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Adaptive Antennen

Elektromagnetische Felder je nach Bedarf

Die fünfte Mobilfunkgeneration (5G) bringt adaptive Antennen erstmals breit zum Einsatz. Diese befelden nicht mehr einen ganzen Sektor, sondern gezielt die Nutzenden und folgen Ihnen, wenn sie sich bewegen. Dadurch sind adaptive Antennen sparsamer und führen im Trend zu tieferen Immissionen. Also eine grüne Technologie?
Res Witschi
Res Witschi, Delegierter für nachhaltige Digitalisierung
20. Juli 2020

Bei Funktechnologien gilt: Je höher die Frequenz, desto schlechter die Ausbreitungsbedingungen und grösser die Übertragungsverluste. Um diese physikalische Gesetzmässigkeit zu kompensieren, werden bei den leicht höheren Frequenzen von 5G (maximal 3,8 GHz) und den immensen Anforderungen an diesen neuen Mobilfunkstandard adaptive Antennen eingesetzt.

Mit der Giesskanne statt dem Rasensprenger

Mit solchen Antennen kann das Signal in die Richtung des Nutzers fokussiert werden. Man spricht auch von Beamforming oder Massive MIMO. Durch die Konzentration des Funksignales auf einen räumlich begrenzteren Bereich werden auch Störungen im Mobilfunknetz reduziert, was zu weniger Rauschen und besseren Netzsignalen führt. Zudem führt die Fokussierung dazu, dass mit weniger elektrischer Energie die Signale gezielter übermittelt werden können. Ein bildhafter Vergleich: eine herkömmliche Mobilfunkantenne arbeitet wie ein Rasensprenger und deckt einen ganzen Sektor ab. Eine adaptive Antenne ist hingegen die Giesskanne, die nur die Blumen wässert – und das gezielt und massvoll.

Bei der neuen Sendetechnik mit Beamforming erzeugen Antennen viele kleine fokussierte elektrische Felder, deren Stärke exakt auf den jeweiligen Nutzer abgestimmt ist.

Wie funktionieren adaptive Antennen?

Adaptive Antennen bestehen aus einer Vielzahl von einzeln angesteuerten Antennenelementen. Typischerweise sind es 64 oder 32 Antennenelemente, von denen jedes seinen eigenen Verstärker hat, in Spalten und Zeilen angeordnet. Durch gezieltes elektrisches Einstellen (Phasenverschiebung) kann die Senderichtung verändert werden, ohne dass die Antennenelemente sich physisch bewegen müssen. Je mehr Antennenelemente gleichzeitig zusammen koordiniert werden, umso besser gebündelt ist das Sendesignal und ein kleineres Volumen wird ausgeleuchtet.

«Adaptive Antennen und 5G sind nicht nur effizienter, sondern können auch mit weniger Immissionen Daten übertragen.»

Dr. Hugo Lehmann, Leiter Kompetenzcenter Elektromagnetische Felder

Bedeutend bessere Energieeffizienz

«Adaptive Antennen und 5G sind nicht nur effizienter, sondern können auch mit weniger Immissionen Daten übertragen», erläutert Dr. Hugo Lehmann, Leiter Kompetenzcenter Elektromagnetische Felder. Könnten adaptive Antennen mit ihrem vollen Potential genutzt werden, müssten in der Schweiz weniger neue Anlagen gebaut werden, meint der Experte weiter. Da jede Anlage einen Grundstock an Energie verbrauche, bedeuteten weniger Anlagen auch einen geringeren Stromverbrauch. Zudem habe 5G durch die schlanke Signalstruktur ein höheres Stromsparpotential als 4G. Setze man anstelle von LTE die 5G-Technologie zum Weiterausbau der Mobilfunknetze ein, könne man zwischen 50% bis hin zu 70% Energie einsparen.

Die Nutzung adaptiver Antennen sei ein wichtiger Baustein eines leistungsfähigen 5G Mobilfunknetzes. Die Vorteile betreffend Flexibilität, Kapazitätsgewinn, nutzerdefinierter und geringerer Exposition sowie reduziertem Stromverbrauch lägen auf der Hand.

Grosses Potenzial zur Reduktion der Exposition

Durch die fokussierte Aussendung der Information zum einzelnen Nutzer in der Funkzelle werden die Signale nur dorthin gesendet, wo sie gebraucht werden. Diese räumliche Diversität führt im zeitlichen Mittel auch zu einer geringeren Exposition als bei älteren Technologien.

Eine Simulation für die Stadt Gent in Belgien zeigt auf, dass ein Massive MIMO fähiges Netz bei gleichen Nutzungsszenarien fünfmal weniger Exposition erzeugt als ein 4G-Netz ohne adaptive Antennen. Die Analyse zeigt auch auf, dass je höher die Anzahl Elementarantennen, desto kleiner die Exposition. Messtechnisch ist dies aufgrund der heute erst entstehenden 5G-Netze noch nicht nachgewiesen, zeigt aber das Potenzial der Technologie im Bereich der Expositionsreduktion auf.

Nur ein Bruchteil der Leistung im realen Betrieb

Modellrechnungen und Messungen an einzelnen adaptiven Antennen ergeben, dass beim Einsatz von Beamforming in den meisten Fällen nur ein Bruchteil des theoretischen Maximalwertes der Sendeleistung ausgesendet wird. Auch bei guter Verkehrsauslastung und unterschiedlichen Szenarien wird über eine Mittelungsdauer von sechs Minuten nie mehr als ein Viertel der theoretischen Maximalleistung ausgesandt. Die Mittelungsdauer von sechs Minuten ist für die Einhaltung der Immissionsgrenzwerte relevant. Diese Simulationen sind durch Messungen der mittleren Sendeleistung über sechs Minuten für Basisstationen mit adaptiven Antennen bestätigt worden. Zusammenfassend heisst dies, dass die Exposition pro übertragene Informationseinheit mit Beamforming im Vergleich zu heutigen Mobilfunknetzen abnimmt.

Grenzwerte werden nach wie vor immer eingehalten

Heute werden in der Schweiz adaptive Antennen in der Regulation genauso bewertet wie passive Antennen. Es wird davon ausgegangen, dass zu jedem Zeitpunkt die gesamte Leistung in alle Richtungen ausgesandt wird. Dieser Fall tritt aber in der Realität gar nie ein, da die Gesamtleistung der Antenne unter den aktiven Nutzern aufgeteilt wird: Bei zwei gleichzeitig aktiven Nutzern beträgt die Sendeleistung pro Beam je die Hälfte der Maximalleistung. Sind es vier Nutzer, wird je ein Viertel der Maximalleistung in die vier Richtungen gesendet. Bei vielen Nutzern, welche räumlich gut verteilt sind, wird die Exposition daher kleiner. Ist anderseits nur ein Nutzer oder mehrere Nutzer in derselben Richtung aktiv, wird zwar die gesamte Leistung in diese Richtung ausgesendet. Diese wird aber aufgrund der Bündelung der Antennen nicht breit in den gesamten Abdeckungsbereich der Antenne geschickt. Das heisst, in diesem Falle ist die Exposition zwar in Richtung der Nutzer fokussiert, aber im Rest des Funksektors klein. In der Bevölkerung besteht oft eine gewisse Angst, dass die Exposition durch adaptive Antennen im Beam übermässig gross wird. Dabei wird vergessen, dass auch in diesen Beams die relevanten Grenzwerte immer eingehalten werden müssen.

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Beitrag zu Nachhaltigkeit

Adaptive Antennen leisten einen konkreten Beitrag zu den folgenden Zielen für eine nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen:

Ein Mobilfunknetz mit adaptiven Antennen erzeugt bis zu fünfmal weniger Immissionen und leistet damit einen aktiven Beitrag zu einem gesunden Leben und Wohlergehen.

Der Ausbau der Mobilfunkinfrastruktur mit neuester Technologie fördert eine breitenwirksame und nachhaltige Industrialisierung und unterstützt Innovationen.

5G verbraucht gegenüber 4G 40-70% weniger Energie und leistet so einen Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels.