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5G Reichweite

Wie weit funkt die neue Mobilfunktechnik?


Die 5. Generation des Mobilfunks startete bereits im Sommer 2019. Besonders Vodafone, O2 und die Deutsche Telekom arbeiten seither intensiv am Ausbau. Spätestens Ende 2020 wollen alle vier Provider erste Netze online haben. Doch wie weit wird 5G eigentlich reichen? Brauchen wir mehr Funkmasten und wenn ja, wieso?

Reichweite von 5G Stadt/Land

1. Konkrete 5G-Reichweite in der Praxis

Wie Sie in den folgenden Abschnitt noch erfahren können, ist im Mobilfunk der Frequenzbereich für die mögliche Distanz entscheidend. Für 5G dominiert aktuell das Band n78 bei 3,6 GHz und n1 bei 2,1 GHz. Darüber hinaus über Dynamic Spectrum Sharing auf 700 und 1800 MHz.

LTE, also 4G, funkt hierzulande bisher vor allem auf 800, 900, 1800, 1500, 2100 und 2600 MHz. LTE-Stationen mit 800 MHz verfügen in etwa über eine Reichweite von 10-15 Kilometern, wobei dafür natürlich externe Antennen benötigt werden. In Ausnahmen wurden in der Praxis auch schon 20 km erzielt. Zudem hängt der Empfang von vielen Umweltfaktoren (siehe unten) ab, insbesondere der regionalen Topologie. Daher gehen wir der Einfachheit von einer flachen Landschaft aus. In der Praxis ergeben sich, zusammen mit den Erfahrungswerten von 4G, in etwa folgende Reichweiten für heutige und künftige 5G-Stationen:



* Samsung erzielte 2018 bei 5G-Tests bei 28 GHz eine Reichweite von maximal 500 Metern.

Zudem gilt, dass bei niedriger Frequenz eine bessere Gebäudedurchdringung gegeben ist als bei höheren. Denn nicht immer befindet sich der Nutzer im Freien…

Die ersten zur Disposition stehenden 5G-Frequenzen, welche im Juli 2019 endgültig versteigert worden, liegen hingegen auf Bändern im Bereich von 2,1 sowie 3,6 GHz. Bei letzterem kann man maximal von 1 km Reichweite ausgehen.

In einem Test auf 3,6 GHz konnten wir, ohne Hilfsmittel (Zusatzantenne) und mit Sichtverbindung, noch ungefähr noch 400-500 Meter von Mast ein Signal erhalten. Bei 100 Metern lag die Datenrate noch bei über 1 GBit pro Sekunde. Ab 300 Metern betrug die Geschwindigkeit noch gut 800 MBit, aber schon ab 400 Meter loggte sich der Router bei 5G aus und in 4G ein! Daher wäre diese Frequenz auch gänzlich ungeeignet für den 5G-Ausbau auf dem Land. Das erkannte Bitkom-Präsident Achim Berg bereits Mitte 2018 und warnte:

Damit lässt sich wirtschaftlich keine Flächendeckung herstellen. Im Durchschnitt müsste jeden Kilometer ein Sendemast aufgebaut, mit Glasfaser angeschlossen und mit Strom versorgt werden. Wir müssten einmal ganz Deutschland aufgraben, um die geforderte Flächendeckung herzustellen. Das ist schlicht nicht machbar und geht an den Realitäten des Mobilfunks vorbei.

2. Frequenz entscheidend für die Reichweite

Zunächst einmal ist festzuhalten, dass der Mobilfunkstandard an sich nichts über die Reichweite aussagt. Eine Aussage derart, dass 4G weiter als 3G oder 5G weiter als 4G reicht, ist schlichtweg Unsinn. Ausschlaggebend ist vor allem die verwendete Frequenz der Basisstation auf der gefunkt wird. Hier gibt also die Physik den Ton an und weniger die Technik. Allgemein gilt, dass mit zunehmender Wellenlänge bei elektromagnetischen Wellen auch die Reichweite steigt. Darüber hinaus gilt – je niedriger die Frequenz, desto höher die Wellenlänge. Der Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Frequenz lautet im Detail:

Formel zur Berechnung der Wellenlänge
Beispiel Berechung der Wellenlänge mit 800 und 3600 MHz

Man sieht also direkt, dass die höhere Frequenz eine deutlich geringere Wellenlänge und somit Reichweite aufweist, sofern die Sendeleistung gleichbleibt.

Grundlage für diesen Zusammenhang ist sogenannte Freiraumdämpfung. Mit jedem Meter Entfernung vom Funkmast sinkt die Feldstärke erheblich. Schon nach einem Meter reduziert sich die Signalstärke um ein Tausendstel bzw. 30 dB. Mit zunehmender Distanz wird der Effekt jedoch schwächer, da die Freiraumdämpfung einer logarithmischen Funktion folgt. Wie in der folgenden Formel erkenntlich, steht die Frequenz f in direkter Verbindung mit der Dämpfung.

Formel für die Freiraumdämpfung

Die folgende Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen dem Abstand in Metern und der Dämpfung in dB.

Freiraumdämpfung in Abhängigkeit zur Distanz


Fazit: Bei gleicher Sendeleistung nimmt die Reichweite eines Funkmastes proportional zur Wellenlänge ab!
+
Durch die Freiraumdämpfung reduziert sich die Reichweite mit jedem Meter in Abhängigkeit von der Frequenz.

3. Faktoren: Warum sind keine genauen Angaben zur Reichweite möglich?

Tatsächlich ist es fast unmöglich eine genaue Angabe zur Reichweite bei einer bestimmten Mobilfunkfrequenz zu machen. Schuld daran sind extrem viel beeinflussende Faktoren. Das komplizierte COST Hata Model ermöglicht zumindest grob eine Modellierung in Abhängigkeit von Frequenz, Antennenhöhe von Nutzer und Funkmast, sowie der Distanz zum Sender.

Zusätzlich spielen aber noch Wetter, umgebende Bebauung/Topologie und ggf. Geschwindigkeit des Rezipienten eine Rolle. Aber auch die Gegebenheiten beim Nutzer vor Ort sind teils entscheidend. Befindet er sich in der Sichtachse eines Senders oder direkt in einem Gebäude? Denn höhere Frequenzen haben eine schlechte Gebäudedurchdringung. 5G-Frequenzen im mmWave-Bereich z.B. würden gar nicht erst ins Innere von Häusern gelangen.

4. Beamforming bringt 5G-Technik doch Reichweitenvorteil

Durch den Einsatz diverser Verfahren, können 5G-Stationen dennoch eine etwas höhere Reichweite erzielen. Möglich macht das der Einsatz spezieller Mehrantennentechniken (MIMO) und vor allem Beamforming. Während herkömmliche 4G-Masten die Funkstrahlen praktisch in alle Richtungen ungezielt "feuern", wird bei 5G mit Beamforming jedes Endgerät direkt "angepeilt". Vereinfacht ausgedrückt, sendet der Mast einen gebündelten Funkkegel zum Nutzer, wie als ob man mit einer Taschenlampe im Dunkeln eine Person anstrahlt.

In der Summe ergeben sich geringere Reichweitenverluste und die Kapazität der Station erhöht sich enorm. Der Mast kann so ein Vielfaches mehr an Nutzern versorgen - hier geht es um den Faktor 1000. Netzwerkausrüster Ericsson ist der Ansicht, dass man mit 5G bei 3.5 GHz eine ähnliche Reichweite erzielen könne, wie früher mit UMTS auf 2.1 GHz. Allerdings stehen hier, für eine endgültige Aussage, noch ausreichende Erfahrungswerte in der Praxis aus.

5. weitere Verfahren zur Reichweitenverbesserung

Es gibt noch eine weitere Technik, welche bei 5G eingesetzt werden kann, um größere Gebiete mit sonst gleichen Parametern zu versorgen. Sehr erfolgsversprechend ist das sogenannte Uplink-Decoupling.


6. 5G in der Fläche: 700 MHz sind für die 5G-Versorgung auf dem Land ideal

Für eine weitreichende Abdeckung ist daher das Band 28 bei 700 MHz ideal. Deutsche Telekom, O2 und Vodafone verfügen hier nur je über 2 x 10 MHz. Vodafone hat bereits im April 2020 angekündigt, 5G im ländlichen Raum auf 700 MHz einzusetzen, um die Fläche abzudecken. Damit erhöht sich die erzielbare Distanz mindestens auf das Niveau, wie es heute über LTE bei 800 MHz erreicht wird (15-20 km in der Spitze). Aufgrund der geringen Bandbreite, hält sich allerdings die erzielbare Datenrate auch mittels 5G sehr in Grenzen. Vodafone geht von bis zu 200 MBit für Heimtarife mit 5G aus. Nach Vodafone, ist auch O2 dem Beispiel gefolgt, und geht über 700 MHz seit Mitte 2021 in die Fläche.

Bandaufteilung bei 700 MHz

Aufteilung bei 700 MHz | Quelle: Bundesnetzagentur


6.1 Ultrakurze Reichweite bei mmWave

Wie wir gesehen haben, ist die Reichweite im Bereich über 2 GHz bereits äußerst gering. Für 5G sind aber noch höhere Frequenzen im mm-Bereich bei 24-100 GHz. Derartige Funkzellen hätten dann eine Reichweite von nur wenigen hundert oder gar unter hundert Metern, ähnlich wie heimische WLAN-Netze. Man spricht daher auch von Small- oder Micro-Cells.

Fazit zur Reichweiten-Thematik

Sofern für 5G-Mobilfunk künftig keine Frequenzbereiche unter 2 GHz eingesetzt werden, ist mit einer sehr geringen Reichweite zu rechnen. Respektive benötigt man für den Ausbau eine extrem hohe Dichte an Funkstationen (viele Smartcells). Nur mit Bändern die heute für UMTS oder LTE eingesetzt werden, also im Bereich von 0,7-2 GHz, ließen sich größere Flächen kostengünstig erschließen.