In zwei Jahren wurden lediglich 91 Basisstationen errichtet. Warum ist 5G im Millimeterwellenbereich so schwierig?

 Vergleicht man das 5G-Netz unter 6 GHz mit dem Ausbau einer einspurigen Autobahn in einer alten Stadt, so entspricht das Millimeterwellen-5G dem Bau einer neuen vier- bis achtspurigen Autobahn in einer neuen Stadt.      

Im Vergleich zu Frequenzen unter 6 GHz bietet die Millimeterwellentechnik nicht nur die Vorteile einer großen Bandbreite, hoher Kapazität und geringer Latenz, sondern ist aufgrund ihrer Lage im ultrahohen Frequenzband auch wie ein unberührtes Urland für die Mobilfunkindustrie – ein unverschmutztes, reines Land, das frei genutzt werden kann, ohne dass man sich um Funkstörungen sorgen muss.    

Millimeterwellen galten einst als die wertvollste Spektrumressource im 5G-Zeitalter. Doch während sich 5G im Sub-6-GHz-Bereich weltweit rasant entwickelt, verläuft die Entwicklung von Millimeterwellen-5G deutlich langsamer und hat sogar zu einer Sackgasse geführt.
   
   

      1       ,Südkorea, als globaler 5G-Pionier, ist hinsichtlich der Entwicklungsherausforderungen im Millimeterwellenbereich das typischste Beispiel. Bereits 2018 versteigerte Südkorea die 5G-Frequenzbänder im 3.5-GHz- und 28-GHz-Band. Nach dem Erwerb der Frequenzbänder legten die drei größten südkoreanischen Mobilfunkbetreiber den Regulierungsbehörden einen 3- bis 5-Jahres-Plan zum Bau von 5G-Basisstationen vor. Darin verpflichteten sie sich unter anderem zum Bau von 45,215 28-GHz-Millimeterwellen-5G-Basisstationen innerhalb von drei Jahren (bis Ende 2021).

Obwohl der Ausbau des 3.5-GHz-5G-Netzes in Südkorea auf Hochtouren läuft, verläuft der Aufbau des 28-GHz-5G-Netzes sehr schleppend. Stand März 2021 hatten die drei größten Mobilfunkbetreiber Südkoreas insgesamt nur 91 28-GHz-5G-Basisstationen errichtet, was weit unter dem ursprünglichen Plan liegt.      

Südkoreanische Regulierungsbehörden haben die Mobilfunkbetreiber wiederholt aufgefordert, den Ausbau von 5G im Millimeterwellenbereich zu beschleunigen und sogar gewarnt, dass das 28-GHz-Frequenzband eingestellt wird, falls die gesteckten Ziele bis Ende 2021 nicht erreicht werden. Die koreanischen Betreiber reagierten jedoch mit Resignation und zeigten sich hilflos. Sie gaben an, das Geschäftsmodell für Millimeterwellen sei unklar, die Technologie und die Ausrüstung noch nicht ausgereift, und die Reichweite betrage lediglich 10–15 % der Reichweite von 3.5 GHz. Zudem sei der Aufbau einer sehr dichten Basisstationsdichte erforderlich. Die Investitionskosten für das Netzwerk seien im Vergleich zu 3.5 GHz exponentiell gestiegen. Millimeterwellen eigneten sich daher nicht für den Aufbau eines landesweiten Netzes und könnten lediglich für Hotspots und den Ausbau privater 5G-Netze genutzt werden.

     

Koreanische Netzbetreiber gaben zudem an, dass Südkorea beim Aufbau des 28-GHz-5G-Netzes nicht mit den USA um die Vorreiterrolle konkurrieren müsse. Da die Glasfaser-Breitbandabdeckung in den USA gering sei, setze man dort auf 5G-Millimeterwellen-Festnetz-Funk als Alternative zum Glasfaseranschluss bis ins Haus. Südkorea hingegen verfüge über eine hohe Glasfaser-Breitbandabdeckung, und das Millimeterwellen-Frequenzband werde hauptsächlich für Mobilfunkdienste und private Unternehmensnetze genutzt. Für verbraucherorientierte Mobilfunkdienste sei jedoch eine große Anzahl von Basisstationen erforderlich, was mit hohen Netzwerkausbaukosten verbunden sei. Für private 2B-Netze in vertikalen Branchen sei das Geschäftsmodell derzeit noch nicht ausgereift.      

Da die Ausbaukosten für Millimeterwellen-5G-Netze zu hoch sind und die Betreiber nicht investieren wollen, sollten die drei Betreiber das Netz gemeinsam aufbauen und nutzen. Angesichts des schleppenden Fortschritts beim Ausbau von Millimeterwellen-5G hat die koreanische Industrie diesen Vorschlag unterbreitet.    

Doch das Problem tritt erneut auf. Einerseits besteht die Gefahr von Kommunikationsunterbrechungen, wenn drei Betreiber gemeinsam ein öffentliches 5G-Millimeterwellennetz aufbauen und nutzen, da die Funkabdeckung im Millimeterwellenbereich zu gering ist, sobald sich ein Endgerät vom Netzgebiet eines Betreibers in das eines anderen bewegt. Andererseits wird der Wettbewerb zwischen Betreibern im Bereich privater 5G-Netze im 2B-Segment künftig im Mittelpunkt stehen, sodass eine gemeinsame Entwicklung und Nutzung schwierig sein wird.    

Südkorea bildet keine Ausnahme. Die USA haben 5G-Millimeterwellen bereits 2019 kommerzialisiert. Laut aktuellen Testdaten des Marktforschungsunternehmens OpenSignal liegt die Verfügbarkeit des 5G-Millimeterwellennetzes dort derzeit bei unter 1 %. Statistiken zufolge boten im Januar 2021 weltweit nur acht Betreiber 5G-Millimeterwellendienste an. Diese Daten verdeutlichen den langsamen Fortschritt der globalen 5G-Millimeterwellenentwicklung.    

2. Was ist mit 5G-Millimeterwellen passiert? Warum verläuft die Entwicklung so langsam? Die folgende Tabelle veranschaulicht dies.    
   
   

Abdeckungsfähigkeit

Die Vorteile von Millimeterwellen liegen in ihrer großen Bandbreite und hohen Kapazität. Aufgrund ihrer hohen Frequenz, kurzen Wellenlänge, Freiraumdämpfung, Durchdringungsdämpfung und Beugungsdämpfung ist die Reichweite einer einzelnen Zelle jedoch sehr gering. Messungen zeigen, dass selbst bei direkter Sichtverbindung (LoS) die Reichweite einer Millimeterwellenzelle nur etwa 100 Meter beträgt, was nahezu der Reichweite von WLAN entspricht. Im Vergleich zu Frequenzen unter 6 GHz ist die Durchdringungsfähigkeit von Millimeterwellen aufgrund der geringeren Beugung deutlich schlechter, wodurch Hindernisse wie Wände, Türen und Möbel nur schwer durchdringen können. Daher müssen Betreiber in dicht bebauten Stadtgebieten mehr Basisstationen errichten und sicherstellen, dass zwischen Basisstationen und Endgeräten eine direkte Sichtverbindung besteht, um stabile und schnelle Verbindungen zu gewährleisten.

     

Selbst wenn private 5G-Netze punktuell für 2-Milliarden-Szenarien bereitgestellt werden, müssen einerseits in größeren Campusgeländen, Fabriken usw. mehr Basisstationen errichtet werden. Andererseits ist es aufgrund verschiedener Hindernisse wie Wände, Türen und Geräte in Innenräumen wie Fabriken, Bürogebäuden und Krankenhäusern notwendig, eine Sichtverbindung zwischen Endgeräten und Basisstationen aufrechtzuerhalten, um eine schnelle und stabile Kommunikation zu gewährleisten. Zudem ist die Installation zusätzlicher Basisstationen an mehreren Standorten erforderlich, was die Netzausbaukosten erhöht.

Die Lösung besteht darin, die Reichweite durch Massive MIMO+ Beamforming zu erhöhen. Dies führt jedoch zu einer höheren Anzahl an Antenneneinheiten, Leistungsverstärkern, rauscharmen Verstärkern und anderen Komponenten, wodurch die Gerätekosten steigen. Zusätzlich lässt sich die Millimeterwellen-Abdeckung auch durch die Installation von Repeatern und Reflektoren erweitern.    

Preis pro Basisstation    

Im Vergleich zu Frequenzen unter 6 GHz erfordert die Millimeterwellentechnik nicht nur den Bau von mehr Basisstationen, sondern das größere Problem besteht darin, dass der Stückpreis von Millimeterwellen-Basisstationen etwa 30 bis 40 % höher ist als der von Basisstationen unter 6 GHz.    

Die Hauptgründe sind:
1) Die meisten Betreiber weltweit haben 5G-Netze im Sub-6-GHz-Bereich aufgebaut, was den Vorteil der Skalierung bietet. Allerdings gibt es weltweit nur sehr wenige Millimeterwellen-Basisstationen, und der Stückpreis ist höher;
2) Bei der Sub-6-GHz-Basisstation sind DU und RU getrennt, und die DU kann zentral eingesetzt werden, während RU und DU bei der Millimeterwellen-Basisstation am selben Ort untergebracht sind, wodurch der Preis höher ist;
3) Zwischen Millimeterwellen-Basisstationen und Sub-6-GHz-Basisstationen bestehen interne architektonische Unterschiede (beispielsweise verfügen Millimeterwellen-Basisstationen über mehr Antenneneinheiten).    

Terminalökologie    

Im Bereich der Endgeräte im Sub-6-GHz-Band gibt es aktuell immer mehr verschiedene Smartphone-Typen, 5G-CPEs und 5G-Module, und das Ökosystem wächst stetig. Das Ökosystem der Millimeterwellen-Endgeräte befindet sich hingegen noch in einem sehr frühen Stadium, insbesondere im 2B-Bereich. Gleichzeitig sind die globalen Chiphersteller hinsichtlich des Sub-6-GHz-Ökosystems optimistischer und werden keine Modems entwickeln, die ausschließlich Millimeterwellen nutzen. Dies bedeutet, dass es kein 5G-Privatnetz geben wird, das ausschließlich auf Millimeterwellen basiert.    

Bau- und Betriebskosten    

Wie bereits erwähnt, erfordert der Aufbau eines öffentlichen 5G-Netzes mit Millimeterwellen eine hohe Dichte an Basisstationen. Die Bau- und Betriebskosten steigen im Vergleich zu Frequenzen unter 6 GHz exponentiell. Wie sieht es aber aus, wenn man Millimeterwellen für ein privates 5G-Netz nutzt? Aktuell ist eines der größten Hindernisse für die Entwicklung privater 5G-Netze (5G 2B), dass die Kosten höher sind als die von WLAN. Der Aufbau privater 5G-Netze mit Millimeterwellen ist teurer als mit Frequenzen unter 6 GHz. Dies erhöht die Hürde für den Einsatz privater 5G-Netze in Unternehmen erheblich.    

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