Die Mobilfunkbranche boomt, so dass viele Basisstationen bald überlastet sein werden, einige davon sind das schon heute. Nun soll 4G weiter ausgebaut und mit 5G dem Mobilfunk noch mehr Leistungsfähigkeit verliehen werden. 5G soll zum Turbo des Internets und der digitalen Ge­sellschaft werden! Aber was bedeutet dieser Turbo für die Strahlenbelastung und die Um­welt - welchen Nutzen hat er für unsere Gesellschaft? Gibt es eine Alternative zu 5G oder zur von den Betreibern priorisierte Mobilfunknetzstruktur, die für Mensch und Umwelt besser wäre?

Zum Zeitpunkt der Schaffung der NISV lagen noch relativ wenige Studien zu Funkstrahlung und Gesundheit vor, seither sind tausende wissenschaftliche Artikel zu Studien er­schie­nen. Nur in der Erkenntnis bez. der tatsächlicher Gefähr­dung sind wir leider nicht wirklich wei­ter ge­kom­men. Dies liegt vielleicht daran, dass es bei Forschungsarbeiten an neuen Ansätzen fehlte, insbesondere hinsichtlich Wirkungen welche nicht mit dem thermischen Modell der ICNIRP erklärbar sind.

Die Ärzte/innen in der Schweiz und auch in anderen Europäische Ländern erachten die heutigen Grenz­werte auf Grund ihres Erfahrungswissens seit langem als zu hoch und fordern aus Sicht der gesundheitlichen Vor­sorge für Aufenthaltsorte einen besseren Schutz.

Aus Sicht der gesundheitlichen Vorsorge sind auch die neuen adaptiven Antennen kritisch zu betrach­ten, die die Funkaussendung zu Beams mit kleinem Öffnungswinkel bündeln, was zu lokal stär­kerer Strahlung führt und diese entsprechend der aktuellen Nutzung, in ihrer Richtung und Kanäle hoch dynamisch anpasst (Beamforming). Die Betreiber fordern mit dem Argument, dass diese Beams nur temporär ein Omen exponieren, dass der Anlagegrenzwert für diese auch als massive MIMO bezeichneten Anten­nen nicht für die höchst mögliche Sendeleistung gelten soll, sondern für eine zeitlich gemittelte Exposition. Dabei verschweigen sie, dass auch über die bisherigen Antennen eine sich stets ändernde Sendeleistung abgestrahlt wird. In der Realität ist es so, dass auch bei Anlagen, die den Grenzwert praktisch voll ausnutzen, auch an den am höchsten exponierten OMEN (Orte mit empfindlicher Nutzung) nur in seltene Fällen im zeitlichen Mittel 1 V/m (ICNIRP-Mittelwert über 6 Minuten) erreicht wird. Auch gestaltet es sich als schwierig oder gar als kaum möglich solche smarten Antennen manipulationssicher messtechnisch zu überprüfen. Sowohl eine zeitliche, als auch eine räumliche Mittelung der Exposition als massgebender Wert für den Anlagegrenzwert zu erklären führt zu einer Schwächung des heutigen Schutzniveaus.

Nicht zuletzt sollte nicht ausser Acht gelassen werden, wie sich 5G als Turbo fürs Internet auf den Stromverbrauch und schlussendlich auf das Erreichen von Klimazielen für Auswirkungen haben wird. Ein exponentielles Wachstum des Datenverkehr, bedeutet mehr Daten in Serverfarmen gehalten und mehr Daten verarbeitet werden müssen - Schlussendlich bedeutet das mehr Energieverbrauch. Für mehr Energieeffizienz dank Intelligenz braucht es kein 5G, das wäre mit der bestehenden Infrastruktur machbar. Auch bedeutet der Trend zu immer mehr mobilen elektronischen Anwendungen die Unabhängigkeit von einer festen Stromversorgung, das bedeutet der Strom für diese Geräte muss von Batterien/Akkus bereitgestellt werden. Oft handelt es sich dabei um Hochleistungs-Akkus mit einer nicht all zu hohen Lebenszeit, die aus seltenen Ressourcen bestehen, deren Abbau die Umwelt oft sehr stark belasten. Es kommt dazu, dass Batterien/Akkus weniger Energie wieder abgeben, wie zum Laden verbraucht wurde.

Mobilfunk

Mobilfunkgenerationen

Geschichte

Mobilfunk war einst drahtlose Telefonie, zuerst verbaut in Autos (Nationales Autotelefon NATEL) und Koffern, später wurden Handgeräte daraus. In den 90er Jahren löste die zweite Generation von Mobilfunk in der Schweiz mit dem digitalen GSM den analogen Mobilfunk­dienst NATEL C ab. Während heute die 2. und 3. Mobilfunkgeneration nur noch für alte Endgeräte aufrechterhalten wird, steht die vierte, Long Term Evolution (LTE), im Zenit. Die LTE-Technik gilt als ausgereift. Sie eignet sich bereits für das Internet der Dinge (IoT), für Maschinensteuerung und Autover­netzung und sie liefert Gigabit-Datenraten. Auch für ein SmartGrid in der Energieversogung reichen die bisherigen Mobilfunklösung vollends aus. Forschung und Standardisierung zu 5G sind noch nicht abgeschlossen. Welche technische Eigen­schaften 5G wirklich haben wird und was davon 2020 bereits verfügbar sein wird, geschweige wie die NISV und deren Vollzug an die neue Mobilfunkgeneration anzupassen ist, steht noch nicht fest. 5G ist, wie schon 4G, eher als eine stetige Evolution zu sehen, die auf Technologien von 4G aufbaut und in Vielem mit 4G kompatibel sein wird. Der Übergang von 4G zu 5G ist fliessend. Das 5G-Netzwerk soll vermehrt auf Softwarelösungen, als auf Hardware-Bauteilen mit festen, schwer zu verändernden Eigenschaften, aufgebaut werden. 
Dies setzt hohe Rechenleistungen bei Nodes und Endgeräte voraus. Mit 5G soll nun das Internet und vor allem auch das IoT eine Turbo Antrieb erhalten.

5G – die 5. Mobilfunkgeneration

Was gilt als 5G?

5G ist nicht die Bezeichnung einer Technologie, sondern ein Pflichtenheft für Mobilfunk­sy­steme, das die Anforderungen beschreibt, die das System zu erfüllen hat, um zur 5. Generation des Mobilfunks zu gehören. Die technischen Regeln für 5G werden von der International Telecommunication Union (ITU) und dem 3rd Generation Partnership Project (3GPP) festgelegt. Die Mindestanforderungen und grundlegende Eigenschaften von 5G wurden bis jetzt wie folgt beschrieben:

Verschiedene Anwendungen im 5G-Netz können verschiedene Anforderungen an Datenübertragung, Latenz oder Datenkapazitäten haben. Diese unterschiedlichen Anforderungen sollen durch Network Slicing separat befriedigt werden. Dabei werden virtuelle Netzebenen mit verschiedenen Eigenschaften parallel betrieben. Spezielle Anwendungen können dann auf die Netzebene zugreifen, die ihren Anforderungen entspricht. So soll flexibel auf die diversen Anwendungsszenarien, die 5G unterstützen soll, reagiert werden können. Drei Anwendungen mit unterschiedlichen Eigenschaften für die entsprechende Netzscheiben hat die ITU-R (der für Funkkommunikation zuständige Sektor der ITU) definiert:

• eMBB (Enhanced Mobile Broadband), Übertragung von grossen Datenmengen mit hoher Datenübertragungsrate, zum Beispiel beim Streaming, vor allem für private Nutzer von Smartphones, Anbindung von Home- oder Mobile- Routern ans Internet usw.
• mMTC (Massive Machine Type Communication), hohe Netzkapazität, viele verbundene Geräte, zum Beispiel Industrie 4.0, IoT (Internet der Dinge), geringer Energieverbrauch bei den Endgeräten
• URLLC (Ultra-Reliable and Low-Latency Communication), geringe Latenz, hohe Verfügbarkeit und Störfestigkeit bei geringeren Datenmengen, zum Beispiel bei kritischer automatischer Kommunikation zwischen Industriegeräten oder Kommunikation zwischen autonom fahrenden Autos

Die theoretisch höchstmögliche Datenübertragung bei einem einzelnen Empfangsgerät pro Basisstation und unter Laborbedingungen soll im Downlink 20 Gbit/s, im Uplink 10 Gbit/s
 betragen und für den Endnutzer eine Mindest-Datenrate im
 Downlink 100 Mbit/s, im Uplink 50 Mbit/s garantiert werden - Die tatsächliche Datenrate hängt von Faktoren wie der Zahl der Endgeräte pro Funkzelle und der Signalqualität am Ende der Luftübertragung ab - Bei LTE werden heute Abos mit bis zu 500 MBit/s angeboten, LTE-Advanced soll zukünftig bis zu 1 Gbit/s bieten können.

Um diese hohen Datenübertragungsraten zu ermöglichen, soll das Frequenzspektrum für die Funkverbindungen verbreitert, mehr Sendestationen an Orten mit vielen Nutzern und Datenverkehr aufgestellt (Network Densification), sowie mehrere Antennen an der jeweiligen Sendestation und am Empfängergerät installiert werden (Massive MIMO).

Die Latenz – mit diesen Angaben ist die Latenz bis zur nächsten Basisstation oder zum benachbarten Gerät gemeint, nicht die Latenz, die der Nutzer beispielsweise beim kompletten Aufrufen einer Internetseite hat – soll nicht höher sein als: 4 ms bei eMBB (zum Beispiel für Streaming) und 1 ms bei URLLC (zum Beispiel bei kritischer Kommunikation zwischen Industriegeräten) - Zum Vergleich: Die Latenz liegt bei LTE zumeist bei circa 15 ms, [9] kann aber oft auch bis zu 40 ms betragen.

Angestrebt sind 1'000'000 Geräte per km².

Wozu 5G?

Die Mobilfunkbranche boomt, so dass viele LTE-Basisstationen bald überlastet sein werden, einige davon schon heute. Aber sie hat auch komplett neue Anwendungsfelder entdeckt, die sie mit LTE gar nicht oder nicht gut genug bewirtschaften kann. Es stellt sich die Frage, ob diese neuen Möglichkeiten dem Gewinnstreben der Mobilfunkbranche dient oder unsere Gesellschaft weiterbringt? Bei der Kapazitätssteigerung gilt es, zwischen den Maximalraten der Normen und den tatsächlich von einem Netzbetreiber genutzten Ausbaustufen zu unterscheiden. Auch 4G wird immer weiterentwickelt. Gemäss der 3GPP-Norm "Release 13" könnte eine LTE-Basisstation heute schon bis zu 25 GBit/s übertragen (LTE-Gerätekategorie 17, Cat-17). Doch das ist eine Spezialität für stationäre Router und der Hacken dabei ist, ein Netzbetreiber braucht dafür 640 MHz LTE-Spektrum (32 Bündel von je 20 MHz). Auch unterstützt LTE mittlerweile auch die Verwendung von Massive MIMO. Mit LTE FDD werden heute mit einem Block von 20 MHz.

Vorerst stehen den Betreibern in der Schweiz im 3.5 GHz- Band lediglich je 80 – 120 MHz breite zusammenhängende Frequenzbereiche zur Verfügung, die Der Downlink (von der Basisstation zum Endgerät) mit dem Uplink (vom Endgerät zur Basisstation) sich teilen müssen. Das ermöglicht erst eine moderte Erhöhung der Übertragungskapazität gegenüber der 4G.

Überlegen ist New Radio (NR), die Luftschnitstelle von 5G, gegenüber LTE vor allem bezüglich Latentzeiten bei der Übertragung. Mit NR sollen Signale in nahezu Realtime übermittelt werden können. Bei der interkontinentalen Übertragung verhindert die Laufzeit über die Distanz, obwohl mit Lichtgeschwindigkeit, sowie zusätzliche Latentzeiten von Knoten und Realais (z.Bsp. ein Satellit) dazwischen, jedoch auch mit 5G Realtime-Anwendungen. Kein Gerät wird gleichzeitig die maximale Bandbreite bei minimaler Latenz und niedrigster Leistungsaufnahme bieten.

Private Router mit 5G Internetanbindung

Unter den ersten 5G-Diensten in den USA überwiegen überraschenderweise drahtlose Festnetzan­ge­bote (Fixed Wireless Access, FWA) mitsamt dazu passenden 5G-Routern. Bei Nutzung von 5G kann die Übertragungskapazität gegenüber 4G gesteigert und die Latenzzeit reduiziert werden. Da sich die Teilnehmer die 5G-Funkverbindung teilen müssen, kommt eine FWA-Funkverbindung nicht die Performance eines Glasfaseranschlusses (Fiber To The Home, FTTH) heran.

Spass - Schnelle Smartphones, Spiele und Virtual Reality

Internetverbindungen mit 5G dürften sich etwas schneller anfühlen, aber der Schritt ist kleiner als von UMTS/HSPA zu LTE. Fürs Videostreaming ist LTE schnell genug: Ein Ultra-HD-Stream (4K, HDR, Surround) benötigt 16 MBit/s, was schon ein einzelner ländlicher LTE-Stream (800 MHz, 50 bis 75 MBit/s) wuppt, wenn die Zelle nicht überlastet ist. Vielen Nutzern dürfte Full-HD-Filme fürs Smartphone-Display genügen, was keine 5 MBit/s und damit nichtmal LTE benötigt. Eher profitiert von 5G, wer häufig einen schnellen Upstream benötigt (etwa für selbstgedrehte Videos), grosse Downloads tätigt oder sein Notebook tethert; anfangs dürften zudem die Zellen weniger überlastet sein als die 4G-Zellen. Wie bei LTE muss es natürlich der Vertrag samt Inklusivvolumen hergeben.

5G soll Edge-Computing bringen, also das Auslagern von Rechenkapazität ins Mobilfunknetz – das soll auch billige Handys spiele- und sogar VR-tauglich machen. 5G müsse ein zukunftsfähiges Smartphone also haben. Praktisch jeder Hersteller hat ein Modell mit 5G angekündigt, vor allem im hochpreisigen Segment werden sie anfangs zu finden sein. Das Versprechen von günstigen Gaming-Smartphones erfüllt sich also bis auf Weiteres nicht. Zudem ist unklar, wie attraktiv Edge-Gaming ist, wenn man dazu ständig im 5G-Netz eingebucht sein muss, statt sein heimisches WLAN zu nutzen – darüber dürften sich vor allem die Mobilfunkprovider freuen.

Am meisten wird der 5G-Nutzer die höhere Geschwindigkeit beim Upload, wie bei der Cloud-Synchronisierungen, den Foto- und Video-Versand, merken. Statt sich leistungsfähige Gaming-PCs anzuschaffen, bietet Cloud-Computing auch für Privatanwender praktische Alternativen: Man benötigt nur noch ein relativ „dummes“ Display und Eingabegeräte, die Rechen- und Grafikpower kommt übers Netz. Allerdings müssen die Eingabebefehle erstmal in ein Rechenzentrum gesendet, dort verarbeitet und die Bilder wieder zurückgeschickt werden. Das dauert oft dutzende Millisekunden, was bei vielen Anwendungen schon zu viel ist. Beispielsweise bei VR-Headsets: Bei einer Kopfbewegung müssen die passenden Bilder möglichst verzögerungsfrei auf die Augen kommen, sonst setzt die berüchtigte Simulatorkrankheit ein: Das Gehirn bringt Kopfbewegungen und Bilder nicht in Einklang – und das schlägt auf den Magen.

Hier kommt 5G ins Spiel: Mobilfunkprovider planen, den Kunden Rechenkapazität zu verkaufen. Dazu installieren sie in den 5G-Basisstationen schnelle Server – vergleichbar mit herkömmlichen Cloud-Computing-Geräten. Der Unterschied ist die geringere Anzahl an Stationen zum Server: Statt über etliche Router hinweg zu einem Rechenzentrum, müssen die Daten nur kurz durch die Luft zur nächsten Basisstation reisen. Da die Server am Rand des Netzes sind statt in der Mitte, bezeichnet man das Ganze als „Edge Computing“.

IoT-Geräte: Internet der Dinge

Für Wearables (Smart Watches, intelligente Kleidung etc.) und IoT-Geräte (Auto- oder Personen-Tracker, Wasseruhren, Stromzähler, Strassenlampensteuerung, Parkleitsysteme, Waschmaschinen Kühlschränke, Milchkannen, Warenpaletten usw.) sind Anwendungen, die Module mit hoher Energieeffizienz gefragt, die jahrelang mit einer Knopfzelle auskommen. Neu ist das nicht, nur dass nun auch die Mobilfunkindustrie diesen Anwendungsbereich abdecken möchte. Sie lockt mit höheren Funkreichweiten und robusteren Übertragungen. Mobilfunk-IoT bedeutet jedoch auch Mobilfunkkosten, die bei Bluetooth, LoRaWAN und weiteren Small-Funk-Standards nicht anfallen. Mit der Enocean gibt es für Smart-Home-Anwendung seit 2008 eine nachhaltige Funktechnologie, deren Sensoren ohne Energie­ver­sorgung auskommt. Die Sender nutzen die Piezoelekrizität von Schaltern, Solarzellen, Peltier-Ele­mente und elektrodynamischen Energiewandlern.

Smart Factory - Industriellen Produktionsanlagen und Logistikzentren

In Produktionshallen sind heute noch auf viele km an Kabel verlegt, deren Verlegung sehr kostspielig ist. Besonders an beweglichen Teilen sind Kabel einem hohen Verschleiss, was einen grossen Unterhalt bedeutet und nicht selten zu Produktionsunterbrüchen führt. Das kostet.

Der Hauptgrund für «wireless» in der Industrie ist aber nicht der Maschinenausfall, sondern die komplette Kabelunabhängigkeit, die freie Bewegung im Raum ermöglicht. Einen mobilen Roboter kann man oft vielfältiger einsetzen. Und man kann ihm Abläufe beibringen, die ein verkabelter Roboter nie ausführen kann. Solche Abläufe erfordern oft eine Realtime Steuerung. Bei bisherigen WLAN-Standards ist jedoch Realtime, Handover bei Zellenwechsel und Störung durch andere Geräte, die das selbe lizenzfreie Frequenzband nutzen ein Problem. Selbst der neue IEEE Standard 802.11ax erfüllt industrielle Anforderungen nicht wirklich. Es gibt bis heute nur proprietäre industrielle Funklösungen für den harten Realtime-Einsatz. Es sind aber Entwicklungen im Gange, die auch im Bereich von WLAN diesbezügliche Lösungen ermöglichen sollen. Zu Hinterfragen ist vor allem eine 5G-Lösung, bei der die Geräte in einer Produktionshalle an einen 5G-Knoten ausserhalb des Gebäudes angebunden werden sollte.

Smartfarming und digitale Nahrungsmittelkette

Teilautonome Mähdrescher mit Internet-Anschluss und GPS werden schon seit mehr als 10 Jahren eingesetzt. Mit 5G wird die Vision verknüpft, zukünftig mit einem System eine ganze Nahrungsmittelkette erfassen zu können. So soll z.Bsp. ein Mähdrescher auf dem Feld für jeden Quadratmeter erfassen, wie viel Getreide er erntet und in welcher Qualität. Mähdrescher, Traktor, LKW und Mühle sind miteinander vernetzt, sodass jedes Glied der Transportkette über Menge und Qualität der Ernte im Bilde ist und Entscheidungen treffen kann, wie, ob die Qualität für die Brotverarbeitung genügt oder nur als Futterweizen verwendet werden kann. Am Ende der Ernte verfügt der Landwirt zudem über eine lückenlose Dokumentation, was für die Nachweisführung wichtig ist. Eine solche Vision erfordert aber auch in ruralen Gebieten eine 5G Abdeckung. Nur welche landwirtschaftliche Betriebe können sich solche Investitionen leisten, haben Kleinbetriebe, wenn sich so hochtechnisierte Systeme etablieren, überhaupt eine Überlebenschance und was haben die Konsumenten schlussendlich von einer solchen Investition? Wem nützt eine solche Entwicklung, ausser den Mobilfunkbetreibern?

mHealth - Telemedizin

Mobile Geräte wie Smartphones, Tablets, Laptops oder Wearables (tragbare smarte Geräte, wie z.b. Smartwatches, Activity Tracker, respektive Fitnessarmbänder) übernehmen zunehmend medizinische Dienstleistungen sowohl im Bereich Lifestyle als auch im Bereich der Diagnostik und Therapie. In diesem Fall spricht man von mHealth-Anwendungen, welche einen Teilbereich der eHealth darstellen. Diese neuen Hilfsmittel können bei einer Verknüpfung mit dem elektronische Patientendossier die Ärzte bei ihrer täglichen Arbeit komplementär unterstützen (z.B. Langzeit-EKG-Untersuchungen oder die Untersuchung des Schlafverhaltens). Auch Patienten können sie zum Beispiel beim Umgang mit ihrer eigenen Erkrankung eine Hilfestellung anbieten und im besten Falle dazu beitragen, dass Patienten mit chronischen Leiden auch zu Hause betreut werden können. Beim Ambient Assisted Living AAL geht es darum, Alte und Kranke in der häuslichen Umgebung zu überwachen und zu versorgen. Dazu kommen IoT-Technologien zum Einsatz wie: Sturzsensoren (z.B. in Teppichen eingewebt), smarte Überwachungskameras, Vernetzte Briefkästen, Bewegungs- und Feuchtigkeitssensoren in Betten.

Als sehr kritisch zu betrachten sind Geräte und Applikationen, die Daten Krankenkassen oder gar Dritten zur Verfügung stellen. Diese Anwendungen sind jedoch alle nicht auf 5G angewiesen.

Smart Vehicles - Schwarmsicherheit im Verkehr

Die Autovernetzung soll in ferner Zukunft der Realisierung autonomer Fahrzeuge dienen, jedoch zunächst die Sicherheit im Strassenverkehr erhöhen. Verkehrsteilnehmer, die untereinander wesentliche Betriebsparameter und Sensordaten austauschen, sollen Kollisionskurse erkennen und Zusammenstösse vermeiden oder nutzen Geschwindigkeitsdaten kooperativ für sichere Überholmanöver und einen kontinuierlichen Verkehrsfluss. Für derartige Anwendungen steht weltweit das Funkband 5.9 GHz bereit. Bisher gibt es dafür zwei inkompatible Funkverfahren: Die ältere auf WLAN-basierende IEEE-Spezifikation 802.11p und die 2017 verabschiedete LTE-Sezifikation Cellular- Vehicle-to-Vehicle (C-V2V). Die EU-Kommission setzt auf 802.11p, die Autoindustrie, USA und China auf C-V2X. Auch übergeordnete Verkehrsleitende Massnahmen können über eine solche Vernetzung realisiert werden. Störend, vielleicht gar überfordert, sind dann Verkehrsteilnehmer, die damit nicht ausgerüstet sind.

Heute schon senden smarte Fahrzeuge, wie z.Bsp. ein Tesla, laufend Daten des Fahrzeugs aus dem Boardcomputer, der mit dem Navi verbunden ist, an dessen Hersteller. Das sind nicht zuletzt auch Daten über deren Nutzer. Daten, die auch dazu dienen könnten Mautgebühren automatisch abzukassieren oder den Versicherungen dienen könnten, fahrstilabhängige Policen zu verkaufen. Werbenetzwerke könnten dem Fahrer personalisierte Werbung ins Auto schicken.

Fazit über die zukünftige Anwendung von 5G

Mit 5G wird uns heute schon sehr viel versprochen, vieles von dem wir heute nicht wissen können, ob diese Anwendungen in dieser Form auch kommen werden und ob diese dann auch tatsächlich auf 5G basieren. Sicher ist nur, dass die Mobilfunkbetreiber in 5G ein riesiges geschäftlich Potenzial für sich sehen, wenn mit vielversprechender Werbung den potenziellen Kunden diese «schöne neue Welt» schmackhaft gemacht werden kann und die Behörden ihnen keine wesentlichen Hemmnisse in den Weg legen. Die Verfasser dieses Berichts sehen in 5G keinen wertvollen Nutzen für unserer Gesellschaft. Nice to have - jedoch zu welchem Preis?

Entwicklung der Nutzung

Die nachstehenden Datenangaben und –prognosen basieren auf dem Ericsson Mobility Re­port vom November 2018. Grundsätzlich werden die im Ericsson Mobility Report beschriebenen Entwicklungen auch in der Schweiz erwartet. Auch mit der Einführung von 5G wird in den nächsten zwei bis fünf Jahren eine weitere starke Steigerung des Datenvolums auf dem 4G Netz erwartet. Dies bedeutet konkret, dass die Mobilfunknetze schon alleine für die 4G Technologie weiter ausge­baut werden wird.

So machen die Videoanwendungen heute bereits mit etwa 60% den grössten Anteil des gesamten Datenvolumens aus. Es wird erwarten, dass dieser Anteil in den kommenden Jahren stark an­wach­sen wird, da Bildübertragungen in vielen Bereichen (z.B. Produktion, Bildung, Video­kon­feren­zen, Überwachung, Medizin, Augmented Reality und Virtual Reality) zunehmen werden.

Wie geht es weiter?

Mit 5G sind nun 4 Mobilfunkgenerationen parallel in Betrieb

Mit der Inbetriebnahme von 5G- Mobilfunk werden in der Schweiz von 3 Anbietern je 4 Mobil­funk­netze parallel betrieben, dazu gesellen sich noch die die Bahnen mit ihrem GSM-R. Wenn New Radio flächendeckend eingeführt ist, wird es 13 parallele Mobilfunknetze in der Schweiz geben. Es braucht eine ernsthafte Diskussion, ob es sinnvoll ist, 4 Mobilfunkgenerationen parallel zu betreiben.

GSM – 2G – hält sich hartnäckig!

GSM (2G) abzuschalten würde grosse Investitionen bei GSM-Kunden bedeuten, jedoch bei einer Abschaltung ledig­lich 5% der heutigen Sendeleistung aller Mobilfunkanlagen für andere Anwendungen freigeben. Ein Verzicht auf GSM würde vor allem Alarmanwendungen bei industriellen Steue­run­gen, den Notruf in Liftanlagen und weiter Anwendungen mit sehr wenig Datenvolumen betreffen. Des­halb würde ein Verzicht auf GSM bei Hauseigentümern, Industrie und Gewerbe auf Wider­stand stossen. Jedoch sollte bis spätestens 2030, besser früher, diese nicht mehr zeitgemässe Funktechnik ausser Betrieb gesetzt werden.

Kurzfristig sollte in Betracht gezogen werden, bei GSM die reinen Trafic-Chan­nels (8 paral­lele Teilnehmer pro Frequenzkanal) abzuschalten und nur noch den Brodcast-Chan­nel zu betrei­ben, der nebst den Steuersignalen auch noch 7 Teilnehmer parallel bedienen kann. Auch könnte es sinnvoll sein, die 4 GSM- Netze (Mobilfunkbetreiber + Bahnfunk) durch ein GSM-Einheitsnetz zu erset­zen. Eine solche Massnahmen würden vor allem Frequenzkanäle für modernere Anwendungen frei machen und in ländlichen Gebieten die Emissionen und Energieverbrauch geringfügig reduzieren.

Wie sinnvoll ist es an der 3. Mobilfunkgeneration festzuhalten?

UMTS macht ca. 25 % der heutigen Sendeleistung aus, die man bei einer Abschaltung von 3G für modernere Mobilfunk­techno­logien mit einer signifikant hören spektralen Effizienz nutzen könnte. Diese Technologie wird heute von vielen Mobile-Nutzern (Handy, Smartphones und Tablets), die keinen grossen Wert auf schnelles Internet legen, verwendet.

Ein UMTS-Signal ist schmalbandiger als ein typisches LTE-Signal und erreicht dadurch wohl eher etwas kleinere Expositionsspitzen.

Wird 4G nun von 5G abgelöst?

In den nächsten 5 Jahren wird mit LTE (4G + 4.5G) die weit grössere Datenmenge übertragen werden, wie welche, die von New Radio übernommen werden kann. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Nutzer ihre 4G Geräte nicht so rasch erset­zen werden und echtes 5G vorerst gar noch nicht zur Verfügung steht.

Wie wird sich 5G entwickeln?

Infrastruktur

Die derzeit aufgebauten Sendeanlagen mit New Radio erfüllen die Spezifikationen für 5G noch noch wirklich und stellen streng genommen erst 4.8G dar. Echtes 5G wird wahrscheinlich erst mit der Nut­zung von mmWaves und wenn direkten Kommunikation zwischen Endgeräten (Device to Device, D2D) möglich sein wird, zur Verfügung stehen. Zur Nutzung von mmWaves müssen in Europa in diesem Bereich Frequenzbänder neu dem Mobilfunk zugewiesen wer­den. Erst danach können diese national an Mobilfunkbetreiber versteigert werden.

Was hat 5G für einen Nutzen, wenn dahinter die Übertragungskapazitäten und Kapazitäten in Datencenter fehlen? Der Ausbau von 5G bedeutet auch, dass alles was hinter 5G gebraucht wird, auch ausgebaut werden muss (was nützt der NEAT-Basistunnel ohne Ausbau der Nord- und Südrampe un d ohne gute internationale Anbindung?).

Endgeräte und Anwendungen

Die ersten Smartphones, welche 5G unterstützen, sind bereits 2019 am Markt erhältlich, 2020 sollen die ersten Notbooks dazu kommen und wahrscheinlich auch Tabletes. Apple wird mit ihren ersten 5G-Produkten noch eine Weile zuwarten. Auch die Industrie reagiert nicht so schnell auf eine neue Technologie.

Was kommt nach 5G?

Wenn schon 5G so gigantische Performance bieten soll, wird danach eine nächste Mobilfunk­generation folgen? Eine Forschergruppe an der finnische Universität Oulu, die mit rund 60 Organisationen in diversen Mobil­funkbereichen zusammenarbeitet, hat bereits ein mit 251 Millionen Euro geförderte Projekt mit dem Namen 6Genesis gestartet. Auch Huawei, NTT DoCoMo und viele andere forschen bereits für 6G! Ende März gab es im finnischen Levi Ski Resort ein erstes Treffen unter dem Dach des 6Gsummit, an dem 287 Institutionen und Unternehmen aus 28 Ländern teilgenommen ha­ben. Die Vision ist, die Performance von Funknetzwerken mit zusätzlichen Funkbändern im Tera-Hertz-Bereich nochmals bedeutend zu steigern, punktuell möglicherweise sogar Terabit-Ge­schwin­dig­keiten zu erreichen. Einer ersten Vorstellung zufolge sind vielleicht 1000 Funk­ein­heiten pro Person zu erwarten. So soll die 6G-Platt­form "Trillionen von Objekten" vernetzen, statt nur "Milliarden von Smartphones". In diesem Szenario kommt der Künstlichen Intelligenz eine Schlüsselrolle zu. Sie soll den besten Funkweg ermitteln und den besten Funkkanal aufzubauen, über den sich Daten vom Endgerät zur Basisstation funken lassen – KI-Algorithmen sollen blitzschnell die besten Ein- und Aus­tritts­winkel für Richtstrahlen berechnen und diese im Zick-Zack um Objekte und Lebewesen herum zur Basisstation und zurück führen. Um den den Bereich 100 GHz funktechnisch nutzen zu können wird noch viel Forschung erforderlich sein. Um dies zu ermöglichen hat die US- Regulierungsbehörde FCC kürzlich bereits experimentelle Lizenzen mit einer Laufzeit von bis zu 10 Jahren für solche Frequenzen festgelegt.

Alternativen zu Mobilfunk

Breitbandanschlüsse über das Fixnet

in Arbeit

LEO Satelliten

in Arbeit

Lokale Funknetze

Wireless LAN (WLAN, Wifi)

DECT Schnuelostelefone und Babyphone

Funktechnologien

Nutzung von Frequenzen, Zugriffsverfahren & Netzstrukturen

in Arbeit

Frequenzbänder

in Arbeit

Radiowellen (RF)

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Mikrowellen (MF)

in Arbeit

Millimeterwellen (mmWaves / mmW)

Die Ziele von 5G, insbesondere die angestrebten^1'000'000 Geräte per km², wenn die Nutzerzahlen steigen auch die versprochenen Datenraten, sind mit den heute den Betreibern zur Verfügung stehenden Frequenzbänder bei Weitem nicht erreichbar. In den USA werden diese bereits genutzt, in Europa sind sie noch nicht für den Mobilfunk freigegeben. Die Europäischen MobilfunkbBetreiber wollen wohl bald auch (geschätzt 2022 /2023) Funkbänder im Millimeterwellenbereich nutzen können.

Duplexverfahren

Als Duplex bezeichnet man in der Kommunikationstechnik die Richtungsunabhängigkeit eines Kommunikationskanals. Es gibt verschidene Verfahren um den Downlink (von der Basisstation zum Endgerät) und den Uplink (vom Endgerät zur Basisstation) zu trennen.

FDD: Frequency Division Duplex
Für eine Verbindung werden zwei Funkkanäle gebraucht, je ein seperater für den Downlink und den Uplink.

TDD: Time Division Duplex
Für eine Verbindung wird nur ein Funkkanal gebraucht - Somit müssen sich Downlink und den Uplink diesen Kanal teilen. Dabei kommt eine zeitliche Aufteilung getroffen werden, es ist aber auch eine Aufteilung von Sub-Channels möglich

SDL: Supplemental Downlink
Bei 4G und 5G können die FDD mit zusätzlichen Kanälen erweitern, um die Kapazität für den Downlink zu vergrössern.

Multiplexverfahren

Als Multiplexverfahren werden in der Nachrichtentechnik verschiedene Verfahren für einen Vielfachzugriff (von engl. multiple access) bezeichnet, die zur Aufteilung der Übertragungskapazität eines Übermittlungssystems unter die daran angeschlossenen Stationen dient. Bei funkbasierenden Übermittlungssystemen kann es sich beispielsweise um einen Funkkanal, einen Zeitschlitz oder eine räumliche Trennung handeln.

SDMA: Space Division Multiple Access
Beim Raummultiplexverfahren wird für jede Gruppe von Verbindungen ein separater Raumsektor oder eine eigene Richtfunkstrecke verwendet. Zur Vermeidung gegenseitiger Störung müssen die Räume ausreichend Abstand zueinader aufweisen.

FDMA: Frequency Division Multiple Access
FDMA ist ein Multiplexverfahren, mit dem gleichzeitig mehrere Signale auf mehrere Träger verteilt übertragen werden können. Die Träger sind unterschiedlichen Frequenzen zugeordnet, weswegen auch der Begriff Frequenzmultiplex verwendet wird.

OFDM: Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
OFDMA ist eine spezielle Implementierung eines FDMA. Bei diesem Modulationsverfahren werden mehrere Träger, die als Unterkanäle dienen, ortogonal (90° phasenverschoben) überlagernd angeordnet. Die Unterträger werden typischerweise in QPSK oder QAM moduliert.

OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access Der Hauptunterschied zwischen einem OFDM- und einem OFDMA-System besteht darin, dass der Teilnehmer in dem OFDM nur in der Zeitdomäne zugeordnet werden kann, während beim OFDMA dieser sowohl nach Zeit als auch nach Häufigkeit strukturiert werden kann. Dies ist bei Funkübertragungen nützlich für LTE, da hiermit die Frequenzabhängigkeitsplanung genutzt werden kann. Beispielsweise könnte die Tatsache ausgenutzt werden, dass Benutzer 1 möglicherweise eine bessere Funkverbindungsqualität in einem bestimmten Bandbreitenbereich der verfügbaren Bandbreite aufweist. OFDMA eignet sich sehr gut für Downlink. Da diese einen hohen Crestfaktor (Verhältnis von Spitzenleistung zu durchschnittlicher Leistung) aufweist, eignet es sich es nicht für den Uplink.

SOFDMA: Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access SOFDMA unterscheiden sich von OFDMA durch die Skalierbarkeit der Unterträger. Dabei können Gruppen von Unterträgern unterschiedliche Signalbandbreiten oder ein TDMA zugewiesen werden.

SC-FDMA: Single Carrier FDMA SC-FDMA bietet den Vorteil eines Single Carrier Multiplexing mit einem kleineren Crestfaktor (Leistungsverhältnis von Spitze zu Durchschnitt), was vor allem bei Uplinks von Mobiles eine grosse Bedeutung hat. Bei SC-FDMA werden die Symbole (Dadtenpakete)r so vorcodiert, so dass jeder Unterkanal einen Teil jedes Symbols enthält.

TDMA: Time Division Multiple Access
TDMA ist ein Zeitmultiplex bei dem die einzelnen Teilnehmer ihre Daten nacheinander in eigenen Zeitslots übertragen.

CDMA: Code Division Multiple Access
CDMA ist ein Multiplexverfahren, das die gleichzeitige Übertragung verschiedener Nutzdatenströme auf einem gemeinsamen Frequenzkanal ermöglicht. Der gemeinsam genutzte Kanal weist dabei eine grössere Signalbreite auf, als der Nutzdatenstrom belegt, weil zur Unterscheidung der verschidenen Datenströme diese mit speziellen Spreizcodes, der als Identifikator dient, gespreizt werden.

Mobilfunk Standards

GSM

UMTS

LTE

New Radio

Non-Standalone
Der Non-Standalone (NSA) -Modus von 5G NR bezieht sich auf die Option die 5G NR erlaupt, die Steuerebene (4G Evolved Packet Core) des vorhandenen LTE-Netzwerks zu nutzen, während sich 5G NR ausschliesslich auf die Teilnehmerebene konzentriert. Dass man so auf eine vorhandene Infrastruktur zurückgreifen kann soll die Einführung von 5G beschleunigen.

Standalone-Modus
Der Standalone (SA) -Modus von 5G NR bezieht sich auf die Verwendung von echten 5G-Zellen sowohl für die Steuerebene als auch für die Informationsübertragung. Diese Variante enthält die neue 5G Packet Core- Architektur. Mit der neuen technologie sollen die Kosten gesenkt, die Effizienz gesteigert und die Entwicklung neuer Anwendungsfälle unterstützt werden.

WLAN- Standards

Wireless LAN (WLAN) IEEE 802.11

in Arbeit

IEEE 802.11aj-2018 (China 45 GHz und 60 GHz)

in Arbeit

IEEE 802.11ak

in Arbeit

IEEE 802.11aq

in Arbeit

IEEE 802.11bb - Light Communications (LC, Lifi)

Die Light Communication Group (LC) als Task Group 802.11 Tgbb dabei die Datenüber­tra­gung im Lichtspektrum rund um den sichtbaren Bereich (800 bis 400 Nanometer) zu definieren. Ziel für die auch Lifi genannte Technik sind Datenraten zwischen 10 MBit/s bis 5 GBit/s brutto.

Schon bald sollen beispielsweise LED-Leuchten auf den Markt kommen, die gleichzeitig als Access Points dienen. Für die hohen Geschwindigkeiten werden Smartphones oder Notebooks zukünftig integrierte Lifi-Module benötigen. Denn die heute bereits in solchen Geräten verbauten Lichtempfänger (Helligkeitssensor, Frontkamera) dürften nur sehr niedrige Datenraten ermöglichen.

Antennen

in Arbeit

Single Omni- und Sektorantenne

in Arbeit

Multi Input multi Output Antennen (MIMO)

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Adaptive Antennen (massive MIMO)

in Arbeit