Beamforming muss auch bei der Immissionsbestimmung in angemessener Weise berücksichtigt werden. (Bildquelle: Pixabay)

Dem wachsenden Bedarf nach höheren Datenübertragungsraten und Datenmengen begegnen Mobilfunknetzbetreiber und Systemtechnikhersteller durch Ausbau der Netze mit immer ausgefeilteren Technologien. Mit der Standardisierung der neuesten Mobilfunkgeneration 5G wurde hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Mobilfunknetze eine neue Stufe erreicht. Doch wie steht es um den Schutz vor Strahlung? Wissenschaftler am Institut für Hochfrequenztechnik in Aachen haben sich dem Thema angenommen.

Autoren: Thomas Kopacz, Sascha Schießl, Anna-Malin Schiffarth, Dirk Heberling, IHF – Institut für Hochfrequenztechnik, Aachen

Das Gesamtpaket klingt einfach zu verlockend: Höhere Datenübertragungskapazitäten durch mehr Frequenzressourcen, also höhere Bandbreiten und neue Frequenzbereiche, sowie niedrige Latenzen durch eine optimierte Netzwerkarchitektur sind der Grund dafür, dass viele Experten vom technischen Quantensprung bei 5G reden. Nicht umsonst wird der 5G-Ausbau auch von politischer Seite im Hinblick auf den Industriestandort Deutschland durch ambitionierte Versorgungsauflagen an die Netzbetreiber gefordert.

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Das für Standardisierung im Mobilfunk verantwortliche Gremium 3GPP (3rd Generation Partnership Project) hat hierzu drei typische Use Cases spezifiziert. Das sind zunächst einmal Anwendungen wie „massive Machine Type Communications“ (mMTC) sowie „Ultra-Reliable and Low Latency Communications“ (URLLC), die die Bereiche Internet of Things (IoT), Industrie 4.0 sowie das autonome Fahren abdecken. Für den konventionellen Nutzer hingegen ist insbesondere „enhanced Mobile Broadband“ (eMBB) relevant. Bei eMBB steht die Bereitstellung höchster Datenraten bis an den Rand der Mobilfunkzelle im Vordergrund. Um die wertvollen Frequenzressourcen der Mobilfunkzelle effizienter zu nutzen, kann bei 5G zusätzlich das sogenannte Beamforming, also die spezielle Ausrichtung der Sendestrahlung verwendet werden.

Abstrahlung wird an Nutzer angepasst

Damit ist es den Basisstationsantennen möglich, Signale gezielt in bestimmte Richtungen der Zelle abzustrahlen, in denen sich aktive Nutzer befinden. Darüber hinaus kann die Abstrahlung dynamisch an sich ändernde Übertragungsbedingungen z.B. einen sich bewegenden Nutzer angepasst werden. Aus Versorgungssicht hat dies den Vorteil, dass dieselben Frequenzressourcen gleichzeitig an anderer Stelle der Zelle wiederverwendet werden können.

Aber auch aus Sicht des Immissionsschutzes ist dieser Ansatz von Interesse. Bei den bisherigen Mobilfunkgenerationen 2G, 3G und 4G werden Basisstationsantennen mit einem statischen Abstrahlverhalten verwendet, sodass an einem Punkt in der Zelle benötigte Daten in die gesamte Zelle ausgesendet werden. Durch die mögliche Verwendung von Beamforming-Antennen bei 5G können die benötigten Daten nun zielgerichtet in bestimmte Zellbereiche abgestrahlt werden. Diese neue Herangehensweise stellt allerdings auch die Immissionsmesstechnik vor neue Herausforderungen, da die gemessene Immission im Wesentlichen davon abhängt, ob der Messpunkt zur Messzeit in einem versorgten Zellbereich liegt.

Beamforming-Antennen bündeln Signale

Beamforming-Antennen – die Technik dahinter wird auch Massive MIMO genannt – sind Antennengruppen, die aus einer Vielzahl von horizontal und vertikal angeordneten Einzelantennen bestehen. Dadurch kommt es zu einer starken Bündelung des Abstrahlverhaltens der Antennen. Dabei gilt: Je mehr Einzelantennen verwendet werden, desto stärker fällt auch die Bündelung in die gewünschte Abstrahlrichtung aus und desto geringer sind die unerwünschten Nebenaussendungen in die anderen Richtungen.

Massive MIMO Antennengruppen können ihr Abstrahlverhalten anpassen.

Massive MIMO Antennengruppen können ihr Abstrahlverhalten anpassen.

Als Maß für die Bündelung dient der Antennengewinn. Die Abstrahlung von Massive-MIMO-Antennen entspricht nicht, wie häufig suggeriert, einem dünnen Strahl, mit dem sich am Ort eines aktiven Nutzers eine punktförmige Versorgung realisieren lässt. Vielmehr weisen die Antennen hinsichtlich ihrer Hauptabstrahlrichtung einen bestimmten Öffnungswinkel auf. Am ehesten lässt sich die Abstrahlung durch einen Kegel visualisieren. Die Schnittfläche des Kegels mit dem Boden ergibt den versorgten Bereich, der umso größer ausfällt, je weiter der Zielpunkt von der Antenne entfernt ist.

Strahlung reduziert sich

Diese abgestrahlten Kegel werden im Folgenden „Beams“ genannt. Aufgrund der Abhängigkeit der Antennengröße von der Frequenz bzw. von der Wellenlänge sind Massive-MIMO-Antennen aus technischer Sicht erst bei höheren Frequenzen bzw. kürzeren Wellenlängen sinnvoll zu verwenden. Das eigentliche Schwenken bzw. Nachführen des Beams wird durch geschickte Speisung der Einzelantennen mit demselben aber zeitlich leicht zueinander versetzten Signal bewerkstelligt. Der dadurch erzeugte Laufzeitunterschied der einzelnen abgestrahlten Signale jedes Antennenelements führt zu einer Überlagerung der abgestrahlten Leistung in die Richtung, in die ein Beam ausgerichtet werden soll, und zu einer deutlichen Reduktion der abgestrahlten Leistung in die anderen Richtungen. Dabei ist es möglich die Abstrahlrichtung des Beams sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung zu verändern.

Derzeit wird 5G in Deutschland in den Frequenzbändern um 2 GHz, das bisher für UMTS (3G) verwendet wurde, sowie im Frequenzbereich zwischen 3,4 GHz und 3,7 GHz betrieben. Massive MIMO wird aufgrund der kürzeren Wellenlängen nur im oberen der beiden genannten Frequenzbänder eingesetzt.

Beachtung des Immissionsschutzes beim 5G-Ausbau

Nach Inbetriebnahme einer Basisstation sind für den Immissionsschutz der allgemeinen Bevölkerung in allen für Personen zugänglichen Bereichen die Grenzwerte der 26. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (26. BImSchV) einzuhalten. Dabei dürfen die erzeugten Immissionen gemittelt über einen beliebigen Zeitraum der Dauer sechs Minuten bei höchster betrieblicher Anlagenauslastung die Grenzwerte nicht überschreiten. Die in diesem Zustand erzeugte Maximalimmission stellt den ungünstigsten Fall aus Immissionsschutzsicht dar. Bei den bisherigen Mobilfunkgenerationen 2G, 3G und 4G tritt dieser Fall bei Abstrahlung aller zur Verfügung stehenden Ressourcen mit maximaler Sendeleistung auf.

Durch die Einführung von Massive-MIMO-Antennen bei 5G kommt zusätzlich die Schwenkbarkeit der Beams hinzu. Im normalen Betrieb werden die zur Verfügung stehenden Ressourcen der Basisstation unter den in der Mobilfunkzelle befindlichen aktiven 5G-Endgeräten aufgeteilt. Die Maximalimmission an einem Ort wird nur dann erreicht, wenn alle zur Verfügung stehenden Ressourcen der Basisstation mit maximaler Sendeleistung in Form nur eines Beams abgestrahlt werden und dieser Beam für eine Dauer von mindestens sechs Minuten auf diesen Ort einwirkt.

Dieser Betriebszustand ist in der Praxis zwar sehr unwahrscheinlich, da er erfordert, dass ein einzelnes 5G-Endgerät über sechs Minuten mit Datenraten von bis zu einigen Gbit/s einen Download durchführt und während dieser Zeit kein anderes 5G-Endgerät in der Zelle aktiv ist. Dennoch ist dieser Fall theoretisch möglich und muss im Sinne der 26. BImSchV für einen sicheren Betrieb der Basisstation berücksichtigt werden. Dies erfolgt durch die Bestimmung von Sicherheitsabständen rund um die Basisstationsantenne, außerhalb derer eine Einhaltung der Immissionsschutzgrenzwerte sichergestellt ist.

Messtechnische Überprüfung der Grenzwerteinhaltung

Während des regulären Betriebs der Mobilfunknetze gibt es zahlreiche Messaktivitäten von Bund, Ländern und Kommunen sowie von Messinstitutionen, die die Einhaltung der Grenzwerte an bestimmten Messpunkten messtechnisch verifizieren. Hierfür ist der Zustand höchster betrieblicher Anlagenauslastung maßgeblich. Dieser Zustand kann in der Praxis aber nicht ohne Weiteres generiert werden, da sich für gewöhnlich auch andere aktive Endgeräte in der Mobilfunkzelle befinden, die einen Teil der zur Verfügung stehenden Ressourcen beanspruchen. Aus diesem Grund wird zur Bestimmung der Maximalimmission im Mobilfunk unabhängig davon, ob es sich um 2G, 3G, 4G oder 5G handelt, folgendes Vorgehen verfolgt:

  1. Zuerst wird die Immission eines mit konstanter Leistung abgestrahlten Signalisierungssignals gemessen. Diese Signale dienen unter anderem dazu, dass Endgeräte die Mobilfunkzelle als solche erkennen und den Prozess zum Einbuchen starten können. Bei 5G eignet sich hierfür der sogenannte SS/PBCH Block (Synchronization Signal and Physical Broadcast Channel Block) oder kurz SSB, da dieser unabhängig von der aktuellen Verkehrsauslastung in der Mobilfunkzelle periodisch sowie mit konstanter Sendeleistung abgestrahlt wird.
  2. Basierend auf der Immission des Signalisierungssignals erfolgt eine Extrapolation auf Maximalimmission.
    Bei 5G wird der SSB nur zu bestimmten Zeitpunkten ausgesendet und belegt dann lediglich einen Teil der zur Verfügung stehenden Frequenzressourcen. Zu einem Großteil der Zeit aber können die SSB-Frequenzressourcen vom Verkehr belegt sein. Bei höchster betrieblicher Anlagenauslastung sind alle Frequenzressourcen durch den Verkehr belegt. Die Extrapolation berücksichtigt unter anderem diese unterschiedliche Belegung des Frequenzspektrums.

Lesen Sie im zweiten Teil des Beitrages, wie Immissionsmessungen durchgeführt werden und welche Komplexität durch das Beamforming hinzu kommt.