5G-Sender Reichweite mit verschiedenen Frequenzen

Sendereichweiten in verschiedenen 5G Frequenzbereichen

Die in der Grafik gezeigten 5G-Sendereichweiten sind Richtwerte. Der Senderadius eines 5G-Senders hängt neben der Frequenz von vielen weiteren Faktoren ab, wie der Sendeleistung, der Antennenbauart oder der Höhe des Sendemastes. Grundsätzlich gilt, je höher die Frequenz, desto geringer die Sendereichweite. Das liegt maßgeblich an der Freiraumdämpfung, die frequenzabhängig ist.

Wie groß ist die Sendereichweite mit 5G?

Die Sendereichweite oder auch der Senderadius eines 5G Mobilfunkstandortes hängt von ganz unterschiedlichen Faktoren ab und kann von unter 100 m bis über 10km reichen. Welche Faktoren beeinflussen den Senderadius?

  1. Der Frequenzbereich
  2. Die Antennenbauart
  3. Die Sendeleistung
  4. Die Topographie
  5. Die Höhe des Sendemastes
  6. Die Leistung des Endgerätes

1. Der Frequenzbereich

Der Frequenzbereich entscheidet maßgeblich, wie groß die 5G-Sendereichweite eines Standortes ist. Dabei gilt: Je höher die Frequenz, desto geringer ist die Sendereichweite. Das hängt mit der Freiraumdämpfung zusammen, die beschreibt, wie die Leistungsdichte abhängig von der Frequenz mit zunehmender Distanz zum Sender abnimmt.

5G wird in deutlich höheren Frequenzbereichen als ältere Mobilfunktechnologien (2G,3G,4G) verwendet. Das ist auch der Grund warum häufig geschrieben wird, dass 5G eine geringere Sendereichweite hat. Das ist aber nur die halbe Wahrheit. 5G wird zukünftig auch in niedrigen und mittleren Frequenzbereichen verwendet und hat dort eine vergleichbare Sendereichweite wie  4G/LTE. Die hohen Datenraten (über 1 GBit/s) werden jedoch nur in den hohen Frequenzbereichen erreicht, wo die Sendereichweite begrenzt ist.

Die 5G-Antennen, die momentan von den Netzbetreibern in Deutschland installiert werden senden im 3,6 GHz Bereich. Dieser Frequenzbereich ist höher als alle bislang im Mobilfunk genutzten. Dadurch ist auch die Sendereichweite geringer. 5G ermöglicht jedoch die Beamforming Antennentechnik, mit der sich der Senderadius verbessern lässt (mehr dazu im Kapitel Antennenbauart). Dadurch sind im 3,6 GHz Bereich Reichweiten möglich, die fast an die von LTE im 2 GHz Bereich heranreichen.

In den hohen Frequenzbereichen und dort besonders im 26GHz Bereich (5G Frequenzband n258) ist die Sender Reichweite sehr gering. Sie beträgt nur wenige hundert Meter. Mit moderner Antennentechnik (Beamforming) und einer ausreichenden Sendeleistung sind bei freier Sicht (Line of Sight) Distanzen von maximal ca. 1000 Metern erreichbar. Millimeterwellen können auch nur sehr schlecht durch Hindernis wie Gebäude oder dichten Bewuchs hindurchdringen, freie Sicht ist daher meistens erforderlich. An Metallobjekten oder metallbeschichteten Fenstern können die Funksignale aber auch reflektieren, wodurch im Einzelfall auch ein Empfang ohne direkte Sicht möglich wird.

2. Bauart der 5G -Antennen (Massive MIMO)

Es gibt unterschiedliche Bauformen von Mobilfunkntennen, die sich am Sendemast befinden. Die Bauform, bzw. die Antennentechnik hat einen starken Einfluß auf die 5G-Senderadius.  Bisherige Mobilfunkantennen sind so genannte Sektorantennen, die einen Winkel von z.B. 120 Grad gleichmäßig versorgen. Es gibt auch Rundstrahler die einfach in alle Richtungen senden. Die Sendereichweite betreffend sind diese Antennen eher uneffektiv.

Mit 5G gibt es auch eine neue Bauart von Antennen, dabei handelt es sich um so genannte Massive MIMO Antennensysteme. Diese bestehen aus z.B. 64, 128 oder 1024 rechteckig angeordneten kleinen Antennen. Es handelt sich also nicht um eine Antenne sondern vielmehr um eine Antennenanordnung bzw. ein Antennengrid. Mit diesem Antennengrid ist es möglich durch Phasenverschiebung sehr stark gebündelte Funksignale zu senden. Diese Technik wird als Beamforming bezeichnet und erinnert etwas an Richtfunk. Der Beam ist ein gebündelter und auf den Nutzer ausgerichteter Mobilfunkstrahl. Er hat eine deutlich bessere Reichweite als eine Antennen die willkührlich eine große Fläche abdeckt. Beim Beamforming spricht auch von einer Ausnutzung des Raumes, dem so genannten Spatial Multiplexing.

Innenansicht einer Massive MIMOAntenne

Innenansicht eines Massive MIMO Antennengrids. Gut zu erkennen sind die einzelnen kleinen Antennen, die nebeneinander und untereinander angeordnet sind. Mit dieser Antennenbauart ist Beamforming realisierbar.

Massive MIMO macht jedoch nur in hohen Frequenzbereichen Sinn, da die einzelne Antenne immer größer wird, je niedriger der Frequenzbereich ist. Eine Massive MIMO Antenne im 2 GHz oder gar 700 MHz Bereich wird dadurch sehr groß und es gibt Probleme, diese an Sendemasten zu montieren. Je höher der Frequenzbereich, desto mehr Antennen passen auf eine definierte Fläche, daher eignet sich die Massiv MIMO Technik besonders für den 26 GHz Bereich und kann dort sehr hohe Reichweitengewinne erzielen.

Vergleich der Reichweite zwischen Sektorantene und Beamforming Massive MIMO

Vergleich der Reichweite zwischen Sektorantene und Beamforming (Massive MIMO). Durch den gerichteten Beam kann ein großer Antennengewinn erzielt werden, wodurch die Sendereichweite verbessert wird.

3. Sendeleistung der 5G-Standorte

Die Sendeleistung hat einen deutlichen aber auch häufig etwas überschätzten Einfluß auf die 5G-Sendereichweite. Die Leistung eines Mobilfunksenders wird in der Regel in Watt angegeben. Man kann die Faustregel verwenden, dass eine Verzehnfachung der Sendeleistung ungefähr mit einer Verdoppelung der Sendereichweite einher geht. Große Standorte, so genannte Makrozellen senden mit einer recht großen Sendeleistung von ca. 20-50 Watt. Kleine Standorte, so genannte Small Cells oder Kleinzellen, senden mit deutlich geringerer Sendeleistung und haben dadurch auch nur eine begrenzte Reichweite. Die geringere Sendereichweite ist bei Small Cells oft auch erwünscht, um eine hohe Verdichtung der Basisstationen zu erreichen. In diesem Zusammenhang spielt auch die Vorgabe der Bundesnetzagentur eine Rolle, die besagt, dass unter 10 Watt EIRP Sendeleistung keine Standortbescheinigung notwendig ist. Daher wird häufig versucht unter 10 Watt zu senden, um nur eine Standortmeldung machen zu müssen.

4. Begrenzte Sendereichweite durch Engeräte-Uplink

Bei der Sendereichweite darf man jedoch nicht nur den Sendemast berücksichtigen. Auch das Endgerät, das verwendet wird, trägt entscheidend dazu bei, wie groß die Distanz zwischen Endgerät und Mobilfunksender sein darf. Die Sendeleistung von 5G-Smartphones ist begrenzt. Die Informationen vom Sendemast können das Smartphone oft noch gut erreichen, aber der Rückweg vom Smartphone zum Sendemast funktioniert nicht mehr. Durch die Beamforming Technologie wird dieses Problem noch verstärkt, da die Sendereichweite nur auf Seiten des Mobilfunkmastes erhöht wird. Beamforming Technik in ein Smartphone zu integrieren ist viel komplizierter, aufgrund der geringen Baugröße. Dieses Problem kann mit so genanntem High Power User Equipment (HPUE) etwas verringert werden. Bei HPUE Endgeräten wird die Sendeleistung von 23dBm auf bis zu 31dBm erhöht.  Dadurch ist eine Verbesserung der Sendereichweite um ca. 80% möglich.

Mit 5G-Routern ist die Sendereichweite deutlich besser, da Router über eine höhere Sendeleistung und bessere bzw. größere Antennen verfügen. Das Platzproblem ist in Routern bei weitem nicht so groß wie in Smartphones.

4. Höhe des Sendemastes und Topographie der Umgebung

Die Topographie der Umgebung hat starken Einfluß auf die Sendereichweite. Mobilfunkstrahlung kann Berge gar nicht und Wälder nur schlecht durchdringen. Daher wird in der Regel versucht, einen möglichst hohen Standort auf einer Anhöhe oder einem hohen Gebäude für die Mobilfunkantennen zu finden. Je höher der Standort, desto besser. Je höher sich die Antennen befinden, desto stärker kann die Antenne vertikal geneigt werden.