Professor Dr.-Ing. Georg Fischer zur Frequenzsituation in Deutschland

„Der Mobilfunk braucht nicht mehr Frequenzen, sondern Antennenarrays mit mehr Kapazität”

Professor Georg Fischer ist Extraordinarius am Lehrstuhl für Technische Elektrotechnik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Dies ist der Lehrstuhl, an dem die Grundlagen für die mp3 Audiokompression gelegt wurden. Fischer hat an der RWTH Aachen Elektrotechnik/Nachrichtentechnik studiert und über Antennenarrays für den mobilen Satellitenempfang promoviert. Er gilt als technischer Spezialist beim Thema Telekommunikation. Als Experte für Nachrichtentechnik und Funkübertragungstechnik hat Professor Fischer internationale Standards für Mobilfunk und professionelle Funkmikrofone maßgeblich mitentwickelt und sich unter anderem intensiv mit Fragen effizienter Spektrumsnutzung befasst. Sein Wissen und seine Einschätzungen sind in der aktuellen Diskussion um eine mögliche „Digitale Dividende 3“ sehr gefragt.

Der Mobilfunk und die Netzbetreiber besitzen bereits viele Frequenzbänder für ihre Dienste. Manche davon nutzen sie gar nicht. Trotzdem melden sie nun auch noch Anspruch auf die Kulturfrequenzen (470 bis 694 MHz) an, die etwa Theater nutzen. Warum?

Die Netzbetreiber kämpfen damit, dass sich die drahtlos bewegte Datenmenge jedes Jahr nahezu verdoppelt. Das liegt daran, dass der Video-Download den Datenverkehr dominiert. Gleichzeitig sinkt der Preis der Rechenleistung und der Displaytechniken. Moore’s law der Mikroelektronik sagt im Wesentlichen, dass eine erforderliche Rechenleistung in zwei Jahren die Hälfte kostet. Konkret: 30 % Preisverfall bei Elektronik pro Jahr.

Also „nur“ 30 % Preisverfall bei der Elektronik, aber Verdoppelung der drahtlos bewegten Datenmenge. Man sieht, da klafft eine Lücke. Wie kann man diese schließen als Netzbetreiber? Mir fallen zwei Möglichkeiten ein: Zum einen Preiserhöhungen für den Verbraucher, also uns alle. Allerdings erwarten die Nutzer, dass der Preis mindestens konstant bleibt. Niemand will jedes Jahr mehr für seinen Mobilfunkvertrag zahlen, obwohl die bewegte Datenmenge anwächst.

Bleibt die zweite Möglichkeit: Mehr Effizienz in der Funkübertragung. Aus technischer Sicht wird man als Netzbetreiber effizienter, wenn man niedrigere Frequenzen nutzt. Denn niedrigere Frequenzen haben einen großen Vorteil: Um die gleiche Fläche abzudecken, braucht man wegen der besseren Ausbreitung weniger Basisstationen und weniger Netzinfrastruktur. Das senkt die Kosten. Also wollen die Netzausrüster diese Frequenzen unbedingt haben.

Prof. Georg Fischer

Wieso entwickelt man sich nicht in Richtung höherer Frequenzen?

Es ist viel attraktiver sich in Richtung niedrigerer, als in Richtung höherer Frequenz weiterzuentwickeln. Würden höhere Frequenzen genommen, wird der Zellradius kleiner, dann könnte es sein, dass ein zusätzlicher Basisstationsstandort zwischen existierenden Standorten notwendig wird. Das wollen die Netzbetreiber unbedingt vermeiden. Geht man stattdessen zu niedrigeren Frequenzen, werden die Zellradien eher größer, sprich zusätzliche Standorte werden nicht notwendig. Man bietet damit von den existierenden Standorten aus mehr Kapazität an.

Sie sagen, zusätzliche Standorte seien unbeliebt. Deutschland aber braucht viele neue Standorte, um die Funklöcher zu schließen, vor allem im ländlichen Raum. Das ist ein Dilemma, oder?

Ist überhaupt keine Netzabdeckung vorhanden (Coverage Problem), müssen neue Standorte erschlossen werden – wobei dies oft für die Netzbetreiber unattraktiv ist. Man gewinnt kaum zusätzliche Nutzer, das Verkehrsaufkommen ist gering, und man verdient sehr wenig Geld mit den zu installierenden Basisstationen. Gleichzeitig ist die Anbindung abgelegener Standorte aufwendig und teuer. Aufgrund von Mietleitungen ergeben sich oft hohe laufende Kosten.

Bei Überlastung von Basisstationen (Capacity Problem) braucht es nicht immer neue Standorte. Man kann in vielen Fällen einfach die bisherigen Standorte aufrüsten. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten.

Erste Möglichkeit: Man ersetzt die bisherige Antenne mit einer neue Mehrbandantenne. Die neue Antenne kann dann mehrere Frequenzbänder gleichzeitig abdecken, wenn zuvor neue Frequenzbereiche an den Mobilfunk ausgewiesen wurden. Das aber geht, wie wir gesehen haben, nur auf Kosten anderer Nutzer wie der Kultur.

Zweite Möglichkeit: Man nutzt ein MIMO Antennenarray. Damit kann man mehr Kapazität bereitstellen, ohne mehr Frequenzen zu benötigen. Das geht dann nicht auf Kosten der Kultur. Eigentlich eine schöne technische Lösung, aber … die Netzbetreiber wollen das nicht unbedingt. Der Grund ist einfach. Die Kosten für MIMO Antennen skalieren schlecht mit der Kapazität. Wenn ich statt bisher 2 Antennenelementen 64 nehme, habe ich 32x mehr Antennen. Ich bekomme aber vielleicht nur dreimal mehr Kapazität. Damit ist der ROI (Return on Investment) schlecht. Das bedeutet ja: Für 32x mehr Kosten bekommen ich gerade 3x mal mehr Kapazität. Das muss man vergleichen mit dem ROI nach der Ersteigerung weiterer Frequenzen und den Kosten für die darauffolgende Aufrüstung existierender Standorte. Auf diese Weise kommen die Netzbetreiber letztlich kostengünstiger heraus, insbesondere, wenn es eben niedrigere Frequenzen sind.

Zusammengefasst sind damit niedrigere Frequenzen attraktiver als die Benutzung der MIMO Technik. (1)

Eine weitere Option, die die Netzbetreiber nutzen könnten, um mehr Netzkapazität bereitzustellen, wäre die Netzverdichtung speziell an „Hot Spots“ mit großem Datenaufkommen.

Ja, aber das bedeutet wieder neue Basisstandorte. Diese sind schwierig zu bekommen und kosten viel Geld – nicht nur im Sinne der Einmal-Installationskosten, sondern auch permanent, da die Basisstationsstandorte über gemietete Leitungen an die zentralen Netzelemente angebunden werden müssen. Es müssen auch mehr Basisstationen verwaltet werden. Niedrigere Frequenzen haben demgegenüber den Vorteil, dass keine neuen Standorte und neuen Mietleitungen benötigt werden.

In der Diskussion sind gerade die „Small Cells“, die zur Option Netzverdichtung gehören. Im nächsten Jahr wird sich die TKG-Novelle damit befassen. Sind „Small Cells“ für Netzbetreiber attraktiv?

„Small Cells“ sind für die Netzbetreiber aus Kostengründen nicht so attraktiv, da sie dafür Leitungen zum Zentralrechner (Backhaul) mieten müssen, um die Klein-Basisstationen an die zentralen Netzelemente anzuschließen. Hier könnte es aber zu einer Entspannung kommen, indem die Netzausrüster Lösungen für „In-Band Backhauling“ anbieten. Das bedeutet, dass anstelle des normalen Kabel-Backhauls ein Funk-Backhaul angewendet wird. Dann muss ein Netzbetreiber A keine Mietkosten für Mietleitungen an Netzbetreiber B zahlen.

In-Band Backhauling ist für die Netzbetreiber also attraktiv.

Die Sache ist aber nicht nachhaltig, weil man für den Wireless Backhaul auch wieder UHF-Funkspektrum braucht.

Richtig. Letztlich belegt damit auch eine Information 2x das Funkspektrum. Faktisch ist das also eine Senkung der spektralen Effizienz um Faktor 2.

Wireless Backhauling ist aus Sicht von „SOS – Save Our Spectrum“ Spektrumverschwendung.

Aufgepasst: Beim Wireless Backhauling muss man zwischen In-Band und Out-of-Band Wireless Backhauling unterscheiden. In-Band bedeutet, es wird das gleiche Band verwendet. Sprich: Dem Endnutzer wird für die Smartphones UHF angeboten und der Wireless Backhaul geht auch über UHF-Frequenzen. Bei Out-of Band Backhauling nimmt man ganz andere Bänder, vielleicht sogar auch mm-Welle 28 GHz oder noch höher. In-Band Backhauling ist aber attraktiver, weil man dieselbe Funk-Hardware sowohl Richtung Endnutzer wie auch in Richtung zentraler Netzelemente verwenden kann. Eine normale Basisstation kann auch den Wireless Backhaul entgegennehmen. Man spricht dabei gerne von der Cloudification of RAN – sprich CRAN. (RAN Radio Access Network)

Zurück zu den Antennen als solches. Hier liegt wohl ein Schlüssel zum Erhalt der Kulturfrequenzen. Aber die Netzausrüster müssen Kosten sparen. Immer wieder liest man: Ein wichtiger Kostenfaktor sei auch die Miete des Antennenstandortes. Wieso?

Hier wird üblicherweise pro Radome (Antennengehäuse) abgerechnet, egal wie viele Frequenzbänder eine Antenne unterstützt. Wird also ein bestehender Basisstationsstandort mit zusätzlichen Frequenzbändern ausgestattet, tauscht man einfach die bisherigen Antennen gegen Mehrbandfähige aus. Damit ändert sich dann die Anzahl der Radome nicht und dementsprechend auch die Mietkosten nicht, obwohl man mehr Kapazität anbieten kann. Hierdurch erzielen die Netzbetreiber faktisch eine Minimierung der Kosten bezogen auf die bereitgestellte Kapazität.

Einige Anbieter von Basisstationsantennen haben ein attraktives Geschäftsmodell entwickelt, indem sie in nahezu den gleichen Antennenabmessungen immer mehr Frequenzbänder unterbringen. Es werden Antennen angeboten, die nahezu identisch aussehen, die gleiche Befestigung besitzen, aber immer mehr Frequenzbänder unterstützen.

Die MIMO Antennen sind aus Sicht der Kultur also die bessere Alternative für den Mobilfunk. Aber diese Antennen werden dann immer größer. 

Bei Ausweitung der MIMO Technik hin zu „Massive-MIMO“, also großen Antennenarrays mit vielen Antennenelementen, werden die Antennenanlagen in der Tat sehr groß. Dies führt unweigerlich zu einer Neuverhandlung der Mietkosten. Werden einfach Single oder Dualband Antennen mit Mehrband Antennen ausgetauscht, so sieht das für den Vermieter auch nicht anders aus wie ein Reparaturtausch. MIMO Antennen funktionieren besser, wenn die Antennenfläche größer wird. Dies führt aber auch zu mehr Windlast.

Aber es gibt da auch ein Akzeptanzproblem. Die Antennenanlagen werden größer, das sieht nicht schön aus. Außerdem wird von der Öffentlichkeit Elektrosmog befürchtet, weil größere Antennen ja vermeintlich mehr abstrahlen. Das ist aber komplett falsch. Das Gegenteil ist der Fall. Mit Massive-MIMO kann bei weniger Sendeleistung mehr Kapazität bereitgestellt werden. Das ist wie bei einer Cocktail Party, wenn viele Leute laut reden, versteht keiner mehr etwas. Da ist es besser, wenn alle leise reden.

Trotzdem hat der Staat den Netzausrüstern zuletzt immer mehr Spektrum gegeben!

Ja, meist durch Versteigerungen. Der Staat hat kräftig verdient, die Netzbetreiber bekamen für ihre Zwecke gute Frequenzen, ohne dass sie viele neue Standorte oder Mehrantennen (MIMO Antennen) einrichten mussten. Natürlich hatten die Betreiber die Versteigerungserlöse zu bezahlen. Aber sie konnten diese Kosten von der Steuer absetzen.

Für welchen Weg plädieren Sie für die Zukunft?

Als Wissenschaftler setze ich auf eine technisch nachhaltige Lösung, die uns die Zukunft sichert. Die bisherige Spektrumspolitik ist in meinen Augen nicht nachhaltig.

Wie bereits diskutiert: Der Datenverkehr wächst exponentiell über die Jahre. Wir erleben nahezu eine Verdopplung jedes Jahr. Die Frequenzzuteilung an den Mobilfunk wächst nahezu nur linear über die Jahre, wenn man sich die Versteigerungen der letzten Jahrzehnte ansieht. Das kann nicht funktionieren und ist kein Weg in die Zukunft. Da tut sich eine Schere auf, die so nicht zu schließen ist. Das ist wie im Märchen, wenn man ein Reiskorn auf das erste Schachfeld legt, dann zwei, dann vier und dann immer verdoppelt. Das wächst sehr schnell über alle Grenzen.

Ich schlage stattdessen folgendes vor: Die Netzbetreiber sollten eher in die Mehrantennentechnik MIMO investieren. Hier ist auch noch weitere Forschung notwendig, um die Kostenstruktur von Massive-MIMO Antennenarrays zu verbessern. An der hiesigen Universität, der FAU, forsche ich zusammen mit Kollegen aus der Informationstheorie, wie sich das Problem lösen lässt, viel Kapazität bei geringen Aufbaukosten anbieten zu können. Es wäre gut, wenn auch der Staat durch Forschungsprogramme des BMBF und des BMWI in die Forschung bei der Massive-MIMO Technik intensivieren würde. Das könnte eine nachhaltige Kommunikationsinfrastruktur für die Zukunft sichern. Massive-MIMO ist zwar konzeptionell und auch vom Funkstandard her ein Teil von 5G, aber keiner hat bisher gesagt, wie man das kostengünstig umsetzen kann.

Wenn ich jetzt eine Lösung zeigen könnte, wie sich Massive-MIMO kostengünstig praktisch umsetzen lässt, würde das Interesse an niedrigen Frequenzen sofort verschwinden.

Am Ende ist es eine Frage des Geldes…

Übrigens: Die Fraunhofer Gesellschaft, mit der wir an der FAU gemeinsam forschen, hat ein Konzept für abgesetzte Antennen am Smartphone entwickelt, genannt SUDAS (Shared UE-side distributed antenna system). Das ist eine sehr gute Möglichkeit, auf Seiten den Smartphones die Anzahl der Antennen zu erhöhen, ohne das Smartphone größer werden zu lassen. Es erlaubt ebenfalls höhere Datendurchsätze, ohne mehr Spektrum zu benötigen. Auch dieses Konzept ist dem MIMO Ansatz zuzuordnen.

Was ist denn Ihre Quintessenz im Hinblick auf die Kultur- und Kreativwirtschaft?

Ich denke, die Netzbetreiber haben mehrere Optionen, mehr Kapazität bereitzustellen (niedrigere Frequenzen, Netzverdichtung, Massive-MIMO). Aber als Aktienunternehmen und Global Player müssen sie ihren Gewinn maximieren und werden natürlich die Option wählen, die am kostengünstigsten ist. Das darf man ihnen auch nicht vorwerfen. Aktienunternehmen müssen mit dem Geld Ihrer Anleger solide wirtschaften.

Das Ansinnen der Endkunden, immer mehr Kapazität zum gleichen Preis zu bekommen, ist vielleicht auch in Frage zu stellen. Wir müssen uns hier an die eigene Nase fassen. Unsere Erwartungshaltung ist, dass sich das bisherige Wachstum einfach so fortsetzen lässt. Aber Spektrum ist eine natürlich begrenzte Ressource wie Öl, Kohle und Wasser.

Ich denke daher, wir müssen das Ganze als gesellschaftliche Frage auffassen. Wie viel ist uns die Kultur wert? Kulturveranstaltungen haben einen enorm hohen Wert für den Zusammenhalt einer Gesellschaft und die Integration von Zuwanderern. Der Mensch ist ein kulturelles Wesen. Dem darf man nicht einfach durch Entzug der Kulturfrequenzen den Boden entziehen, zumal viele Kulturveranstaltungen auch von Ehrenamtlichen ausgerichtet werden und primär keine kommerziellen Ziele verfolgen.

Wozu sollte also geforscht werden, um die Kulturfrequenzen zu erhalten?

Mehr Forschung zu Massive-MIMO auf Basisstations- wie Smartphone-Seite ist der richtige Weg. Hierdurch wird die Option „Massive-MIMO“ gegenüber der Option „mehr Spektrum“ attraktiver. Auch eine Vereinfachung in der Akquisition neuer Standorte würde die Option Netzverdichtung attraktiver machen. Hier muss sich der Endkunde auch wieder fragen, ob die Haltung richtig ist: „Ich will gute Netzversorgung, aber bei mir um die Ecke darf keine Basisstation stehen“. Das ist das, was wir heutzutage als „kognitive Dissonanz“ bezeichnen.

 

(1) Zum Hintergrund: MIMO stellt keinen gänzlich neuen Ansatz dar. Das ist Standard für WIFI-Router daheim. Auch wird 2×2 MIMO mit 2 Antennen im Handy und 2 Antennen an der Basisstation bei 4G LTE vom Start weg als minimalste Version von MIMO immer genutzt. Betrachtet man die Gewinne in der spektralen Effizienz von 4G (LTE) gegenüber 3G (UMTS/W-CDMA) von Typ. 2,4, so geht ein Faktor 2 darin auf den 2×2 MIMO Modus in 4G zurück. Damit ist der spektrale Effizienz Gewinn von 4G gegenüber 3G im Wesentlichen auf die Einführung von 2×2 MIMO zurückzuführen. Und das ist auch der Grund, weshalb das bei WiFi im Wohnzimmer daheim Standard ist.

 

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