Für sichere Netze der Zukunft : Der Mobilfunk braucht das obere 6 GHz-Band

Zeitalter der Vernetzung, Hypervernetzung, die digitale und physische Verschmelzung – egal, wie man sie nun nennen möchte: Wir befinden uns mittendrin in einer Entwicklung, in der immer mehr Dinge miteinander kommunizieren. Und zwar zunehmend drahtlos über verschiedene Technologien wie Wifi, Bluetooth oder Mobilfunktechnologien wie 5G und perspektivisch 6G.

Schon jetzt steigen die Datenmengen, die drahtlos übermittelt werden, laufend. Wir gehen in diesem Jahr von einem globalen mobilen Datenwachstum von rund 20 Prozent aus, ähnliche Werte werden auch für die kommenden Jahre prognostiziert. Auch die Anzahl an über Mobilfunk vernetzter Geräte steigt – und das sind schon lange nicht mehr nur Smartphones, Tablets und Smartwatches. In der Industrie und über das sogenannte Internet of Things gewinnt Mobilfunk an Bedeutung.

Mobilfunk ist effizienter und sicherer

Die Vorteile des Mobilfunks: WLAN ist ein „Best Effort“-Netzwerk, das heißt, es gibt keine Garantien bezüglich des Netzzugangs. Das WLAN-Netz ist unkoordiniert – andere Netze in der Gegend können, falls sie zufälligerweise dieselben Frequenzen nutzen, die Kommunikation verhindern.

Aufgebaut sind WLAN-Netzwerke auf einem „listen-before-talk“-Zugriffsverfahren. Dabei wird zunächst „gehört“, ob der Kanal frei ist, bevor gesendet werden kann. Damit ist es für Dienste, die kurze Reaktionszeiten und Garantien benötigen, ungeeignet. Dieses Problem versucht man mit dem sogenannten „Overprovisioning“ zu lösen. Dabei wird mehr Spektrum reserviert, als nötig wäre, um eine Übertragung trotz der Unsicherheit möglich zu machen.

Mobilfunk funktioniert anders: Hier wird nach einem „Paketreservierungsverfahren“ gearbeitet. Das bedeutet, dass bis zu zehnmal mehr Nutzer dieselbe Frequenz nutzen können. WLAN hingegen verschwendet Ressourcen – es stellt viel mehr Frequenzen bereit, als eigentlich nötig wären, wenn es ebenfalls mit Paketreservierung arbeiten würde.

Ein Anschauungsbeispiel? Jedem Bahnfahrenden wird ein Sitzplatz zugeordnet, die Fahrzeiten werden gemäß der Verfügbarkeit angeordnet. Analog würden beim „Listen-before-talk“-Verfahren nun so viele Züge eingesetzt, dass alle, die Bahn fahren wollen – egal, wann sie spontan losfahren – immer mitgenommen werden. Dieses Vorgehen benötigt fast zehnmal mehr Züge.

Außerdem haben Mobilfunknetze Vorteile bei der Sicherheit: Jedes Gerät, das über Mobilfunk verbunden ist, wird durch eine SIM (physische SIM-Karte oder eSIM) authentifiziert. Nur die Nutzer, die mit dem Mobilfunk-Netzbetreiber bekannt sind, können also das Netz nutzen – es gibt keine anonymen Nutzer. Seit dem derzeit modernsten Standard 5G Standalone wird nicht nur der Mobilfunknutzer authentifiziert, sondern auch das Mobilfunknetz. Das weist sich gegenüber dem Mobilfunkgerät des Nutzers aus, sodass nur die Mobilfunk-Netzbetreiber und berechtigte staatliche Stellen die Möglichkeit haben, 5G-Standalone-Verbindungen zu den jeweiligen Endgeräten aufzubauen.

Warum Mobilfunk die knappen Frequenzen braucht

Während 5G-Standalone weiterhin ausgerollt wird, ist die Arbeit an der nächsten Mobilfunkgeneration schon voll im Gange. Und im Rahmen von 6G stehen wir vor zwei wesentlichen Anwendungen, die die Netze herausfordern werden:

Zum einen ist das die mobile Robotik: Mit 6G wird die persönliche mobile Robotik viel weitgehender als jetzt in unser Leben einziehen. Neben heutigen Anwendungen wie Staubsaugerrobotern, Rasenmährobotern oder automatisiertem Fahren wird es künftig auch Einsätze von Robotik in Sport, Spiel, Mobilität sowie Assistenz geben. Ein Beispiel sind Exoskelette, die anstelle von Rollatoren auch zum Tragen und Heben schwerer Lasten geeignet sind. Solche Anwendungen stellen nicht nur hohe Anforderungen an sichere Verbindungen – sie erfordern auch geringe Reaktionszeiten, technische Latenz, und große Reichweiten. Mit WLAN lässt sich das nicht erreichen.

Auch bei Industrieanwendungen erleben wir einen gesteigerten Einsatz von Robotik – und das in vielen Bereichen, von der Produktion bis hin zu automatisierter Logistik.

Die zweite Hauptanwendung ist – wie könnte es auch anders sein – KI. Und die wird zunehmend interaktiv. Heute kennen wir das klassische Prompting mit Text und mittlerweile auch das File Prompting, bei dem Dokumente hochgeladen werden und anschließend nach bestimmten Informationen in ihnen gefragt wird. Das erinnert an Mobilfunkzeiten, als über 2G SMS und anschließend mit 3G E-Mail-Dienste angeboten wurden. Was danach durch Video-Streaming und schließlich Reels in Mobilfunknetzen passierte, ist eine Explosion an Datenrate. Dasselbe wird sich durch KI wiederholen. Wir stehen kurz vor der Einführung von Video-Prompting, und danach sogar Gestik-erkennendem Prompting.

Beide Anwendungen, Robotik sowie interaktive KI, werden die Mobilfunknetze mit einer Explosion der Datenrate sowie von Echtzeit-Anforderungen herausfordern.

Auch ökologische Argumente sprechen dafür

Wenn wir trotz dieser erwartbaren steigenden Datenraten weiterhin stabile Netze wollen, gibt es nur drei Lösungen:

1. Mehr Funkspektrum für den Mobilfunk.
2. Höhere Effizienz beim Einsatz von existierendem Spektrum: Das ist allerdings nur mit enormem Energieaufwand möglich. Die Faustregel der Effizienzsteigerung: Eine zehnmal höhere Datenrate führt zu 100-mal mehr Energieaufwand. Bei gleichbleibender Datenrate bedeutet übrigens mehr Funkspektrum eine mögliche wesentliche Energieeinsparung im Mobilfunknetz.
3. Verdichtung von Funkmasten, also ein deutlicher Ausbau des Netzes: Wer will das und wer kann das bezahlen?

Daher brauchen wir unbedingt mehr Spektrum für den Mobilfunk – die anderen Lösungen sind ökonomisch und ökologisch nicht praktikabel. Wir brauchen Frequenzspektrum, das eine gewisse Kapazität ermöglicht, also hohe Datenmengen übermitteln kann, eine gewisse Reichweite hat und Geräte nicht nur im Freien, sondern auch innerhalb von Räumen erreicht. Das obere 6-GHz-Band ist das einzig geeignete Band, das im Mid-Band-Bereich zwischen 2 und 10 GHz noch verfügbar ist. Es erlaubt sowohl Outdoor- wie Indoor-Versorgung und bietet zusätzlich vernünftige Abdeckung an. Es eignet sich, wie zahlreiche Tests gezeigt haben, sehr gut für den Mobilfunk.

Nicht jedes Band eignet sich für Mobilfunk

Auch über WLAN werden künftig wohl größere Datenmengen übermittelt. Doch schon jetzt verfügen WLAN-Anwendungen in Deutschland über mehr als 1 GHz an gesamter Bandbreite in den Bereichen 2,4 und 5 GHz, sowie im unteren 6GHz-Band, das in Europa der unlizenzierten WLAN-Nutzung zugewiesen ist. Diese Bandbreite kann, weil es sich um lokale Netzwerke handelt, theoretisch von jedem Anschluss genutzt werden – schon heute.

Zusätzlich steht dem WLAN bereits jetzt insgesamt 2 GHz an Bandbreite bei 60 GHz zur Verfügung. Auch andere Bänder wie ein 2050 MHz breites Band bei 24 GHz stünden in der Theorie für die WLAN-Nutzung zur Verfügung. Diese bieten zwar eine schlechtere Abdeckung, aber im kleinzellularen Indoor-Bereich sind die notwendigen Reichweiten eben gerade nicht hoch. Und das, was sie an Abdeckung nicht bieten, bieten sie dafür an Kapazität. Für den Mobilfunk sind diese Bänder, weil sie kaum Reichweite oder Indoor-Erreichbarkeit ermöglichen, nicht geeignet.

In der Vergangenheit wurde bereits so verfahren: Weil der Mobilfunk grundsätzlich andere Anforderungen an das Frequenzspektrum stellt, wurden Bänder, die zum Beispiel wegen hoher Störanfälligkeit bei Regen und Schnee für den Mobilfunk ungeeignet sind, der WLAN-Nutzung zugewiesen. So war es zum Beispiel beim 2,4-GHz-Band. Weil für den Mobilfunk aber noch viel weniger geeignetes Spektrum zur Verfügung steht als für die WLAN-Nutzung, muss jedes noch verfügbare Spektrum unterhalb von 10 GHz dem Mobilfunk gewidmet werden. Zumindest dann, wenn wir in Zukunft leistungsstarke, energieeffiziente, stabile und sichere Netze haben wollen.

Gerhard Fettweis ist seit 1994 Lehrstuhlinhaber des Vodafone Stiftungslehrstuhls Mobile Nachrichtensysteme am Institut für Nachrichtentechnik an der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Dresden. Seit 2018 ist er außerdem wissenschaftlicher Gründungsleiter und Geschäftsführer des Barkhausen-Instituts.