und dabei gleichzeitig gute Abdeckung durch Wände in Häuser bereitstellen können. Wobei 800 MHz bei allen drei Betreibern diese Rolle primär einnimmt, während 900 MHz hauptsächlich von der Telekom eingesetzt wird und 700 MHz erst nach und nach von allen drei Betreibern ausgebaut wird.

In kleineren und mittleren Städten und Orten, wo mehr Kapazität als das Lowband bereitstellen kann notwendig ist, wird oft 1.800 MHz eingesetzt. Im Zuge der Abschaltung von UMTS, die dieses Jahr vonstatten gehen soll, werden aber wie gesagt auch die Frequenzen im Bereich von 2.100 MHz nach und nach weg von 3G, hin zu LTE umgewidmet. Diese Frequenzen werden auch Midband genannt. Überall wo es aktuell noch nur 3G oder 3G und LTE gibt, wird durch die Umwidmung erstmals LTE respektive schnelleres LTE vorhanden sein.

Dies ist unter anderem deshalb möglich, weil die Antennen und Radiomodule, die beim Mobilfunk benutzt werden, technologieneutral sind. Diesen Teilen ist also egal, ob sie 2/3/4/5G aussenden. Sie sind einzig an eine bestimmte Frequenz gebunden, unabhängig von der Technik dahinter. Eine GSM-Antenne für 900 MHz kann also genauso gut auch LTE auf 900 MHz aussenden, da zwar die Technik dahinter sich ändert, die Frequenz aber ja gleichbleibt.

Nur die Baseband-Unit muss den neuen Standard unterstützen und deshalb bei solchen Umbauten wenn noch kein LTE vorhanden ist, erneuert werden. An Hotspots und stark frequentierten Orten, etwa großen Innenstädten, kommt außerdem LTE auf der Frequenz 2.600 MHz (auch Highband gennant) zum Einsatz. Hier ist die Reichweite zwar gering, es eignet sich aber gut, um einen großen Platz in der Stadt mit viel LTE-Kapazität zu versorgen.

Außerdem bietet LTE erstmals die Möglichkeit, dass ein Sender auf verschiedensten LTE-Frequenzen gleichzeitig aktiv sein kann, und dass Endgeräte die multiplen Frequenzen dann kombinieren und gebündelt nutzen (passende Hardware an der Basisstation und im Handy natürlich vorausgesetzt). Dies nennt man Carrier Aggregation. Dadurch sind deutlich höhere Geschwindigkeiten möglich, da nun beispielsweise die Kapazitäten, die 1.800 MHz und 2.100 MHz bieten, addiert werden. Je nach Endgerät und Ausbau des Senders sind verschiedenste Kombinationen möglich (etwa Lowband + Midband oder Lowband + Highband, usw.). Aggregiert werden theoretisch bis zu 6 Frequenzen, in der Regel liegt das Limit aber bei 4. So sind viele LTE-Sender bereits heute mit 2 oder mehr Frequenzen ausgestattet, meist zumindest mit einem Lowband und zusätzlich einem Midband (alternativ kommt dieses nun oft im Zuge der UMTS-Umwidmung von 2.100 MHz erstmals hinzu).

Wie man hier jedoch deutlich sieht, nutzt auch LTE fast ausschließlich Frequenzen, die schon bei 2G/3G im Einsatz waren oder in der Nähe dieser liegen.

5G – Derzeit mehr Schein & Marketing als Sein – das steckt dahinter

Kommen wir nun also zum aktuellen Dauerbrenner 5G:

Zuerst einmal macht 5G tatsächlich weniger anders, als einen das Marketing glauben lässt. Grundsätzlich setzt 5G nämlich bis auf eine Ausnahme (zumindest hier in Europa) auf die gleichen Frequenzen wie LTE. Es ist weniger eine komplett neue Technologie und mehr eine logische Weiterentwicklung. Nun muss man bei 5G zuerst einmal zwei Varianten unterscheiden: Es gibt 5G Standalone und 5G Non-Standalone. Letzteres ist bisher in Deutschland aktiv und soll erst im Laufe der Zeit auf Standalone umgestellt werden.

Das bedeutet ganz simpel erklärt: In der Standalone Variante ist 5G vollständig unabhängig von 4G, also auch mit eigenem Kernnetz im Hintergrund, so wie dies bei 2/3/4G aktuell ist. Derzeit ist hierfür aber die Hardware noch nicht verfügbar oder sehr teuer. Um nun aber trotzdem frühzeitig mit dem Ausbau und der Verbreitung im Markt starten zu können, hat man sich einen Trick einfallen lassen. Dieser nennt sich 5G Non-Standalone.

In der Non-Standalone Variante ist 5G nicht unabhängig von LTE, sondern nur ein „Aufsatz“ darauf. Das bedeutet, dass neben 5G an einem Standort auch immer LTE vorhanden sein muss, da dieses als sogenannter „Anker“ gilt. Denn die Daten im Hintergrund werden weiterhin über das 4G-Kernnetz verarbeitet. Aktuell ist 5G also kein eigenständiges Netz, sondern ein „Aufsatz bzw. Download-Booster“ für LTE. Die beiden Netze gehen Hand in Hand, was ohne die vielen Gemeinsamkeiten schwerer möglich wäre.

Aktuell wird in Deutschland 5G auf zwei Wegen flächendeckend ausgebaut. Zum einen kommt die Technik DSS zum Einsatz, das steht für Dynamic Spectrum Sharing. Hierbei wird dynamisch je nach Auslastung eine Frequenz zwischen LTE und 5G geteilt. Derzeit geschieht dies in Deutschland auf den Frequenzen 700 MHz (alle Betreiber), 1.800 MHz (bei Vodafone) sowie 2.100 MHz (bei der Telekom). Perspektivisch wird DSS aber wahrscheinlich auf fast allen Frequenzen zum Einsatz kommen.

Die Chance ist groß, dass, wenn in einem kleinen Ort laut Netzkarte 5G verfügbar ist, dies „nur“ DSS ist. Das lässt sich nämlich ohne neue Antennen realisieren, wenn vorher etwa schon 3G (was ja, wie wir uns erinnern ,auf 2,100 MHz lief) verfügbar war. Hier wird also 5G einfach über dieselben Antennen, die technologieneutral sind, ausgesendet. Deshalb hat die Deutsche Telekom beispielsweise schon eine so groß wirkende 5G-Abdeckung, denn hier konnten einfach an fast jedem Standort. wo es 3G gab. die vorhandenen Antennen einfach für 5G umgemünzt werden. Ebenso ist dies bei Vodafone an Sendern, wo bereits LTE auf 1.800 MHz verfügbar war, der Fall. Dort musste dann nur hauptsächlich eine neue Baseband-Unit verbaut werden.

Primär nutzt 5G also bereits jetzt oder in perspektivischer Zukunft genau die gleichen Frequenzen, die auch LTE schon hatte. Nur wird die Technik im Hintergrund etwas effizienter, wodurch bei weniger Stromverbrauch leicht schnellere Geschwindigkeiten möglich sind. Alles andere, also etwa die Carrier Aggregation, die später bei 5G Standalone wieder möglich sein wird, ist nahezu identisch zu LTE. Auch die mit 5G erreichbaren Geschwindigkeiten sind, mit Ausnahme der im folgenden Absatz erwähnten Frequenz, sehr ähnlich zu LTE.

Neu hinzu kommt bei 5G (zumindest in Europa, in den USA gibt es eine weitere, die für uns aber bis auf weiteres irrelevant bleibt), also nur eine Frequenz. Nämlich der Bereich um 3,5 GHz. Zuerst mal braucht es hierbei neue Antennen, da der Frequenzbereich so bisher ja nicht eingesetzt wurde. Da die Frequenz höher liegt, sind noch schnellere Geschwindigkeiten möglich.

Zudem werden im Bereich von 3,5 GHz weitere technische Möglichkeiten eingesetzt, um die Funkwellen gezielter zum User zu leiten. Mittels Beam (Stichwort: Beamforming) lässt sich durch Phasenverschiebung die Versorgung gemäß der benötigten Last ausrichten. Außerdem kann die Antenne generell via Tilt etwas intern bewegt werden (dies ist auch bei früheren Standards schon möglich gewesen). Dies führt, mit einigen anderen Bemühungen, zu erheblich größeren Maximalgeschwindigkeiten von 1.000 Mbit/s und mehr. Da aber der flächendeckende Ausbau und Antennentausch sehr teuer wäre und die Reichweite bei 3,5 GHz aufgrund der geringeren Wellenlänge sowieso nur sehr begrenzt ist, wird der entsprechende Ausbau wohl auf lange Sicht nur in Hotspots wie etwa Stadien, Einkaufspassagen, Innenstadtplätzen und anderen ähnlichen Orten zum Tragen kommen. Auch die Frequenz um 3,5 GHz liegt, wie man oben in der Anfangsgrafik sieht, noch sehr weit unter der für den Mensch sichtbaren und drüber folgenden schädlichen Wellenlänge.

5G ist also erstmal gar nicht so viel anders, als man es vermutet. Es bietet sicher neue Möglichkeiten und hat viele Feinheiten, die der Einfachheit halber im Artikel hier nicht erwähnt sind. Aber grundsätzlich ist es eine logische Weiterentwicklung von LTE, perspektivisch als alleinstehendes Netz, aktuell nur als zusätzlicher Aufsatz. Eine Revolution, wie es das Marketing aber verkaufen will, gerade für den Otto-Normalverbraucher, wird es auf mittelfristige Sicht nicht sein.

Um eine Analogie zu Autos zu ziehen: 5G ist das aktuelle VW Golf-Modell, mit effizienterem Motor und ein zwei neuen Tricks, aber im Grunde das gleiche Grundauto wie vorher auch und keine komplett neue Modellreihe. Man kann also mit Gewissheit sagen: 2/3/4G waren nicht schädlich für uns, und 5G wird es genauso wenig sein, denn es ist im Grunde LTE allzu ähnlich.

Ich hoffe diese Erklärung bringt für einige Leser etwas Licht ins Dunkel und kann etwaige Bedenken oder sogar Angst vor 5G aus dem Weg räumen. Denn wenn man erst einmal ein wenig davon versteht, merkt man, dass viele der kruden Theorien um 5G wenig Substanz haben. Man braucht also auch in Zukunft nicht zu befürchten, dass von Mobilfunk eine Gefahr für uns ausgeht.

Gastbeitrag von Marco aus unserem Blogchat