Die Probleme des 5G-Ausbaus
Reichweite und Sendeleistung
Da bei den Netzbetreibern die bestehenden Frequenzen mit 2G, 3G und 4G bereits voll belegt sind, und auch durch die bevorstehende 2G- bzw. 3G-Abschaltung nur vergleichsweise kleine Frequenzbänder frei werden, muss das Groß der Leistung für 5G aus neuen Frequenzbändern kommen. Das wichtigste Band zur 5G-Versorgung in dichter besiedelten Gebieten liegt dabei rund um 3,6 GHz. Das ist nochmals die doppelte Frequenz wie das berüchtigte "E-Netz" bei 1,8 GHz, das zu GSM-Anfangszeiten den damaligen Netzbetreibern E-Plus und Viag Interkom (inzwischen zu Telefónica/o2 fusioniert) einiges an Kopfzerbrechen bereitete.
Nun verschlechtert sich die Ausbreitung von Funksignalen mit zunehmender Frequenz drastisch, da die Luft immer mehr Leistung absorbiert und das Signal sich auch immer gradliniger ausbreitet, also die Funkschatten zum Beispiel hinter Gebäuden immer ausgeprägter werden. Wie soll es funktionieren, mit der abermals verdoppelten Frequenz ein dichtes 5G-Netz zu stricken, in dem jedem Nutzer, auch am Zellrand, Datenraten im Bereich mehrerer hundert Megabit pro Sekunde zur Verfügung gestellt werden?
Nun, ein Teil der Lösung ist die Erhöhung der Sendeleistung. Huawei spezifiziert die eigenen 5G-Antennen mit bis zu 200 Watt. Eine derart hohe Sendeleistung dürfte aber aus Immisionsschutzgründen in Europa nicht erlaubt werden, die Antennen müssen daher mit geringerer Leistung betrieben werden.
Beamforming
Umso wichtiger wird daher ein zweites Merkmal von 5G: Die 3,6-GHz-Antennen werden in der Regel nicht nur zwei bis vier Sender, wie klassische Mobilfunkantennen, sondern 32 oder gar 64 erhalten. Über die Ansteuerung dieser vielen Antennen kann das Signal dynamisch in die Richtung des jeweiligen Empfängers gebündelt werden, die Betreiber sprechen von Beamforming. Während bisher die Sendeleistung (möglichst) gleichmäßig über die gesamte Zelle verteilt wird, kommt sie künftig gebündelt beim jeweiligen Nutzer an.
Es ist sogar möglich, gleichzeitig verschiedene Beams zu verschiedenen Empfängern zu senden. Auf diesem Weg erhöht eine Massive-MIMO-Zelle die Gesamtdatenrate auf das drei- bis fünffache der maximalen Datenrate eines einzelnen Endgeräts. Freilich müssen sich alle Endgeräte in einer Zelle die gesamte Sendeleistung teilen, bei vielen Endgeräten am Zellenrand wird Massive MIMO und Beamforming daher an seine Grenzen stoßen. Zudem ist es aufgrund des dynamischen Charakters des Beamformings für die Betreiber schwer, vorherzusagen, wo in der Zelle wie viel Sendeleistung ankommt. Um solche Immissionsschutzvorschriften einzuhalten, die die maximale Leistung nicht nur an der Sendeantenne, sondern auch am Boden in der Zelle festlegen, verlangen die Netzbetreiber von den Ausrüstern daher nach genauen Modellen zur Vorhersage bzw. alternativ zur dynamischen Kontrolle der Immissionen.
Kritisch ist auch, dass Beamforming auf dem Uplink vom Smartphone zur Basisstation nicht so gut funktioniert wie auf dem Downlink, weil im Uplink das statistische Empfängerrauschen der vielen Empfänger der limitierende Faktor ist. Das Rauschen mittelt sich beim Zusammensetzen des Signals nur teilweise weg. Die Folge ist, dass eine 5G-Basisstation das Smartphone "früher aus dem Auge verliert" als das Smartphone die Basisstation. Damit trotzdem eine bidirektionale Kommunikation möglich ist, wird für die Smartphones am 5G-Zellenrand ein alternativer Uplink benötigt. Huawei will hierfür insbesondere LTE/4G bei 1,8 GHz einsetzen. Die Smartphones in der Nähe der Basisstation verwenden hingegen direkt den 5G-Uplink bei 3,6 GHz.
