5G Frequenzen

Welche Bänder sollen für 5G genutzt werden?

Das weltweit generierte Datenaufkommen in den mobilen Funknetzen wächst seit Jahren stetig, teils um 50 Prozent per annum. Maßgeblich befeuert durch mobile Videostreaming-Dienste. Bereits in 2022 erwarten Experten zudem 20-30 Milliarden vernetzte Endgeräte – Stichwort Internet of Things (IoT). Um dieser anschwellenden Traffic-Flut Herr zu werden, setzten die Mobilfunkprovider weltweit enorme Hoffnung auf den LTE-Nachfolger „5G“. Doch wie schon bei 4G/LTE, benötigt man für den Betrieb von Funknetzen in erster Linie freie Frequenzbänder. Jene sind jedoch global immer Mangelware. Wir zeigen, welche Frequenzbereiche für 5G nach aktuellen Planungen zur Disposition stehen und auf welche Bandbereichen wahrscheinlich bald gefunkt wird.

5G-Antenne im Testnetz

5G-Antenne der Deutschen Telekom | Bild: 5G-Anbieter.info

Mangelware Funkspektrum

Hierzulande werden für die aktuelle 4G-Mobilfunktechnik vor allem Frequenzbereiche bei 800, 1800 und 2600 MHz genutzt. Jeder Mobilfunkprovider, also Deutsche Telekom, O2 und Vodafone, haben bei zwei Auktionen in den letzten Jahren mehrere Spektralbereiche zum Betrieb von LTE ersteigert. Im Segment von 800 MHz kann die Telekom zum Beispiel den Bereich 811-821 MHz für den Downstream und 852-862 MHz für den Upstream nutzen. Dabei steht demnach ein Band mit einer Breite von je 10 MHz zur Verfügung. Diese Bandbreite kann man sich vereinfacht als Datenautobahn vorstellen. Je breiter, desto mehr Daten können je Zeiteinheit übermittelt werden.

Da sich der Mobilfunk aber das begrenzte elektromagnetische Spektrum mit anderen Techniken teilen muss, sind freie Frequenzen knappe Güter. Beispielhaft sei hier das terrestrische Fernsehen DVBT-2 und der Polizeifunk genannt. Insgesamt haben alleine die Deutschen Mobilfunker daher 2010 (4.4 Mrd.) und 2015 (5 Mrd.) fast 10 Mrd. Euro an Lizenzgebühren gezahlt. Und auch für neue 5G-Ressourcen werden im Zuge der Versteigerung 2019 vom Bund Einnahmen im Milliardenbereich erwartet. Insgesamt steht den deutschen Mobilfunkbetreibern heute aber bereits ein Spektrum im Umfang von zusammen 1000 MHz zur Verfügung. Für 5G braucht es aber neue „Datenautobahnen“, insbesondere für anvisierte Spitzengeschwindigkeiten von 10-20 GBit.

Fläche vs. Performance

Nicht jeder Frequenzabschnitt eignet sich für jedwedes Szenario. Für eine Versorgung in der Fläche eignen sich, physikalisch bedingt, nur langwellige Bereiche. Also Bänder auf niedrigeren Frequenzen. Für den 5G-Ausbau im ländlichen Raum wäre beispielsweise der noch ungenutzte Bereich bei 700 MHz ideal. Im Zuge des LTE-Ausbaus kam vornehmlich 800 MHz zum Einsatz. Außerhalb der Städte spielt weniger die Performance eine entscheidende Rolle, sondern der Aspekt Abdeckung.

Mit steigender Frequenz, sinkt hingegen die Reichweite. Dafür bieten diese Funkbereiche mehr Bandbreite und damit steigt auch die erzielbare Datenübertragungsrate. Hochperformante 5G-Netz mit 10 oder 20 GBit wären ohnehin nur mit Kanalbandbreiten ab 100 MHz oder höher zu bewältigen. Die dafür im Raum stehenden Bänder liegen im Bereich von 24-86 GHz. Derartigen Frequenzbereiche würden aber auch extrem engmaschige Netze bedingen, welche sich nur im städtischen Raum realisieren lassen. Hier sprechen wir von wenigen hundert Metern, so dass Mini-Funkmasten, z.B. an Straßenlaternen nötig wären. Entsprechende Pläne existieren aber bereits. Es besteht daher stets eine Tradeoff-Situation zwischen Reichweite und Geschwindigkeit.

Nutzfrequenzen für 5G gesucht: „Niedrige“ und „Hohe“ 5G-Bänder

Wie bereits in der Einleitung gezeigt, mangelt es aktuell tendenziell an möglichen Betriebsressourcen für einen neuen Mobilfunkstandard. Da im „unteren“ Frequenzbereich die meisten in Frage kommenden Bänder schon belegt sind (z.B. für LTE), gibt es zwei Möglichkeiten. Einerseits können nicht mehr benötigte Bereiche für den 5G-Betrieb freigegeben und umdisponiert werden. Zu nennen ist hier in erster Linie das veraltete 2G (EDGE, GSM) oder aber sogar 3G (UMTS). Schon 2017 verlautbarte die Deutsche Telekom, man plane wahrscheinlich ab 2020 (anvisierter Start für 5G) die Einstellung von 3G. In anderen Staaten, wie Australien, ist 2G sogar schon Geschichte. Einige Nutzlizenzen laufen jedoch noch bis 2025…

Bänder 5G vs. LTE

Eine andere Möglichkeit neue Ressourcen für den 5G-Mobilfunk zu finden liegt darin, höhere Frequenzen zu bewirtschaften als momentan üblich. Aktuell ist weltweit meist bei 3 GHz Schluss. 5G soll daher in frühen Entwicklungsstufen, ca. ab 2020, in Bereichen von 2 bis 5 GHz eingesetzt werden. Eine elementare Rolle für die Einführung von 5G spielt dabei der Frequenzbereich von 3.4 bis 3,8 GHz. Zur Versteigerung im Frühjahr 2019 stehen zudem Bänder bei 2 GHz zur Disposition. Genauer gesagt 2 x 60 MHz bei 1.920 MHz bis 1.980 MHz sowie 2.110 MHz – 2.170 MHz. Zudem noch 300 MHz bei 3.400 MHz bis 3.700 MHz.[1]. Fachleute sprechen auch von „FR1“ (FR = Frequency Ranges). Release 15 sieht für FR1 Bänder von 450 MHz bis 6 GHz vor, was den Nummern 1-255 entspricht (siehe Tabelle unten).

Des weiteren gibt es Pläne, später weit höhere Spektralbereiche für die 5G-Nutzung freizugeben. Die Weltfunkkonferenz hat 2015 Bänder im Bereich von 24 bis 86 GHz vorgeschlagen. Bis 2019 sollten mittels Studien und Tests Bereiche identifiziert werden, welche zur Nutzung von 5G in Zukunft geeignet wären. Europa (CEPT) konnte sich indes bereits auf zwei konkrete Pionierbereiche für den 5G-Betrieb einigen – zumindest deren Untersuchung. Dabei handelt es sich um die Spektralbänder von 24,25 bis 27,5 und 31,8 bis 33,4 GHz. Die Radio Spectrum Policy Group strebt übrigens ersteres an. 

FR2 (Frequenzy Range 2) aus dem Release 15 sieht ein Spektrum von 24250 MHz bis 52600 MHz vor, was den Bandnummern 257-511 (Tabelle unten) entspricht. Gemeinhin auch als mmWave-Bereich betitelt. Rein technisch betrachtet startet mmWave aber erst bei 30 GHz.



Pläne für 5G-Frequenzen

Die GSA hat bereits konkrete Vorstellungen, welche Bänder im Bereich von 3.3 – 5 GHz genutzt werden könnten. Je nach Kontinent und Region, soll der Fokus aber auf verschiedenen Spektren liegen. Hier die Pläne für Low-Frequency Zellen:

  • Europa: 3400 – 3800 MHz
  • USA: 3100 – 3550 MHz + 3700 – 4200 MHz
  • Japan: 3600 – 4200 MHz sowie 4400 – 4900 MHz
  • China: 3300 – 3600 MHz sowie 4400 – 4500 + 4800 – 4990 MHz

Spätestens bei 4990 MHz ist jedoch Schluss, da hier das Betriebsband für WLAN bei 5 GHz anfängt. Auch wenn es bereits Überlegung für einen überlappenden Betrieb mit LTE gibt, wird dieses Spektrum erstmal ausgeklammert um den Wifi-Betrieb nicht zu stören.


Für höhere Bänder gibt es, wie schon angedeutet, ebenfalls Pläne und Tests. Die USA etwa setzen für 5G-Internet momentan auf 28 und 38 GHz. Hier ein kleiner Überblick:

  • Europa: 24.25 – 27.5 GHz | 31.8 – 33.4
  • USA: 27.5 – 28.35 + 37 – 40 GHz für erste 5G-Tests
  • Japan: 27.5 – 29.5 GHz für erste Tests
  • Schweden: 26.5 – 27.5 GHz für Lizenztests
  • China: 24.75 – 27.5 GHz
  • Südkorea: 26.5 – 29.5 GHz

zwei klar präferierte Bänder

Einem Whitebook der GSA vom November 2018 zufolge, kristallisieren sich weltweit bereits 3 bis 5 bevorzugte Bänder für den 5G-Betrieb heraus. Mit weitem Abstand führend ist dabei der 28 GHz-Bereich mit fast 90 Testnetzen weltweit. Gefolgt von 3.5 GHz mit 65 Pilotprojekten.

Anzahl der Testnetze / Demos weltweit nach Frequenzbändern | Bild: GSA


Ähnlich wie schon bei LTE, werden auch die Bänder für 5G namentlich definiert. Band 20 z.B. steht für den Betrieb von LTE bei 800 MHz. 5G Release 15 (per RAN4) sieht eine etwas andere Nomenklatur vor. Statt „Band X“ erfolgt die Bezeichnung mit „nxxx“. Für FR1 sind prinzipiell Werte von 1-255 Werte möglich, FR2 startet ab 256. In der folgenden Tabelle sind 24 Bänder nach FR1 aufgelistet, gegliedert nach Down- und Uploadrate und dem vorgesehen Duplexmodus. Typisch für Europa ist hier „n78“.

Band #Download MHzUpload MHzDuplex Modus
n12210-27101920-1980FDD TDD
n21930-19901850-1910FDD
n31805-18801710-1785FDD
n5869-894824-849FDD
n72620-26902500-2570FDD
n8925-960880-915FDD
n20791-821832-862FDD
n28758-803703-748FDD
n382570-26202570-2620TDD FDD
n412496-26902496-2690TDD
n662210-22001710-1780FDD
n701695-17101995-2020FDD
n71617-652663-698FDD
n741475-15181427-1470FDD
n75/1432-1517SDL
n76/1427-1432SDL
n773300-42003300-4200TDD
n783300-38003300-3800TDD
s4400-50004400-5000TDD
n801710-1785/SUL
n81880-915/SUL
n82832-862/SUL
n83703-748/SUL
n841920-1980/SUL
n852496-2690/SUL

Die nächste Tabelle listet die bisher wenigen Frequenzbänder im Bereich FR2 auf.

Band #Download GHzUpload GHzDuplex Modus
n25726.5-29.526.5-29.5TDD
n25824.75-27.524.75-27.5TDD
n25931.8-33.431.8-33.4TDD
n26037-4037-40TDD

Fazit

Noch steht nicht fest, welche Frequenzbereiche zum Start der ersten 5G-Netze weltweit das Rennen machen. Es zeichnet sich aber bereits eine Tendenz ab, dass 3.5 GHz und 28 GHz eine dominante Rollen einnehmen werden. Wie schon bei LTE, wird es aber weltweit erneut größere Unterschiede geben, was die Hardwarehersteller erneut fordern dürfte.

Wir erwarten für Deutschland für den Start die Nutzung im Bereich von 3.4-3.8 GHz, da nur diese in der ersten Frequenzauktion zur Disposition stehen. Darüber hinaus ist mittelfristig die Freimachung nicht mehr genutzter Bereiche älterer Funkstandards zu erwarten. Wie z.B. 2.1 GHz via UMTS. Durch Carrier Aggregation, lassen sich dann mehrere Bereiche zu einem Nutzband vereinen. Diese Technik kommt heute bereits bei LTE ab Kategorie 6 (LTE-Advanced) zum Einsatz und ist elementarer Bestandteil des 5G-Standards.

Quellen:
[1] Bundesnetzagentur
GSA – https://gsacom.com/5g-spectrum-bands
Frequenzkompass der Bundesnetzagentur