Digitalisierung kompakt: Mobilfunkgeneration 5G

Der kommende Mobilfunkstandard, die Mobilfunkgeneration 5G, wird – obwohl derzeit noch gar nicht verfügbar – zwischen Befürwortern und Gegnern bereits heftig diskutiert. Was genau ist 5G, Warum ist 5G wichtig und Wie wird 5G umgesetzt?

Eine Einordnung der wichtigsten Begriffe, Fakten und aktuellen Trends.

Was: Mobilfunkgeneration 5G?

5G ist der kommende Mobilfunkstandard und damit – nach den Vorgängern analoge Sprachübertragung (1G), GSM (2G, 1990), UMTS (3G, 2000) und LTE (4G, 2010) – die fünfte Generation des Mobilfunktechnik. Wie jede der vorangegangen Generationen ist auch 5G eine technologische Innovation, die noch höhere Übertragungsraten beim mobilen Surfen ermöglicht – im Falle von 5G zehn bis 100-mal schneller als LTE. Im besten Fall soll der zukünftige Mobilfunkstandard eine Bandbreite von bis zu 10 GBit/s haben.

Kennzeichnend des 5G-Standards ist jedoch vor allem die besonders geringe Latenzzeit von weniger als einer Millisekunde. Im Vergleich: beim 3G-Standard beträgt die mittlere Latenzzeit 100 Millisekunden, beim 4G-Standard noch immer 50 Millisekunden. Ein weiterer Vorteil gegenüber den Vorgängerstandards ist die größere Anzahl an Endgeräten, die in einem Netz versorgt werden können.

Auf der Negativseite von 5G steht ein deutlich höherer Bedarf an Sendeanlagen pro abzudeckendem Gebiet, da die Mobilfunkzellen kleiner als bei 4G ausfallen, sowie ein potenziell größeres Gesundheitsrisiko auf Grund der verwendeten höheren Frequenzbänder.

Derzeit befindet sich 5G noch in einer Planungs- und Testphase und ist aktuell auch noch nicht vollständig ausstandardisiert. Zwar wurde mit Release 15 (Dezember 2018) durch die Standardisierungsorganisation 3GPP eine erste Standardversion mit 5G-Funktionen veröffentlicht. Weitere 5G-Funktionen sind jedoch erst in dem für 2020 geplantem Release 16 resp. in dem für 2021 geplantem Folgerelease 17 enthalten. Entsprechend sind bisher im Handel auch kaum 5G-Endgeräte verfügbar und es gibt – abgesehen von einzelnen Testinstallationen – auch noch keine nennenswerten 5G-Netze.

Nichtsdestotrotz ist die Umsetzung von mobilen 5G-Breitbandnetzen im Regelbetrieb in europäischen Ländern ab 2020 fest eingeplant. Ausgerüstet werden dabei voraussichtlich zunächst Hauptverkehrswege, große Städte sowie Industrieanlagen (Campusnetze). Mit einer sofortigen umfassenden Marktführung für herkömmliche Mobilfunkkunden resp. einer Flächenversorgung ist dabei wohl eher nicht zu rechnen.

So wird der aktuelle Standard 4G – trotz seines leistungsfähigeren Nachfolgers – also auch noch weiterhin eine wichtige Rolle für den Mobilfunk spielen. Für den älteren 3G/UMTS-Standard ist dagegen – parallel zu Einführung von 5G – sehr wohl eine schrittweise Abschaltung ab 2020 zu erwarten, da die derzeit von 3G belegten Frequenzen für den Aus- resp. Aufbau der 4G/LTE- und 5G-Netze benötigt werden. Der konkrete Zeitplan für die Abschaltung variiert von Land zu Land und von Mobilfunkbetreiber zu Mobilfunkbetreiber. Betroffen von der Abschaltung sind Firmen, Organisationen und Privatpersonen, die Handys, Router und Modems im Einsatz haben, die als höchsten Standard lediglich 3G unterstützen – die Geräte werden in Regionen mit abgeschaltetem 3G-Netz nicht mehr funktionieren resp. auf das deutlich weniger leistungsfähige 2G-Netz zurückfallen. Die mobile Internet-Nutzung ist dann faktisch nicht mehr möglich.

Die Geschwindigkeit, mit der 5G eingeführt werden kann, wird auch von der (politischen) Frage abhängen, ob Technik des chinesischen Herstellers Huawei eingesetzt wird. 5G-Netze werden idealerweise auf bestehende 4G-Infrastruktur (LTE) aufgesetzt, die vielfach auf Huawei-Technik basieren. Müsste man die Huawei-Technik zuerst von den jeweiligen Standorten entfernen und komplett durch neue Netztechnik anderer Netzwerkausrüster ersetzen, wäre dies entsprechend teurer und zeitaufwendiger als eine einfache Umrüstung der vorhandenen Standorte.

Warum: Mobilfunkgeneration 5G?

Die herausragende Eigenschaft des 5G-Standards ist die besonders geringe Latenzzeit von weniger als einer Millisekunde. Daraus ergibt sich die Möglichkeit von verteilten Echtzeitanwendungen, die mit den Vorgänger-Standards in dieser Form noch nicht möglich waren.

Potenzielle Anwendungsgebiete sind u.a.:

• Telemedizin: ferngesteuerte chirurgische Eingriffe an Patienten, die auf Grund der großen Entfernung oder anderer Gründe nicht (schnell genug) in zentrale Krankenhäuser gebracht werden können
• autonome Fahrzeuge, die untereinander in Echtzeit kommunizieren (Car-to-Car-Kommunikation an Kreuzungen und vor Hindernissen)
• autonome Fahrzeuge, die unter widrigen Sichtbedingungen betrieben werden (Car-to-X-Kommunikation)
• Echtzeit-Steuerungen in Landwirtschaft, Industrie und Verkehr
• Cobots in Fertigungsstraßen
• VR-Anwendungen (Virtuelle Realität) und Online-Spiele

Durch die höhere Anzahl an einbindbaren Endgeräte pro Funkzelle wird zudem die allgemeine Vernetzung und damit der Ausbau des Internet of Things (IIoT/IoT) gefördert resp. erst ermöglicht. Der Anzahl der zukünftig miteinander vernetzten Geräte wird je nach Quelle mit bis zu 50 Milliarden Geräten angegeben. Dabei ist jedoch zu beachten, dass diese Geräte nicht ausschließlich über 5G sondern auch über andere Techniken (WLAN, Ethernet, LPWAN) angebunden sein werden.

Ein Vorteil gegenüber früheren Mobilfunkstandards im Kontext von IoT ist die vergleichsweise höhere Energieeffizienz von 5G. Damit werden die Batterien der Endgeräte (IoT-Devices) geschont. Dieser Vorteil ist insbesondere für IoT-Geräte, die räumlich weit auseinander positioniert werden und/oder einbautechnisch schwer zu erreichen sind, von Bedeutung. In absoluten Zahlen wird sich der Energiekonsum mit der Einführung von 5G durch die größere Anzahl an verbundenen Geräten allerdings weiter erhöhen.

5G wird darüber hinaus als zentrale Infrastruktur für den kommerziellen Einsatz von Drohnen betrachtet, mit Hilfe derer autonom fliegenden Lufttaxis zukünftig u.a. zentimetergenaue Starts und Landungen sowie ein unfallfreier Flug möglich sein werden.

Wie: Mobilfunkgeneration 5G?

Der 5G-Standard ist eine Weiterentwicklung der Vorgängergeneration 4G.

Die höheren Übertragungsraten und kleinen Latenzzeiten für die Datenübertragung werden durch die Verwendung höherer Mobilfunk-Frequenzen auf der Luftschnittstelle erreicht. Die höheren Frequenzen führen gleichzeitig dazu, dass die Größe der Mobilfunkzellen in 5G-Netzen kleiner als bei 4G-Netzen ist. Dies hat im Vergleich zum Vorgänger einen signifikant größeren Bedarf an Sendeanlagen pro abgedeckten Raum zur Folge.

Die ersten zum Einsatz kommenden 5G-Frequenzen – primär zwischen 3,4 und 3,7 Gigahertz – wurden in den letzten zwei Jahren im Rahmen von nationalen Frequenzvergabeverfahren der jeweiligen Regulierungsbehörden an die Mobilfunkbetreiber versteigert (UK April 2018, Italien Oktober 2018, Österreich/Schweiz Februar 2019, Deutschland März-Juni 2019). Weitere Frequenzversteigerungen werden folgen resp. wurden bereits durchgeführt – insbesondere für solche Frequenzen, die für eine Flächenabdeckung besser geeignet sind (2-Gigahertz-Bereich und niedriger). Ein Teil des Spektrums wurde/wird nicht versteigert, sondern soll Industriefirmen und anderen Unternehmen auf Antrag zugeteilt werden. Langfristig ist der Einsatz von Frequenzen im Bereich von 10 bis 60 Gigahertz angedacht.

Die Sendeanlagen sind für 5G-Netzte kompakter gebaut als beim 4G-Netzten und haben die Größe von WLAN-Modems. Die notwendige Verdichtung der Anlagen führt also nicht zwangsläufig zu mehr zentralen, großzügig dimensionierten Sendemasten. Vielmehr werden 5G-Sendeanlagen, sofern sie nicht als Umrüstung von bereits existierenden 4G-Standorten realisiert werden, voraussichtlich einfach in bestehende Infrastrukturelemente (Masten, Gebäude, Ampel) eingebaut.

Anders als beim Vorgängerstandard 4G sind 5G-Antennen „intelligent“. Sie erlauben eine spezifische Bündelung der Ausstrahl- oder Empfangsrichtung auf einen oder mehreren Mobilfunknutzer. Mit dieser Eigenschaft wird die Bandbreite für den einzelnen Benutzer weiter erhöht.

Die Implementierung zukunftsfähiger 5G-Lösungen setzt aber auch ein ausgesprochen leitungsfähiges Glasfaser-Backbone für den Datentransfer von den Sendern zu den Mobilfunkprovidern voraus. In ländlichen Gegenden sind hierfür ggf. auch hochgerüstete Kupferleitungen ausreichend. Fehlende Leitungsverbindungen müssen mit Hilfe leistungsstarker Richtfunkstrecken kompensiert werden.

Gesundheitsgefahren durch 5G

Mobilfunk basiert auf Datenübertragung mit Hilfe elektromagnetischer Wellen. In Abhängigkeit von der benutzen Frequenz und der Feldstärke kann elektromagnetische Strahlung prinzipiell gesundheitsgefährdend sein. Insbesondere gilt energiereiche hochfrequente elektromagnetische Strahlung als krebserregend.

Während diese Aussagen allgemein anerkannt sind, ist die konkrete Einordnung und Bewertung von Mobilfunkstrahlung, insbesondere für 5G, zwischen Befürwortern und Gegnern umstritten.

Im Vergleich zu 4G (2,6 GHz) kommen bei 5G signifikant höhere Frequenzen zur Verwendung (3,4 bis 3,7 GHz, ggf. zukünftig noch höher). Gleichzeitig ist die Signalstärke auf Grund der kleineren Reichweite und der kleineren Funkzellen aber geringer als bei 4G. Befürworter argumentieren deshalb, dass die Belastung in Summe nicht größer als bei 4G sei, geltende Grenzwerte eingehalten würden und negative gesundheitliche Auswirkungen nicht zu erwarten wären. Dieser Argumentation schließt sich u.a. das deutsche Bundesamt für Strahlenschutz an – wobei dort „aber auch noch offene Fragen“ gesehen werden, insbesondere bezüglich des Einsatzes der später vorgesehenen höheren Frequenzbänder sowie bezüglich möglicher Langzeitwirkungen intensiver Handynutzung insgesamt.

Kritiker stellen dagegen den aktuell geltenden Grenzwert prinzipiell in Frage, da er sich primär nur am „thermischen Effekt“ orientiere. Demnach gilt elektromagnetische Strahlung erst dann als schädigend, wenn sich Körpergewebe bei Einwirkung der Strahlung um mehr als einen Grad erwärmt – eine (20 Jahre alte) Aussage, die möglicherweise nicht alle biologische Effekte elektromagnetischer Strahlung im menschlichen Körper umfassend beschreibt, insbesondere hinsichtlich möglicher molekularen Änderungen in Folge einer Langzeiteinwirkung elektromagnetischer Strahlung.

Die Kritiker sehen sich in Ihrer Auffassung auch durch die Einschätzung der Internationalen Agentur für Krebsforschung (IARC, WHO) bestätigt. Diese hat Handystrahlung 2011 nach Durchsicht „nahezu sämtlicher verfügbaren wissenschaftlichen Belege“ als „möglicherweise krebserregend“ (possibly carcinogenic) eingestuft. Begründet wurde diese Einschätzung u.a. mit Hinweisen auf ein erhöhtes Auftreten bestimmter Hirntumore (Gliome) bei Intensiv-Handynutzern.

Auch argumentieren die Kritiker, dass 5G-Sendeanlagen auf Grund ihrer geringen Baugröße „näher am Menschen“ installiert werden, so dass diese letztendlich mehr Strahlung abbekommen würden als bei 4G.

Weitgehender Konsens besteht jedenfalls in der Feststellung, dass Erbinformation in Zellen durch elektromagnetische Felder aus dem Mobilfunkumfeld nicht direkt so geschädigt wird, dass Krebs entsteht. Der Streit zwischen Befürwortern und Kritikern entzündet sich vielmehr an möglichen indirekten Effekten, die das Krebsrisiko ggf. fördern könnten. Ein solcher indirekter Effekt ist bis heute weder gesichert noch vollständig und endgültig widerlegt. Ebenfalls unumstritten ist, dass Aussagen zu Langfristfolgen von 5G auf den menschlichen Körper derzeit noch nicht möglich sind, da entsprechenden Studien fehlen.