Was leistet 5G auf welchen Frequenzen? WLAN oder 5G: So sehen es die Mobilfunker

WLAN ist halbwegs unkompliziert, bezahlbar und in Firmen weit verbreitet. Aber die WLAN-Bänder sind oft überlastet. 5G verspricht geschützte Frequenz-Bänder, Stabilität, rasanten Speed und sehr kurze Reaktionszeiten. Jetzt haben die Architekten der Firmennetze die Qual der Wahl.

In der ersten Runde unserer Serie „WLAN oder 5G: Wer macht das Rennen“ haben wir die WLAN-Hersteller Aruba, Cisco, HPE, Lancom und Ruckus sowie den ITK-Distributor Ingram Micro befragt: Klar dass diese Anbieter gute Argumente für Wi-Fi 5 und Wi-Fi 6 liefern konnten, etwa die komplett eigene Kontrolle von Firmen-Kunden über das betriebliche Funk-Netz.

Chaos im kostenlosen WLAN?

Doch WLAN hat ein immer größeres Problem: Die knappen Frequenzbänder bei 2,4 und 5 GHz sind immer stärker überfüllt, weil sie nichts kosten, weil man sie fast überall auf der Welt lizenzfrei, sprich umsonst, nutzen darf. Jeder darf Wi-Fi-Stationen, WLAN-Router und WLAN-Repeater nach Belieben aufstellen: Egal ob große, mittlere oder kleine Firmen, Behörden, Schulen, Unis, Krankenhäuser, Gewerbetreibende, Freiberufler oder private WLAN-User. Zwar soll mit Wi-Fi 6 vieles besser werden, aber der freie Zugang zu den WLAN-Bändern, und damit das Hauptproblem, bleibt bestehen.

Ordnung im teuren Mobilfunknetz

Ganz anders im Mobilfunk: Wer dort die knappen Frequenzen nutzen will, muss zuvor Millionen oder Milliarden Euro auf den Tisch des Staates blättern. In Deutschland waren dazu bis vor kurzem nur wenige Mobilfunk-Netzbetreiber (MNO) willens und in der Lage: Deutsche Telekom, Telefonica, Vodafone, und neuerdings auch der MNO-Newcomer 1&1 Drillisch.

Rein theoretisch könnten die Telkos dieser Welt dank ihrer geschützten Frequenzen dem User eine weitaus höhere Qualität und Stabilität als die meisten WLANs bieten. Allerdings nehmen die MNOs aus Kostengründen meist viel mehr Nutzer in eine einzige Mobilfunk-Zelle herein, als bei WLANs üblich. Je mehr Nutzer aber in der Zelle sind, desto weniger Speed und Stabilität bleibt für den Einzelnen übrig.

Auktion bei Frequenz-Knappheit

Weil die Mobilfunk-Frequenzen knapp sind, werden die Nutzungsrechte meist in Auktionen für einen befristeten Zeitraum versteigert. Nach dem Erwerb eines Frequenz-Spektrums für 3G, 4G oder 5G mussten und müssen die MNOs ein passendes Mobilfunknetz aufbauen.

Standorte für die 5G-Infrastruktur

In Deutschland wurden schon mehr als 70.000 Antennen-Ensembles auf Masten und Türmen montiert, nachdem zuvor teils langwierige Genehmigungsverfahren und Bürgerproteste durchlaufen wurden. Je schneller die Antennentürme ihre Daten funken, desto schneller muss auch das dahinter liegende Netz den Datenverkehr ableiten bzw. bereitstellen können. Daher sollte man 5G-Basisstationen in der Regel an Glasfaser koppeln, damit es keinen Daten-Stau hinter den Antennen gibt. Doch auch die Rechenzentren in den dahinterliegenden Kernnetzen müssen ständig ausgebaut werden.

MNO-Partner und Netzwerkausrüster

Hinter den MNOs stehen Kooperationspartner und Netzwerkausrüster wie Cisco, Ericsson, HP Enterprise, Huawei, Kathrein, Nokia, Samsung, ZTE und einige mehr, die Netze nicht nur liefern können, sondern teils auch bauen, manchmal sogar vorfinanzieren und an die MNOs zurück vermieten. Zu den größten Standort-Erbauern gehört derweil auch die DFMG Deutsche Funkturm, eine Tochter der Deutschen Telekom.

Geschäftsmodelle und Rechtssicherheit

Weil die MNOs viel Geld für Frequenz-Ersteigerung und Netzaufbau ausgeben, brauchen sie ein funktionierendes Geschäftsmodell und viel Rechtssicherheit, damit das investierte Kapital auch wieder mit Gewinn zurückkommt. Traditionelle Erlösquellen sind Mobilfunk-Verträge mit privaten und gewerblichen Kunden. Doch dieses bewährte Geschäftsmodell könnte ins Wanken kommen, wenn Industrie-Betriebe, Städte und Gemeinden ihre eigenen 5G-Netze aufbauen dürfen.

5G von 400 MHz bis 86 GHz

Die aktuell stark diskutierten 5G-Pionier-Bänder von 3400 bis 3800 MHz sind nur mal der Anfang. 5G ist sehr flexibel und dürfte auf lange Sicht von 400 MHz bis 86 GHz funken. Greifen wir nur mal die vorerst wichtigsten Frequenzen heraus.

5G-Frequenzen ab 700 MHz

Frequenzen von 700 bis 900 MHz sind längst an bundesweite Mobilfunker vergeben. Sie dienen heute vor allem der mobilen Telefonie und der 3G/4G-Internet-Kommunikation. Man könnte diese Bänder künftig aber auch mit 5G bespielen. Typische Eigenschaften dieser Frequenzen, etwa laut Bitkom (alles nur Circa-Werte):

Zellgröße: 1 bis 10 Kilometer
Download: 20 bis 75 Mbps
Upload: 10 bis 25 Mbps

Beispiel 1 für 700 MHz: 5G-Testfeld ICE und A9

Zwischen Nürnberg und Greding läuft ein großes 5G-Testfeld namens 5G-Connected Mobility entlang einer ICE-Schnelltrasse und auf der benachbarten Autobahn A9 bei Frequenzen um die 700 MHz. Vor allem Bahn und Autobauer sammeln in diesem Projekt Erfahrungen mit 5G-Anwendungen. Der Autor dieser Story hat sich das bei einer ICE-Testfahrt mit Verkehrsminister Andreas Scheuer im Februar 2019 angeschaut: Da wurde unter anderem schon die ganz wichtige 5G-Technik namens Network Slicing eingesetzt, so etwas Ähnliches wie Software-definierte, virtuelle Netze. Als Funk-Medium wurde per Februar 2019 aber noch 4G LTE verwendet, kein echtes 5G NR, sprich 5G New Radio. Ein kleiner Etikettenschwindel also.

Beispiel 2 für 700 MHz: TV-Empfang am 5G-Handy

Normalerweise braucht ein 5G-Rollout viele kleine Low-Power-Antennen. Das gemeinsame Forschungs-Institut von ARD und ZDF, das Institut für Rundfunktechnik in München, kurz IRT, beweist dass es auch anders geht: Seit Mai 2019 senden die 5G-Forscher nämlich TV-Programme von zwei High-Power-High-Tower-Antennentürmen vom Wendelstein und aus Ismaning über halb Bayern hinweg. Zellgröße je Turm: 60 Kilometer! 5G-Today-Projektpartner Rohde & Schwarz sponsert FeMBMS-Transmitter für 100 kW ERP. Kathrein sponsert Antennen und umgebaute TV-Handys. Telefonica die nötige Frequenz-Lizenz bei 700 MHz. Der Bayerische Rundfunk (BR) unter anderem Programm und Know-how.

5G-Smartphone im Kinderwagen

Die Smartphones im 5G-Today-Testprojekt sind zurzeit noch Groß und Hand-gestrickt. Sie wurden kürzlich in einem umgebauten Kinderwagen eines kreativen Kathrein-Ingenieurs im IRT vorgeführt. Es gab zwar schon früher Klapp-Handys mit eingebautem TV-Empfänger und ausziehbarer TV-Antenne, etwa von LG. Diese haben sich aber damals nicht breit durchgesetzt: Zu aufwändig, zu teuer, zu viel Stromverbrauch, zu kleine Displays. Künftige 5G-Handys dürften 5G-TV-fähig sein, und zwar ohne einen speziellen TV-Empfänger zu benötigen. Das macht 5G halt nebenbei.

5G-TV ohne SIM-Karte

Vorteil von 5G-TV: Der TV-Konsum läuft ohne SIM-Karte und ohne Mobilfunk-Gebühren. Der Konsum wäre wohl in den GEZ-Gebühren enthalten. Die TV-Sender (und die Nutzer) sparen sich enorme Kosten im Vergleich zu einer TV-Verbreitung über normale, kleinzellige Mobilfunknetze.

Großzelliger 5G-Broadcast und kleinzelliger 5G-Mobilfunk

Radio- und Fernseh-Sender sind zudem extrem ausfallsicher und ausgesprochen redundant gebaut. Sie funktionieren meist auch noch bei Terrorakten und bei Katastrophen, wenn das Mobilfunknetz längst ausfällt oder abgeschaltet wurde. Cyber-Hacker sind im TV-Umfeld auch noch kein großes Thema. Die Systeme sind nämlich relativ geschlossen. Somit wäre eine Grundversorgung der Bevölkerung samt Katastrophenwarn-Hinweisen über 5G-High-Power-High-Tower wohl besser zu gewähren als über die normalen Mobilfunk-Betreiber. In einigen Fällen musste der Mobilfunk auch schon partiell abgeschaltet werden, damit Terroristen sich nicht mehr absprechen und auch keine Bomben über Handy fernzünden können. Nachteil der 5G-TV-Sender: Sie senden One-Way, sprich unidirektional, das heißt, sie haben erst mal keinen Rückkanal. Die fernere Vision ist aber eine Mischung beider Infrastrukturen: Großzelliger 5G-Broadcast und kleinzelliger 5G-Mobilfunk.

Galoppieren wir jetzt noch schnell durch weitere 5G-verdächtige Frequenzbereiche:

5G-Frequenzen um 2 GHz: bundesweit

Lizenzen um 2 GHz wurden zuletzt per 12. Juni 2019 von der BnetzA in Mainz für die bundesweite Nutzung versteigert. Wichtige Eigenschaften laut ITK-Branchenverband Bitkom:

Zellgröße: 0,5 bis 5 Kilometer bei direkter Sicht
Download: 40 bis 150 Mbps
Upload: 20 bis 50 Mbps

5G-Frequenzen von 3,4 bis 3,7 GHz: bundesweit

Diese 5G-Pionier-Frequenzen wurden ebenfalls per 12. Juni 2019 für die Bundesweite Nutzung versteigert. Eigenschaften laut Bitkom:

Zellgröße: 0,3 bis 3 Kilometer bei direkter Sicht
Download: 200 bis 1.000 Mbps
Upload: 100 bis 200 Mbps

5G-Frequenzen von 3,7 bis 3,8 GHz: lokal und regional

Diese Frequenzen mit einer Gesamtbreite von immerhin 100 MHz wurden aus der bundesweiten 5G-Versteigerung ausgeklammert. Sie sind für die lokale und regionale Nutzung reserviert: Dazu die BNetzA-Webseite, Abruf per 1. Juni 2019: „Dadurch können auch regionale Netzbetreiber, kleine und mittlere Unternehmen oder Start-Ups, mit einem erst künftig auftretenden Frequenzbedarf, sowie Gemeinden und Vertreter der Land- und Forstwirtschaft das Potenzial der kommenden Mobilfunkgeneration 5G für Anwendungen in der Wirtschaft und Industrie nutzen bzw. die Mobilfunkversorgung im ländlichen Raum verbessern“. Die Eigenschaften bei 3,7 bis 3,8 GHz sind ähnlich wie oben im Abschnitt 3,4 bis 3,7 GHz beschrieben.

5G-Frequenzen bei 26 GHz: lokal

Dazu die BNetzA-Webseite, Abruf per 1. Juni 2019: „Für lokale Zuteilungen sollen im Bereich bei 26 GHz Frequenzen, insbesondere für 5G-Anwendungen, bereitgestellt werden. Hierzu hat die Bundesnetzagentur erste Erwägungen entwickelt, die als Grundlage für die Erarbeitung von Zuteilungsregelungen dienen sollen“. Eigenschaften laut Bitkom:

Zellgröße: 10 bis 300 Meter bei direkter Sicht
Download: 2.000 bis 10.000 Mbps
Upload: 1.000 bis 2.000 Mbps

Mini-Antennen in Klebe-Bändern

Je höher die Frequenzen, desto kleiner in der Regel die 5G-Antennen, desto kleiner auch die Funk-Radien und die Zellgrößen. Aber wo soll man diese vielen Antennen denn alle aufstellen? Vermutlich werden die winzigen Antennen künftig auch in kostengünstigen „Antenna-Stripes“ versteckt: Das ist so eine Art Tesa-Streifen mit integrierten 5G-Antennen samt aufgedruckten Ethernet-Käbelchen und einem Ethernet-Stecker am Ende. Man kann diese Antennen-Bänder zum Beispiel an Wände und Decken kleben, unter den Teppich oder auf eine Vorhangleiste.

Was können die vielen Frequenzen leisten?

Frequenzen sind natürlich nur der Träger für die Anwendungen. Ein Grundgedanke von 5G ist es, auf einer gemeinsamen Kommunikations-Infrastruktur möglichst viele verschiedene Anwendungsfälle zu realisieren. Die drei wichtigsten 5G-Netz-Eigenschaften sind:

eMBB: Extreme Mobile Broadband, Enhanced Mobile Broadband, Glasfaser in der Luft: Für extrem Daten-intensive Anwendungen mit hohem Bandbreitenbedarf: Etwa Video-Streaming und Video-Conferencing in 4K-Auflösung. Das geht am besten mit den höheren Frequenzen. eMBB-Flächendeckung wäre zu teuer, man fokussiert auf Bereiche mit hoher Teilnehmerdichte, etwa Bahnhöfe, Flughäfen, Stadien, Kongresshallen, Einkaufszentren, Stadtkerne, dicht bebaute Siedlungen.

mMTC: Massive Machine-Type Communications, Massive IoT: Für Geräte mit niedrigen Herstellkosten und hoher Batterielaufzeit, etwa Smart Meters in Smart Cities. Die Anforderungen an Daten-Speed und Latenz-Zeiten sind gering. Erwünscht ist aber eine hohe Flächenverfügbarkeit: Ein Fall für niedrige Frequenzen und sehr kleine Bandbreiten.

uRLLC: Ultra Reliable Low Latency Communications, Critical Machine Communication, Mission-Critical Control: Für Dienste und Geräte, die eine extrem hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit bei sehr geringen Reaktionszeiten und Latenzen erfordern. Das braucht man bei sehr sicherheitskritischen Anwendungen wie z.B. dem hoch-automatisierten Fahren oder der Steuerung von Drohnen, Flugtaxen und Industrie-Robotern.

Die 5G-Technik namens Network Slicing macht derart unterschiedliche Netz-Eigenschaften möglich. Network Slicing funktioniert aber auch schon in 4G-LTE-Netzen, wovon der Autor sich bei der oben genannten ICE-Testfahrt ab Nürnberg selbst überzeugen konnte.

Wer soll das alles installieren?

Frequenzen, Network Slices, Applikationen: 5G-Netze sind unterm Strich erst mal komplexer als das WLAN. Wer soll das alles installieren? Wer hilft speziell den Firmen, private 5G-Netze im eigenen Campus auszurollen?

Bundesweite Mobilfunk-Netzbetreiber wie Deutsche Telekom, Telefonica und Vodafone wissen, wie man sehr große Netze baut und managt. Ob diese Giganten aber auch für kleine Netze flexibel genug sind, wird in der Industrie zum Teil bezweifelt. Zumindest von der Telekom wissen wir aber aus erster Hand, dass sie seit kurzem ihre Kräfte auch für den Aufbau von kleinen, Betriebs-internen 4G/5G-Campus-Netzen für private Unternehmen bündelt. Seit Oktober 2018 hält Antje Williams dort die neue Position des „Senior Vice President 5G Campus Networks“. Vermutlich werden die großen Telcos jetzt plötzlich so flexibel, damit andere Newcomer ihnen das kommende 5G-Campus-Netz-Geschäft nicht vor der Nase wegschnappen – und weil große Industrie-Kunden so einen Service von den Telkos einfach erwarten. Vorteil aller großen Mobilfunk-Netz-Betreiber: Die könnten den Industrie-Kunden einen nahtlosen Übergang vom öffentlichen 5G-Mobilfunknetz in das private 5G-Firmennetz anbieten. So ein Übergang ist wichtig für bewegte IoT-Geräte und Fahrzeuge, die ständig Firmengrenzen überschreiten und häufig über Werkstore rein und raus fahren. Für Betriebs-interne Bewegungen, etwa bei mobilen Robotern, ist diese Form des Roamings zwischen Privaten und Öffentlichen 5G-Netzen aber nicht nötig.

Globale Mobilfunk-Ausrüster wie Ericsson, Huawei, Nokia, Samsung und ZTE denken ebenfalls gerne in großen Dimensionen, also in Milliarden-teuren Landesnetz-Aufträgen. Dagegen ist ein lokales Werksgelände einer Firma erst mal ein Kinkerlitzchen. Ericsson baut aber gerade für solche Kinkerlitzchen einen 5G-Campus-Koffer mit einem Henkel dran: Damit soll ein erfahrener WLAN-Händler ein kleines 5G-Netz beim Kunden binnen einer Stunde ausrollen können. Der Koffer enthält vier Höheneinheiten an Rack-Technik, einige 5G-Antennen in der Größe einer Puderdose, sowie einen SIM-Karten-Brenner in der Größe eines USB-Sticks. Die Konfigurations-Konsole wirkt fast so einfach wie bei einer WLAN-Installation. Ziel: Ericsson will auch erfahrene WLAN-Experten für neue 5G-Projekte aktivieren, denn gestandene Mobilfunk-Experten sind noch viel rarer und erheblich teurer. Huawei kann momentan noch keine finale Aussage zu so einem 5G-Starter-Koffer machen.

System-Integratoren und ITK-Händler mit viel 5G-Erfahrung haben wir noch nicht gefunden. Die wird es aber sicher auch bald geben. Wer schon große WLAN-Rollouts hinter sich hat, ist von 5G nicht allzu weit entfernt. Der Funk von WLAN und 5G verhält sich ähnlich.

ITK-Abteilungen von Firmen und Gemeinden kommen ebenfalls als Planer, Erbauer und Betreiber von 5G-Netzen in Frage, teils auch in enger Zusammenarbeit mit obengenannten Parteien. Einige Anwender-Firmen machen dagegen lieber alles komplett selber mit internen Netzwerk-Experten, bald auch 5G, damit keine Infos und keine Betriebsgeheimnisse aus den Werken in fremde Hände oder fremde Netze gelangen können.

Werden 5G und Wi-Fi 6 der Gesundheit schaden?

Gesundheitsschäden durch Mobilfunk oder WLAN sind wohl noch nirgends zweifelsfrei bewiesen. Tatsächlich ist aber ein kleiner Prozentsatz der Bevölkerung Elektro-sensibel. Das kann Kopfweh und weitere Beschwerden auslösen. Die potenziellen Auslöser von Beschwerden sind aber nicht nur der Mobilfunk und das WLAN, sondern auch Stromleitungen, Powerline und TV-Sender. Das Problem kommt auch nicht nur von entfernten Sendern, sondern ebenso von den ganz Körper-nahen Handys selbst. Solche Klagen muss man ernst nehmen, auch wenn die Mehrheit der Menschen offenbar keine Probleme mit den Strahlungen hat und schon gar nicht auf Smartphones verzichten will.

Mit 5G wird das alte Strahlungs-Thema jetzt auf jeden Fall wieder ganz aktuell: Bürger in Genf und Brüssel haben 5G-Rollout-Projekte vorerst verhindert. In Zürich, Stuttgart, Bayern und Österreich gibt es ebenfalls Proteste gegen 5G. In weitgehend menschenleeren Roboter-Fabriken mit selbstfahrenden Staplern und autonomen Containern dürfte das Thema 5G-Strahlung allerdings eine geringere Rolle spielen.

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