5G, ganz nüchtern

  • Alle schreien über 5G, also wollte ich mir das Ganze auch mal ansehen, ganz nüchtern.


    Ist 5G wirklich so schlimm? So viel schlimmer als 4G? Diese Betrachtung soll kein Urteil über die Belastung durch Elektrosmog als solches sein, dafür ist die Faktenlage einfach zu dünn. Ich persönlich habe keine Probleme damit, bin ich doch bei meiner Arbeit schon das ganze Leben lang von elektromagnetischer Strahlung umgeben. Eine Belastung elektromagnetisch empfindlicher Personen kann und will ich aber auch nicht ausschliessen, also lassen wir das.

    Was ist 5G gegenüber 4G?

    Was unterscheidet die beiden Verfahren eigentlich? Rein technisch gesehen eigentlich nicht viel, beides sind standardisierte Verfahren der Gerätekommunikation.


    Warum dann das Geschrei? Die Frequenzen gehen aus, ganz allgemein, unabhängig von 4 oder 5G. Es braucht mehr davon. Also macht doch einfach mehr davon! Mehr? Mehr geht nicht, man kann nicht einfach mehr Frequenzen herstellen. Aber man kann weitere Frequenzbänder benutzen, höhere Frequenzbänder.


    Das ist aber ein zweischneidiges Schwert. Mit höheren Frequenzen lassen sich mehr Informationen in der gleichen Zeit übertragen. Super! Leider hat die Sache einen Nachteil, die Reichweite des Signals sinkt.


    Am 7. Februar 3019 ging in der Schweiz die Versteigerung der 5G Frequenzen zu Ende. Zur Steigerung standen Frequenzen aus diesen Bändern zur Verfügung: 700 MHz, 1400 MHz, 2600 und 3500 MHz. 1000 MHz werden auch als 1GHz dargestellt, wie bei den Prozessoren im PC.


    Nach der Auktion bietet sich folgendes Bild:



    Die helleren Farbtöne stellen die bereits für 2G, 3G und 4G verwendeten Frequenzbänder der angegebenen Firmen dar (bisher), die Dunkleren wären für 5G (neu).


    Quelle: Vergebene Frequenzen beim Bundesamt für Kommunikation (BAKOM)

    Was hat sich geändert?

    Zuwächse hat es bei 700 MHz, 1400 MHz und 3500 MHz gegeben. Ganz neu sind die Frequenzen im 3500 MHz Band. 4G liegt zu einem grossen Teil in den Bändern von 1800 bis 2600 MHz. Aber auch im 700 MHz Band wurden neue Blöcke ersteigert, warum?


    Der Bund hat netterweise eine Karte mit allen Antennenstandorten online gestellt: Antennenstandorte des Bundesamtes für Kommunikation (BAKOM)


    Ihr könnt da voll rein- und rauszoomen und einzelne Antennen anklicken. Erläuterungen zur Karte gibt es hier: Erläuterungen zur Karte der Antennenstandorte beim BAKOM


    Früher (zu 2G Zeiten) war der Handyempfang an meinem Wohnort recht kritisch, die Antenne ist recht weit weg. Auf der Karte hab ich nun einen 4G Antennenstandort mit grosser Leistung in unmittelbarer Nachbarschaft entdeckt. Allerdings hätte ich den daraus resultierenden Empfang deutlich stärker erwartet, entsprechend der Nähe der Antenne. Wahrscheinlich ist sie zu nahe, siehe weiter unten im Punkt Abstrahlung.


    Ihr seht, die höchste Antennendichte ist in den Städten Zürich, Bern, Basel und Genf. Warum hat es da so viele Antennen? Weil die da verwendeten Frequenzen nur eine kurze Reichweite zulassen. Da werden wegen der zu übertragenen Datenmenge die höchsten Frequenzen verwendet. Etwas weiter weg, wo die Datenmengen bereits tiefer sind, kommen auch tiefere Frequenzen mit mehr Reichweite zum Einsatz, es werden wesentlich weniger Antennen benötigt.


    In den Städten, da sind die Frequenzen eh schon arg belegt, kommt das neue 3500 MHz Frequenzband zum Einsatz. Auf dem Land hat 5G noch im 700 MHz Band Platz.

    Sendeleistung

    Mobilfunkantennen werden auf der Karte in 4 Kategorien eingeteilt:

    • "sehr klein": Die Gesamtleistung liegt im Bereich zwischen 1 und 10 W
    • "klein": Die Gesamtleistung liegt im Bereich zwischen 10 und 100 W
    • "mittel": Die Gesamtleistung liegt im Bereich zwischen 100 und 1000 W
    • "gross": Die Gesamtleistung liegt im Bereich oberhalb 1 kW.


    Die Berechnungsmethode findet ihr auch in den Erläuterungen. Nun wird ja nicht den ganzen Tag mit voller Leistung gesendet, mal abgesehen von 2G. Das 2G (GSM) hat noch einen Basiskanal, der immer mit voller Leistung läuft. Die neueren 3G (UMTS) und 4G (LTE) kommen bereits ohne Basiskanal aus und senden nur bei Bedarf und nur mit der benötigten Leistung. Sie senden daher eher schwächer als 2G.


    Im Gegensatz zum Rundfunk sind die Antennen stark gerichtet. Eine sehr starke Mobilfunkstation (mit 5 - 6 Kanälen) sendet bei maximaler Auslastung mit bis zu 50 W pro Antennensektor. Werden diese 50 W aller Sektoren zusammengezählt und auf 360° hochgerechnet, kommen diese 1000 W zustande.


    Quelle: Sendestärke von Basisstationen bei der Forschungsstiftung Strom und Mobilkommunikation (FSM) der ETH Zürich


    Eine solche Sektorantenne bedient zwischen 30 und 120°, ein Antennenstandort hat somit zwischen 3 und 12 Sektoren, die auf die 360° verteilt werden.


    Quelle: Glossar: Sektorantenne

    Abstrahlung

    Die Abstrahlung solcher Antennen ist stark gerichtet, zusätzlich sind die Antennen in flachem Gebiet leicht nach unten geneigt, so dass der Hauptstrahl nach 150 bis 250 m den Boden erreicht. Direkt unterhalb der Antenne ist jeweils wenig Strahlung messbar. Je nach genauem Antennentyp haben die Antennen noch einen Nebenstrahl, der etwas früher auf den Boden trifft.


    Beispiel der vertikalen Abstrahlung einer Antenne


    Die Farbskala dazu:



    Je dunkler, desto stärker! Auf der Skala (die Feldstärke wird in der etwas abstrakten Einheit «Volt pro Meter», V/m angegeben) sind zwei Grenzwerte eingezeichnet, die nicht überschritten werden dürfen. Der Anlagengrenzwert gilt für Bereiche, in denen sich Menschen über längere Zeiten aufhalten (Wohnbereiche, Schulen, Alters und Pflegebereiche, aber auch Arbeitsplätze), der Immissionsgrenzwert gilt für Bereiche, in denen sich Menschen aufhalten können.


    Quelle Wie stark ist Mobilfunkstrahlung? beim Bundesamt für Umwelt (BAFU)


    Wegen der kegelförmigen Abstrahlung nimmt die Feldstärke mit dem Quadrat der Entfernung ab. Gegenüber der Feldstärke in 10 m Distanz beträgt sie nach 20 m nur noch einen Viertel.


    Feldstärke_20m = Feldstärke_10m / Distanzfaktor²


    Das ergibt in 40m noch 6.25%, nach 100 m noch 1% des Wertes in 10 m Distanz. Das stimmt natürlich auch in der Gegenrichtung, ich möchte meinen Kopf nicht einen Meter oder gar einen Zentimeter vor eine sendende Antenne halten.


    Quelle: Abstandsgesetz bei Wikipedia


    Gesetzliche Grenzwerte: 814.710 Verordnung über den Schutz vor nicht ionisierender Strahlung (NISV)

    Die Strahlung des Handys

    Am anderen Ende der Verbindung steht das Handy. Genau wie die Antennen strahlt ein Handy bei einer 2G (GSM) Verbindung stärker als bei den nachfolgenden Standards. Gemäss der Tabelle des BAGs bis um Faktor 10 stärker. Die maximale Sendeleistung eines Handys ist beschränkt auf:


    Frequenzband

    Verwendung

    Max. Spitzensendeleistung

    800MHz

    4G

    250 mW

    900MHz

    2G

    2 W

    1800MHz

    2G , 3G und 4G

    1 W

    2100MHz

    3G und 4G

    250 mW

    2600MHz

    3G und 4G

    250 mW

    3400-3800MHz

    5G

    250 mW


    Dies stellt die maximal mögliche Sendeleistung dar und wird nur unter ungünstigsten Verhältnissen erreicht. Doch der Sender ist beim Telefonieren sehr nahe am Kopf, näher geht es nicht mehr.


    Die neueren Verfahren regeln die Sendeleistung wesentlich genauer und feiner als das alte 2G.


    Quelle: Mobiltelefon & Smartphone beim Bundesamt für Gesundheit (BAG)


    Für die Handys wird aber auch noch ein anderer Messwert verwendet: SAR - Spezifische Absorptionsrate. Dies ist ein Mass für die Aufnahme von elektromagnetischen Feldern in einem Material. Sie führt stets zu dessen Erwärmung. Siehe SAR bei Wikipedia


    Da die Handys die Sendeleistung in Abhängigkeit des Bedarfs reduzieren, ist es taktisch günstiger, näher beim Sendemasten zu stehen. So steht denn auch in allen Empfehlungen:

    • Telefonieren im Bus: Nicht so stehen, dass das Handy auf der einen Seite mit dem Kopf und auf der anderen Seite durch die metallene Buswand abgeschirmt wird.
    • In Gebäuden beim Telefonieren ans Fenster stehen.
    • An Standorten mit schlechter Verbindung das Telefonieren unterlassen.

    Aus einer Studie vom Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL) des Kantons Zürich aus dem April 2016:


    Die Höhe der Strahlenbelastung hängt dabei hauptsächlich von der Qualität der drahtlosen Verbindung ab, welche wiederum die Sendeleistung des Gerätes bestimmt. Die Sendeleistung eines Mobiltelefons kann zum Beispiel um einen Faktor 10‘000 variieren und bei einer schlechten Verbindung Feldstärken von bis zu 100 V/m direkt am Kopf verursachen. Andererseits ist die Strahlenbelastung der Mobilfunk-Basisstation im Körper des Telefonierenden bei einer guten Verbindung gezwungenermassen höher als bei einer schlechten.


    Es bleibt zu untersuchen, bei welcher Verbindungsqualität ein Optimum besteht, welches mit der gesamthaft tiefsten Strahlenbelastung einhergeht. Grundsätzlich sollten aber aus Vorsorgesicht Spitzenbelastungen vermieden werden, wie sie durch die Nutzung körpernaher drahtloser Kommunikationsgeräte bei schlechter Verbindungsqualität auftreten können.


    Quelle: Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL) des Kantons Zürich

    100 V/m direkt am Kopf?

    Das ist deutlich höher als der Immissionsgrenzwert. Das ist der höhere Wert, der Grenzwert für Orte, an denen sich Menschen aufhalten können.

    Was bedeutet das für 5G?

    Soviel höher als 2600 ist 3500MHz nun auch wieder nicht. In ländlichen Gebieten ist 3.5GHz eh kein Thema, da werden von den Telekomfirmen die 700MHz Bänder wegen ihrer grösseren Reichweite bevorzugt. Auf den 700MHz Bändern ist da auch noch genug Platz.


    In den Städten würden neu die höheren Frequenzen zum Zuge kommen. Da wo die Antennen eh schon am Anschlag sind, könnte nun die maximal zulässige Sendeleistung pro Antennenstandort erhöht werden. Nur macht eine Erhöhung der erlaubten Sendeleistung nicht wirklich Sinn. Die Telekomfirmen könnten dann zwar einfach weitere Sender an bestehenden Einrichtungen aufbauen, dies ergäbe aber nur wenig Kapazitätsgewinn, da die höheren Frequenzen eine kürzere Reichweite haben. Es müssten trotzdem neue Standorte gebaut werden. Und der Kapazitätsgewinn würde mit einer höheren Strahlenbelastung erkauft. Auch die Handys müssten da einen Gang höher schalten und das direkt neben dem Kopf.


    Eine Verkleinerung der Zellen mit gleichzeitiger Verringerung der Sendeleistung bringt einen Kapazitätsgewinn ohne diese Nachteile. Es müssten pro Antennenstandort wesentlich weniger Handys gleichzeitig mit Daten versorgt werden. Ein Nachteil sei nicht verschwiegen, die Mobilfunkprovider müssten mehr neue Antennenstandorte bauen. Wegen den Einsprachen auch nicht so einfach.


    Mal von diesen Punkten abgesehen ist 5G einfach ein anderes Protokoll als 4G, mit deutlich besserer Komprimierung. Das heisst, in der gleichen Datenmenge haben mehr Informationen Platz.


    Irgendwann werden aber auch diese Frequenzen am Anschlag sein, dann werden noch höhere Frequenzen zum Zuge kommen. Dies könnte dann vielleicht 6G heissen. Es wird auch schon von Kleinst-Zellen gesprochen, die nur das innere eines Gebäudes versorgen sollen.

    Fazit

    • Ob die Strahlenbelastung von einem 4G oder 5G Protokoll herrührt, ist dem menschlichen Körper egal.
    • Eine Verkleinerung der Funkzellen mit gleichzeitiger Verringerung der Sendeleistung bringt deutliche Vorteile gegenüber einer Erhöhung der Sendeleistung.
    • Noch höhere Frequenzen erhöhen die Problematik noch weiter.