Es ist wahrscheinlich bekannt, dass 5G das Millimeterwellenspektrum nutzt, um Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 10 Gbit/s zu erreichen. Jedoch greift es, wie auch 4G, auf das Low- und Mid-Band-Spektrum zurück. Alle drei Frequenzbereiche sind unerlässlich, um eine zuverlässige 5G-Verbindung zu gewährleisten.
Doch worin unterscheiden sich diese Spektren eigentlich? Warum variieren die Übertragungsgeschwindigkeiten und warum sind alle drei Frequenzbereiche so wichtig für den Erfolg von 5G?
Die Grundlagen der Datenübertragung mittels elektromagnetischer Frequenzen
Bevor wir tiefer in die Materie der Low-, Mid- und Millimeterwellen eintauchen, ist es wichtig, die Grundlagen der drahtlosen Datenübertragung zu verstehen. Ansonsten wird es schwierig, die Unterschiede zwischen diesen drei Spektren zu erfassen.
Radiowellen und Mikrowellen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind, ähneln in ihrem Verhalten Wellen in einem Wasserbecken. Wenn die Frequenz einer Welle ansteigt, verkürzt sich der Abstand zwischen den einzelnen Wellen (die Wellenlänge). Das Empfangsgerät misst diese Wellenlänge, um die Frequenz zu identifizieren und die darin enthaltenen Daten zu „empfangen“.
Eine konstante Frequenz ist jedoch nicht in der Lage, mit dem Endgerät zu „kommunizieren“. Sie muss durch subtile Erhöhungen und Verringerungen der Frequenz moduliert werden. Das Endgerät erfasst diese minimalen Modulationen, indem es Änderungen der Wellenlänge misst und diese dann in Daten umwandelt.
Man kann sich das wie eine Kombination aus Binär- und Morsecode vorstellen. Um Morsecode mittels einer Taschenlampe zu übermitteln, reicht es nicht, diese einfach anzuschalten. Man muss sie in einer bestimmten Weise „modulieren“, damit die Signale als Sprache interpretiert werden können.
5G: Optimale Leistung durch die Kombination aller drei Spektren
Die drahtlose Datenübertragung hat eine bedeutende Einschränkung: Die Frequenz ist direkt an die Bandbreite gekoppelt.
Wellen mit niedriger Frequenz haben lange Wellenlängen, was zu einer langsamen Modulation führt. Sie „sprechen“ sozusagen langsam, was wiederum eine geringe Bandbreite (und somit langsames Internet) zur Folge hat.
Umgekehrt „sprechen“ Wellen mit hoher Frequenz sehr schnell, sind jedoch anfällig für Störungen. Jegliche Hindernisse (Wände, Atmosphäre, Regen) können dazu führen, dass das Empfangsgerät die Wellenlängenänderungen nicht mehr korrekt erfassen kann. Dies ist vergleichbar mit dem Verlust eines Teils eines Morse- oder Binärcodes. Aus diesem Grund kann eine instabile Hochfrequenzverbindung manchmal langsamer sein als eine gute Niederfrequenzverbindung.
Früher bevorzugten Mobilfunkanbieter das Mittelbandspektrum, das eine mittlere Übertragungsgeschwindigkeit bot. Da 5G jedoch schneller und stabiler als 4G sein soll, verwenden 5G-Geräte eine sogenannte adaptive Strahlformung, um schnell zwischen den Frequenzbändern wechseln zu können.
Die adaptive Strahlformung macht 5G zu einem zuverlässigen Nachfolger von 4G. Ein 5G-fähiges Gerät überwacht kontinuierlich die Signalqualität der Hochfrequenzverbindung (Millimeterwellen) und sucht gleichzeitig nach anderen zuverlässigen Signalen. Sobald das Gerät feststellt, dass die Signalqualität nachlässt, wechselt es nahtlos zu einem anderen Frequenzband, bis eine schnellere und stabilere Verbindung verfügbar ist. Dies verhindert Unterbrechungen beim Ansehen von Videos, Herunterladen von Apps oder bei Videoanrufen und macht 5G somit zuverlässiger als 4G, ohne die Geschwindigkeit zu beeinträchtigen.
Millimeterwelle: Schnell, neu, aber mit begrenzter Reichweite
5G ist der erste Mobilfunkstandard, der das Millimeterwellenspektrum nutzt. Dieses Spektrum arbeitet oberhalb des 24-GHz-Bandes und ermöglicht, wie erwartet, sehr schnelle Datenübertragungen. Wie bereits erwähnt, ist das Millimeterwellenspektrum jedoch anfällig für Störungen.
Man kann sich das Millimeterwellenspektrum wie einen Laserstrahl vorstellen: präzise und gebündelt, aber mit einer begrenzten Reichweite. Es ist auch sehr störanfällig. Selbst kleine Hindernisse, wie das Autodach oder eine Regenwolke, können die Übertragung von Millimeterwellen beeinträchtigen.
Aus diesem Grund ist die adaptive Strahlformung von so großer Bedeutung. Im Idealfall wäre ein 5G-fähiges Gerät immer mit dem Millimeterwellenspektrum verbunden. Um diese ideale Bedingung zu erreichen, wäre jedoch eine Vielzahl von Millimeterwellen-Sendemasten notwendig, um die geringe Reichweite der Millimeterwellen auszugleichen. Da Mobilfunkanbieter wohl nicht die nötigen finanziellen Mittel aufwenden werden, um Millimeterwellen-Sendemasten an jeder Ecke zu installieren, stellt die adaptive Strahlformung sicher, dass das Gerät nicht jedes Mal in eine langsamere Verbindung wechselt, wenn es das Millimeterwellenband verlässt.
Aktuell sind nur die 24- und 28-GHz-Bänder für die 5G-Nutzung zugelassen. Die FCC plant jedoch, bis Ende 2019 die 37-, 39- und 47-GHz-Bänder für die 5G-Nutzung zu versteigern (diese drei Bänder liegen höher im Spektrum, was schnellere Verbindungen ermöglicht). Mit der Freigabe dieser hochfrequenten Millimeterwellen wird die Technologie weitaus weiter verbreitet sein.
Mid-Band (Sub-6): Solide Geschwindigkeit und Reichweite
Das Mid-Band (auch Sub-6 genannt) ist das praktikabelste Spektrum für die drahtlose Datenübertragung. Es arbeitet im Frequenzbereich zwischen 1 und 6 GHz (2,5, 3,5 und 3,7-4,2 GHz). Wenn das Millimeterwellenspektrum einem Laser ähnelt, so ist das Mittelbandspektrum eher mit einer Taschenlampe vergleichbar. Es ermöglicht angemessene Internetgeschwindigkeiten bei einer guten Reichweite und kann sich zudem durch Wände und die meisten Hindernisse bewegen.
Ein Großteil des Mittelbandspektrums ist bereits für die drahtlose Datenübertragung lizenziert, weshalb 5G natürlich auch auf diese Bänder zurückgreift. Zusätzlich wird 5G auch das 2,5-GHz-Band nutzen, das zuvor für Bildungsübertragungen reserviert war.
Das 2,5-GHz-Band liegt am unteren Ende des Mittelbandspektrums, was bedeutet, dass es eine größere Reichweite (aber langsamere Geschwindigkeiten) bietet als die Mittelbandbänder, die bereits für 4G genutzt werden. Das mag widersprüchlich erscheinen, aber die Industrie möchte mit dem 2,5-GHz-Band sicherstellen, dass auch abgelegene Gebiete von 5G profitieren und dass stark frequentierte Bereiche nicht in den langsameren Low-Band-Spektren landen.
Low-Band: Langsameres Spektrum für abgelegene Regionen
Das Niederbandspektrum wird bereits seit der Einführung von 2G im Jahr 1991 für die Datenübertragung genutzt. Es handelt sich um niederfrequente Funkwellen, die unterhalb der 1-GHz-Schwelle arbeiten (konkret die 600, 800 und 900 MHz Bänder).
Da das Niederbandspektrum aus niederfrequenten Wellen besteht, ist es praktisch unempfindlich gegenüber Störungen. Es hat eine große Reichweite und kann sich durch Wände bewegen. Wie bereits erwähnt, führen langsamere Frequenzen jedoch zu langsameren Datenübertragungsraten.
Idealerweise sollte das Endgerät nie eine Low-Band-Verbindung nutzen. Allerdings gibt es einige verbundene Geräte, wie z.B. intelligente Glühbirnen, die keine Daten mit Gigabit-Geschwindigkeit übertragen müssen. Sollte ein Hersteller beschließen, 5G-fähige intelligente Glühbirnen herzustellen (was nützlich wäre, wenn das WLAN ausfällt), ist es wahrscheinlich, dass diese im Low-Band-Spektrum arbeiten.
Quellen: FCC, RCR Wireless-Nachrichten, SIGNIANT