Mobilfunk-Basisstation auf dem „Schweinauer Buck“ in Nürnberg. Foto: Erwin Krauß
In den letzten Jahren ist das Datenaufkommen im Mobilfunk rasant angestiegen, die Betreiber forderten daher mehr Frequenzspektrum für die Übertragung. Dieses Mehr an Spektrum haben sie unter anderem mit den Digitalen Dividenden 1 und 2 erhalten – auf Kosten der Anwender professioneller drahtloser Produktionsmittel, die auch bei Großevents mit immer weniger nutzbaren Funkkanälen zurechtkommen müssen. Nur etwa die Hälfte des bisher nutzbaren UHF-TV-Bandes blieb erhalten. Diesen letzten Rest Spektrum wollen sich die global agierenden Mobilfunkunternehmen als „Digitale Dividende 3“ auch noch sichern.
Prof. Dr.-Ing. Georg Fischer bei einem Vortrag der Organisation Pearle*-Live Performance Europe 2015.
Doch welches Spektrum benötigt der Mobilfunk tatsächlich, um Smartphone-Nutzer mit schnellem Internet zu versorgen? Und: Welchen Spektrumsbedarf haben drahtlose Produktionsmittel? Dazu haben wir mit Professor Dr.-Ing. Georg Fischer gesprochen, Extraordinarius am Lehrstuhl für Technische Elektrotechnik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. An diesem renommierten Lehrstuhl wurden die Grundlagenfür das Kompressionsverfahren mp3 gelegt, das die Fraunhofer-Gesellschaft später kommerzialisierte. Als Experte für Nachrichtentechnik und Funkübertragungstechnik hat Professor Fischer internationale Standards für Mobilfunk und professionelle Funkmikrofone maßgeblich mitentwickelt und sich unter anderem intensiv mit Fragen effizienter Spektrumsnutzung befasst.
Herr Professor Fischer, die Weltfunkkonferenz (WRC-15) hat vorerst keine „Digitale Dividende 3“ beschlossen. Dennoch ist sie nicht endgültig vom Tisch. Finden Sie es sinnvoll, auch den Frequenzbereich 470 – 694 MHz an den Mobilfunk zu versteigern?
Nein, das finde ich nicht sinnvoll. Es zeigte sich, dass bei der „Digitalen Dividende 2“ die Erlöse aus der Versteigerung der Frequenzen rückläufig sind. Wäre das Funkspektrum für den Mobilfunk tatsächlich knapp, dann wäre das dazu passende Marktsignal ein steigender Preis gewesen. Dieses Marktsignal war nicht zu vernehmen. Deshalb besteht kein Bedarf, überhaupt kein Grund, noch mehr Spektrum an den Mobilfunk zu versteigern.
Das sehen die Mobilfunkunternehmen und offenbar auch viele Politiker anders. Warum fordern sie immer mehr Spektrum?
Die Politik sollte sich nicht von einer vereinfachten Darstellung des Mobilfunks vereinnahmen lassen, dass mehr Spektrum die einzige Option sei, um das stark steigende Datenaufkommen beim mobilen Internet zu bewältigen. Es gibt durchaus noch andere Möglichkeiten.
Aber die Politiker greifen es gerne auf und brüsten sich: Wir haben etwas für den Breitbandausbau getan, wir haben Spektrum versteigert – für die arme Bevölkerung auf dem Land, die vom Internet abgeschnitten ist. Das ist aber reine Augenwischerei. Wenn das Spektrum knapp wäre, würden die Erlöse steigen. Ich glaube, die Frequenzversteigerungen werden instrumentalisiert, um politisch gut dazustehen. Nach der Sinnhaftigkeit fragt leider keiner. Das ist Aktionismus von Seiten der Politik. Sie sollte sich nicht so treiben lassen.
Jochen Homann, Präsident der Bundesnetzagentur, beim Start der Frequenzauktion 2015 („Digitale Dividende 2“). Foto: © Bundesnetzagentur
Welche Alternativen gibt es, dem steigenden Datenvolumen Herr zu werden – außer Frequenzversteigerungen?
Eigentlich geht es ja nicht um Spektrum, sondern um Übertragungskapazität, also zum Beispiel Bit pro Sekunde, pro Hertz, pro Quadratkilometer. Das ist das, was wir maximieren wollen. Und dazu gibt es im Wesentlichen drei Möglichkeiten:
- Netzverdichtung:
Zusätzliche Basisstationen, also Mobilfunkmasten, werden aufgestellt. Dadurch verkleinern sich die einzelnen Funkzellen des mobilen Netzes. Mit einem engmaschigen Netz erreicht man einen höheren Datendurchsatz pro Nutzer. Der Nachteil aus Sicht der Mobilfunkbetreiber: Zusätzliche Basisstationen müssen per Kabel oder Richtfunk angebunden werden, man spricht vom so genannten Backhaul. Je mehr Netzverdichtung, desto mehr Aufwand auch bei der Anbindung der Basisstationen. Das macht diese Option für die Betreiber ziemlich teuer. Auch ist es für die Mobilfunkbetreiber schwierig und teuer, neue Standorte für Basisstationen mit ihren Antennen zu bekommen.
- Mehrantennentechnik (MIMO):
In den Basisstationen, aber auch in den Handys (Terminals) wird nicht nur eine Antenne eingesetzt, sondern mehrere. Damit lässt sich der Datendurchsatz spürbar erhöhen. Doppelt so viele Antennen haben den gleichen Effekt wie doppelt so viel Spektrum – in erster Näherung. Beispiel: 4G beziehungsweise LTE ist ungefähr 2,4-fach effizienter als 3G. Das liegt daran, dass LTE 2×2 MIMO vom Start weg verwendet: zwei Antennen in der Basisstation und zwei im Handy. Dies bewirkt den Faktor 2. Die übrigen Verbesserungen, zum Beispiel am Protokoll, bewirken zusätzlich nur Faktor 1,2. Aber auch MIMO hat einen Nachteil: Mietzahlungen für Basisstationen bemessen sich nach der Anzahl der Antennen-Gehäuse, der so genannten Radome. Wenn zusätzlichen Antennen nicht mehr im selben Radom Platz haben, sind mehr Antennengehäuse nötig und die Miete steigt.
- Mehr Spektrum:
Die Mobilfunkunternehmen sind meiner Meinung nach besonders an mehr Spektrum in niedrigen Frequenzbereichen interessiert, weil dort die Wellenausbreitung besser ist und sich bestehende Standorte problemlos ausbauen lassen. Wenn Spektrum in höheren Bereichen hinzukommt, funktioniert das nicht so gut: Die höheren Frequenzen breiten sich schlechter aus, somit sinkt die Reichweite. Man bräuchte zusätzliche Standorte und müsste Netzverdichtung betreiben.
Am Ende ist es eine reine Kostenfrage, der Erwerb von Spektrum in niedrigen Frequenzbereichen ist für die Mobilfunkanbieter sicher die kostengünstigste Möglichkeit.
Was haben Sie als Technikexperte dagegen, dass der Mobilfunk diese finanziell günstigste Strategie der Spektrumszukäufe unterhalb von 1 GHz weiter verfolgt?
Die Option Spektrum ist einfach nicht nachhaltig: Das Datenaufkommen wächst exponentiell. Wenn man die Spektrumszuteilung der letzten Jahre analysiert, stellt man fest, dass sie linear angestiegen ist. Es ist nur eine Frage der Zeit, wann diese lineare Spektrumszuteilung nicht mehr mit dem exponentiellen Datenwachstum mithalten kann. Hier tut sich eine Schere auf. Das für den Mobilfunk verfügbare Spektrum kann man nicht ständig verdoppeln. Spektrum ist eine natürlich begrenzte Ressource. Schon heute ist man aus meiner Sicht an einem Scheideweg, wo sich zeigt, dass man so wie bisher nicht weitermachen kann. Die Frage ist: Was ist stattdessen die Schraube, an der man für die Zukunft drehen kann? Und hier kommen eben die Optionen Netzverdichtung und MIMO ins Spiel.
Was soll man mit der „Digitalen Dividende 3“, dem Spektrum 470 – 694 MHz, sinnvollerweise in Zukunft machen? Wer soll es nutzen?
Momentan wird dieses Spektrum vom Rundfunk und von drahtlosen Produktionsmitteln (PMSE) genutzt, und der Rundfunk muss aus meiner Sicht in jedem Fall ein Minimalspektrum behalten. Das Spektrum 470 – 694 MHz sollte außerdem unbedingt für PMSE erhalten bleiben. PMSE braucht unbedingt niederfrequentes Spektrum, denn die Körperdämpfung ist in höheren Frequenzen stärker. Das macht sich zum Beispiel bei Musicals bemerkbar: Wenn ein Darsteller sich auf der Bühne bewegt, das Mikrofon am Körper trägt und abgeschattet ist, dann wird es bei hohen Frequenzen nicht unbedingt einfacher, sein Audiosignal noch störungsfrei zu übertragen. Hier ist Konsens: Oberhalb von 2 GHz wird es richtig schwierig. Lieber bliebe man unter 1 GHz.
Szene aus dem Musical „Phantom der Oper“: Sind die Darsteller von anderen Schauspielern oder Kulissen verdeckt, muss die Tonübertragung per Funk trotzdem funktionieren. Foto: Stage Entertainment
Brauchen wir den separaten Antennenempfang von TV und Radio künftig noch? Was spricht dagegen, die Rundfunkübertragung künftig über den Mobilfunk zu realisieren?
Technisch ist es durchaus möglich, Radio- und Fernsehprogramme über die Infrastruktur des Mobilfunks zu verbreiten. Ein großes Problem dabei ist aber die Kostenstruktur. Brauche ich dann einen Handy- oder Datenvertrag, um fernsehen zu können? Die Position der Europäischen Rundfunkunion EBU ist nach wie vor: Free-to-Air, also, dass das Fernsehen kostenfrei zu empfangen sein muss. Dieses Prinzip wäre bei einer Verbreitung über den Mobilfunk gefährdet. Rundfunk und Mobilfunk gehen hier aber konstruktiv aufeinander zu. Es gibt diverse gemeinsame Aktivitäten, wie zum Beispiel das Forschungsprojekt IMB5, gefördert durch die Bayerische Forschungsstiftung. Die Mobilfunkstandardisierung greift die Forderungen des Rundfunks auf und versucht, diese in den nächsten Mobilfunkstandard 5G zu integrieren.
Würden die Interessen des Rundfunks nicht berücksichtigt, würden sich Politik und Rundfunk von den Mobilfunk-Netzbetreibern und seinen Optimierungen abhängig machen. Heute sind die Netzbetreiber Global Player, die dann über die Weiterleitung von Informationen entscheiden würden. Der Durchgriff wäre nicht mehr wie bisher gewährleistet. Wir haben aber die spezielle Situation des Rundfunkstaatsvertrages in Deutschland, wir haben einen Informationsauftrag der Öffentlich-Rechtlichen. Dafür muss ein Minimum an Spektrum vorhanden sein, und das darf ich nicht dem schnöden Mammon, dem Kommerz opfern. Aber das ist eine eher gesellschaftspolitische Argumentation.
Ein weiterer technischer Nachteil ist der Signalisierungs-Overhead: Damit ist das Datenaufkommen rund um den eigentlichen Kerninhalt gemeint. Wenn ich zum Beispiel einen Internet-Radiosender über mein Handy höre, dann müssen nicht nur Musik und Sprache übertragen werden, sondern zusätzlich das TCP/IP-, das Streaming- und das Mobilfunk-Protokoll. Das Datenaufkommen ist durch diesen „Ballast“ bei der Mobilfunk-Übertragung wesentlich größer. Das Rundfunknetz schafft mit der gleichen Menge an Spektrum die Übertragung effizienter. Es gibt Analysen zu Voice-Over-IP im Mobilfunk: Mitunter sind nur noch 3 Prozent Nettoinhalt, also Sprache übrig. Der Rest, 97 Prozent, ist reiner Protokoll-Overhead. Das kann man durchaus als Spektrumsverschwendung sehen.
Bräuchte der Mobilfunk weniger Spektrum, wenn er es effizienter nutzen würde?
Ein Teil des Spektrumsbedarfs entsteht tatsächlich durch Spektrumsmissbrauch, also Inanspruchnahme des Mobilfunks, wo kein Mobilfunk nötig ist. Ich habe es als Konsument selbst erlebt: Bei meinem Netzbetreiber zuhause, der sowohl Festnetz als auch mobiles Netz anbietet, habe ich angefragt, ob er mir eine DSL-Verbindung mit mehr als 5 Mbit/s anbieten kann. Die Antwort war: Leider geht das nicht, da wären wir von anderen Netzbetreibern abhängig. Aber nehmen Sie doch unseren LTE-Stick, dann haben Sie 50 Mbit/s direkt von der Basisstation nebenan. Man muss dazu sagen: Ich wohne in der Stadt. Warum werde ich in der Stadt vom Festnetz auf den Mobilfunk geschickt? Als ich dann gedroht habe, auf einen anderen Betreiber umzusteigen, habe ich plötzlich doch noch ein passendes Festnetz-Angebot bekommen. Also man sieht: Es geht schon. Aber die Durchleitungsgebühren anderer Netzbetreiber werden so gescheut, dass Kunden lieber von Festnetz auf den Mobilfunk geschickt werden. Das ist wirklich Spektrumsverschwendung.
Momentan werden mehrere Mobilfunknetze nebeneinander betrieben: GSM/EDGE, 3G, LTE. Kostet das nicht auch wertvolles Spektrum?
LTE-Antenne mit MIMO-Technologie. Von außen sind zwei Anschlüsse von versetzt eingebauten Innen-Antennen sichtbar. Quelle: BAZ Antennen
Ja, das ist per se nicht effizient. Der eigentliche Fehler liegt darin, dass heute noch Geräte mit 2G und 3G subventioniert werden. Sie haben keine LTE-Unterstützung, also kein 2×2 MIMO. Aber sie bleiben noch lange im Markt, und die alten Netze müssen dafür weiterbetrieben werden. Mit 2G/3G wird natürlich noch Geld verdient, deshalb ist man sehr zögerlich damit, diese Netze abzuschalten. Zumindest 3G ist heute aber überholt, da sollte man sich das Abschalten trauen. Und 2G auf den Anteil herunterfahren, der für Roaming notwendig ist. Fakt ist: Die Würfel sind schon gefallen. Die Schweiz hat vor, das 2-GHz-Band von 3G auf LTE umzustellen. Es müssen einfach noch mehr Länder und Regulierer den Mut haben, diesen Weg zu beschreiten. Ein solcher Schritt holt aufgrund von 2×2 MIMO in LTE sofort mindestens Faktor 2 in der Netzkapazität, ohne mehr Spektrum zu benötigen. Als Zukunftsvision hätte man dann 4G in allen Bändern – das ist denke ich das, was jeder will. Und zusätzlich ein bisschen 2G, wenn ich ins Ausland gehe.
Wie sieht es bei drahtlosen Produktionsmitteln (PMSE) aus? Kann dort Spektrum eingespart werden?
Hier ist zunächst ein grundsätzliches Missverständnis auszuräumen: Viele haben gedacht, dass durch den Umstieg von analoger auf digitale PMSE der Spektrumsbedarf sinkt. Das ist aber nicht richtig, aus folgendem Grund: Digitale PMSE schaffen keine wesentlich höhere Komprimierung. Und PMSE mehr Kompression aufzubürden, ist keine Option. Wenn ich in der Produktion komprimiere, dann kann ich auch kein qualitativ hochwertiges Archiv generieren, aus dem später alle Qualitätsstufen abgeleitet werden können. Bei der Komprimierung geht Qualität verloren. Als Denkanstoß: Würden wir die Beatles heute gerne nur noch in absoluter Schrottqualität hören?
Außerdem ist es Konsens und der Stand von Wissenschaft und Technik, dass sich keine zwei starken Kompressionsverfahren hintereinander schalten lassen. Ich kann nicht in der Produktion komprimieren und dann in der Distribution noch einmal – zum Beispiel, das Musikstück in eine mp3-Datei umwandeln. Das macht auch der Mobilfunk nicht. Wenn man mit dem Handy zu einem anderen Handy in einer anderen Mobilfunkzelle telefoniert, dann werden die komprimierten Daten direkt durchgeleitet und nicht erst dekomprimiert und dann nochmals komprimiert. Das würde zu Artefakten führen, zu sehr merkwürdigen akustischen Effekten.
Also keine nennenswerte Kompression möglich – das klingt nach hohem Spektrumsbedarf. Wie effizient sind PMSE im Vergleich zum Mobilfunk?
PMSE sind für die Qualität, die sie liefern, spektral viel effizienter als der Mobilfunk. Das kommt durch den weit geringeren Overhead. Zum Vergleich: CD-Qualität Mono, also das, was ein drahtloses Mikrofon liefert, entspricht etwa 1MBit/s. Ein Telefonat im GSM-Netz findet mit gerade einmal 10 kbit/s statt. Das ist schon eine Hausnummer, Faktor 100. Aber brauche ich für das drahtlose Mikrofon auch hundertmal mehr Spektrum? Nein: Ein GSM-Kanal hat 200kHz, ein PMSE-Kanal ebenfalls 200 kHz. Für die größere Audioqualität von PMSE werden aber wesentlich „sauberere“, ungestörtere Funkkanäle benötigt.
Sie waren Chairman der ETSI[1] bei einem Projekt zu „Cognitive PMSE“. Was ist das und lässt sich damit Spektrum gewinnen?
Nein, leider nicht, das war eine bittere Erkenntnis. Cognitive PMSE sind Mikrofone, die sich selbst eine freie Frequenz suchen können oder bei Störungen selbsttätig innerhalb kürzester Zeit auf ungestörte Frequenzen ausweichen. Das verbessert zwar die Zuverlässigkeit, aber Spektrum lässt sich so keines einsparen. Außerdem ist es bei Aufnahmen sehr kritisch, wenn ein Frequenzwechsel durchgeführt werden muss. Zwar sieht man schon vor Eintreten einer Störung, dass die Qualität schlechter wird und kann reagieren. Aber der Kanalwechsel ist ohne eine kurze Unterbrechung (Drop-out) nicht zu machen.
Ähnlich funktionieren so genannte White Space Devices: Automatisch freie Kanäle finden und dort aktiv werden. Aktuell ist in der Diskussion, dass sie gemeinsam mit drahtlosen Mikrofonen das UHF-TV-Spektrum nutzen könnten. Was halten Sie davon?
Ehrlich gesagt verstehe ich nicht ganz, warum White Space Devices im UHF-Band unterwegs sein müssen. Vieles von diesen Anwendungen ist nomadisches Browsen, und das wäre leicht auch in höheren Frequenzen zu bewerkstelligen. Nomadische Nutzung bedeutet: Mobile Nutzung, aber im näheren Umfeld. Zum Beispiel das Laptop im Café: Warum muss ich dort die Mobilfunk-Basisstation nutzen, die 10 km weit weg steht? Da muss das Café eben einen WLAN-Accesspoint haben. 20 MHz Spektrum unter 1 GHz, also zum Beispiel im UHF-TV-Bereich 470 – 694 MHz, sind ganz klar mehr wert als 20 MHz Spektrum im Bereich 3, 4 oder 5 GHz. Und das muss in die Diskussion. Bisher ist der Fehler gemacht worden, dass man immer so getan hat, als sei das Spektrum überall gleich viel wert. Das UHF-Spektrum ist aber wegen der guten Ausbreitungsbedingungen besonders wertvoll. Man muss dieses Spektrum nicht für jeden Zweck verheizen, vor allem nicht für nomadisches Browsen. Das ist sonst Perlen vor die Säue geworfen.
Smartphone-Nutzung im Cafe: Muss es wirklich das Mobilfunk-Datennetz sein?
Die Verlagerung vom Mobilfunk hin zu WLAN bezeichnet man als Offloading. Auch eine Möglichkeit, Spektrum zu sparen…
Ja. Vieles von dem nomadischen Verkehr wäre offloadbar. Mein Handy prüft zum Beispiel, welche Verbindung schneller ist, wenn WLAN und LTE gleichzeitig aktiviert sind. Wenn LTE schneller ist, dann läuft der Datenverkehr darüber. Aber hier muss man fragen: Wenn ich im Café kurz meine E-Mails checke – brauche ich dann LTE mit 50 Mbit/s? Muss das über das Mobilfunknetz gehen? Das wäre Datenverkehr, der für den lokalen WLAN-Accesspoint prädestiniert ist, denn es ist ja keine wirklich mobile Nutzung. Früher wurde die Welt immer in Festnetz und Mobilnetz geteilt. Aber das reicht nicht: Man muss in den Kategorien fest – mobil – nomadisch denken.
Auch hier stoßen wir also letztlich wieder auf den Konflikt zwischen ökonomisch sinnvollen und technologisch sinnvollen Lösungen?
Ja, aber das ist nicht alles. Ich kann hier technisch argumentieren oder auch wirtschaftlich, aber beide Argumentationen sind alleine nicht zielführend. Ethisch-gesellschaftspolitische Fragestellungen müssen die Politiker, die letztendlich die Entscheidungen im Auftrag der Wähler treffen sollen, genauso beachten. Zum Beispiel: Wie viel ist uns unsere Kultur wert, die ebenfalls Spektrum benötigt, wie sehr wollen wir uns dem Mammon unterwerfen? Was sind die Werte in unserer Gesellschaft?
Natürlich spielt eine Garagenband oder ein kulturelles Festival, das Menschen ehrenamtlich organisieren, kein Geld ein. Aber darf ich dem den Boden entziehen? Gerade beim Stichwort Flüchtlinge, interkultureller Austausch, Integration: Ist das nicht ein Wert an sich? Oder wenn man bei einem Gottesdienst fragt – auch dort werden drahtlose Mikrofone eingesetzt: „Wo steckt hier der monetäre Wert?“, dann ist das die falsche Frage. Deshalb ist die Diskussion breiter zu führen. Nicht unbedingt nur im Sinne des wirtschaftlichen Vorteils, des „socio-economic benefit“. Es ist letztlich auch eine Frage der kulturellen Werte: Wie wichtig ist uns die Kultur- und Kreativbranche? Die Diskussion allein auf den „socio-economic benefit“ zu konzentrieren, halte ich für gefährlich.
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Fußnoten:
[1] ETSI: Europäische Institut für Telekommunikationsnormen, englisch: European Telecommunications Standards Institute.
