Swiss Engineering: Was Sie über 5G wissen müssen (Teil 1)

Neben höheren Übertragungsraten und kürzeren Reaktionszeiten ermöglicht 5G auch eine höhere Kapazität (Anzahl Geräte pro Antenne) und eine höhere Energieeffizienz pro übertragene Dateneinheit. Im Vergleich zu 4G bietet 5G viele Vorteile.

Dazu gehören: 

• Neue Frequenzen erhöhen die Kapazität, um der explosionsartigen Zunahme mobiler Daten gerecht zu werden
• Extrem hohe Geschwindigkeit, bis zu zehnmal schneller als 4G
• niedrige Latenzzeiten ermöglichen verbesserte Verbindungen mit den mit dem Internet der Dinge (IoT) verbundenen Objekten
• passt das Signal an die Bedürfnisse der Nutzer an
• Verringerung der Downloadzeit
• Netzvirtualisierung (Network Slicing)
• Einführung neuer Videoformate: 4K, 8K, HDR, 360o
• Einführung der Augmented und Virtual Reality
• Einführung von autonomen Fahrzeugen sowie eine Steigerung der Reaktionsfähigkeit und Sicherheit - um nur einige Anwendungen zu nennen.
  

Die derzeit für 5G verfügbaren Frequenzen sind mit denen von 4G und WLAN vergleichbar. Die maximalen Übertragungsraten für 5G liegen derzeit zwischen 2 und 3 Gigabit pro Sekunde. Für 5G werden neben dem 3,5-GHz-Band auch Frequenzen zwischen 700 MHz und 2,6 GHz genutzt. Diese sind bereits im Einsatz. Die Nutzung von Frequenzen, die über 24 GHz (sogenannte Millimeterwellen) liegen, könnten die maximalen Datenraten von 5G auf über 20 Gigabit pro Sekunde erhöhen. Die Verwendung von Millimeterwellen für den Mobilfunk ist jedoch nicht zugelassen.

Mit adaptiven 5G-Antennen werden Signale zielgerichtet auf einzelne Empfangsgeräte ausgerichtet. Dieses sogenannte Beamforming reduziert Beeinträchtigungen sowie die durchschnittliche Strahlenbelastung in der Zelle. Personen, die sich im Strahlungsfeld einer Antenne aufhalten, sind kurzfristig stärker belastet.

Seit der Einführung des Smartphones hat sich die mobile Datenmenge in der Schweiz alle 12 bis 18 Monate verdoppelt. Der grösste Teil des mobilen Datenverkehrs entfällt auf Videoanwendungen. Bis 2024 wird die mobile Datenmenge in Europa – und damit auch in der Schweiz – voraussichtlich um mehr als 500% zunehmen. Ein Viertel der Datenmenge wird über 5G übertragen werden. Das entspricht etwa dem 1,5-fachen der heute übertragenen Menge. Beim Internet der Dinge wird davon ausgegangen, dass sich die Anzahl der Datenübertragungen in den nächsten fünf Jahren um etwa 400% erhöhen wird.

Die Schweiz hat bereits mit der Einführung von 5G begonnen. Der UVEK-Bericht «Mobilfunk und Strahlung» liefert technische Fakten, erörtert das Schweizer Mobilfunknetz sowie dessen Regulierung. Der Bericht schätzt auch die Exposition der Bevölkerung gegenüber nichtionisierender Strahlung (NIS) ab und fasst die wichtigsten wissenschaftlichen Erkenntnisse über mögliche gesundheitliche Auswirkungen zusammen.

Die Absicht der Betreiber, in der Schweiz rasch ein 5G-Netz aufzubauen, hat die Debatte über die Ausgestaltung der Mobilfunkabdeckung und die mit nichtionisierender Strahlung (NIS) verbundenen Gesundheitsrisiken intensiviert.

2016 hat der Bundesrat die Strategie «Digitale Schweiz» verabschiedet. Die Strategie betont die Bedeutung offener und effizienter Übertragungsnetze für eine wettbewerbsfähige Informationsgesellschaft. So fördert das UVEK die Digitalisierung von Gesellschaft und Wirtschaft und erachtet leistungsfähige Mobilfunknetze wie 5G als unerlässlich. Gleichzeitig beabsichtigt das Departement, dass im Bundesgesetz über den Umweltschutz (USG) vorgesehene Vorsorgeprinzip weiterhin zu respektieren.

Eine vom UVEK eingesetzte Arbeitsgruppe hatte den Auftrag zu prüfen, ob die bestehenden Anlagegrenzwerte für Mobilfunkantennen im Falle einer Weiterentwicklung des Mobilfunknetzes noch den Kriterien des Vorsorgeprinzips entsprechen oder ob Anpassungen notwendig sind.

Mit dem Fernmeldegesetz soll sichergestellt werden, dass Privatpersonen und Unternehmen Zugang zu vielfältigen, preiswerten, qualitativ hochstehenden sowie national und international konkurrenzfähigen Fernmeldediensten haben.

Das Umweltschutzgesetz hat zum Ziel, Menschen, Tiere und Pflanzen sowie deren Lebensgemeinschaften und Biotope vor schädlichen oder lästigen Einwirkungen zu schützen und die natürlichen Ressourcen nachhaltig zu sichern. Die Emissionen sind so weit zu begrenzen, wie es der Stand der Technik und die Betriebsbedingungen zulassen und es wirtschaftlich vertretbar ist.

Um die Bevölkerung vor nichtionisierender Strahlung (NIS) im Zusammenhang mit Mobilfunkantennen zu schützen, hat der Bundesrat in der Verordnung über den Schutz vor nichtionisierender Strahlung (NISV) zwei Arten von Grenzwerten definiert: Immissionsgrenzwerte (IGW) und Anlagengrenzwerte (AGW). Die IGW schützen die Bevölkerung vor wissenschaftlich nachgewiesenen gesundheitlichen Auswirkungen (Erwärmung des Körpergewebes) und müssen überall dort eingehalten werden, wo sich Menschen aufhalten. Sie entsprechen den von den Nachbarländern angewandten Werten und liegen zwischen 36 und 61 Volt pro Meter (V/m). Die NISV legt darüber hinaus weitere Grenzwerte fest, die das im Umweltschutzgesetz definierte Vorsorgeprinzip konkretisieren. Diese AGW liegen zwischen 4 und 6 V/m und sind zehnmal niedriger als die IGW (Art. 64). Aufgrund dieser AGW ist die nichtionisierende Strahlung von Mobilfunkantennen in der Schweiz deutlich strenger eingegrenzt als in den meisten europäischen Ländern.

Am 22. April 2020 hat der Bundesrat die nächsten Schritte im Zusammenhang mit 5G festgelegt. Unter Berücksichtigung, dass 5G eine entscheidende Rolle bei der Digitalisierung einnimmt und gleichzeitig Bedenken in der Bevölkerung vorliegen, beschloss er, eine Vollzugshilfe für den Umgang mit den neuen adaptiven Antennen zu erarbeiten, die auf Testmessungen basieren soll. Der Bundesrat hat zudem beschlossen, die von der Arbeitsgruppe «Mobilfunk und Strahlung» in ihrem Bericht vorgeschlagenen Begleitmassnahmen umzusetzen. Die vorrangigen Massnahmen sind der Ausbau der Überwachung der Exposition und die Einrichtung eines neuen umweltmedizinischen Beratungsdienstes für nichtionisierende Strahlung.

Das BAFU veröffentlichte am 23. Februar 2021 die Vollzugshilfe für adaptive Antennen. Mit dieser soll der Ausbau des 5G-Netzes mit adaptiven Antennen unter Einhaltung der heutigen Grenzwerte für Mobilfunkanlagen ermöglicht werden. Die Vollzugshilfe berücksichtigt sowohl das Interesse der Bevölkerung gegenüber Schutz vor Strahlung als auch gegenüber einem gut ausgebauten Mobilfunknetz.

Die Einführung von 5G wird zu einem Anstieg der Datenmenge führen, die von künstlicher Intelligenz verarbeitet, gespeichert und bearbeitet wird. In Anbetracht der zunehmenden Anzahl an Netzwerkelementen und angeschlossenen Objekten wird die Rückverfolgbarkeit zunehmen. Das Risiko des Daten- und Identitätsdiebstahls, des Hackens von Maschinen, der Datenverfälschung, der Angriffe auf Netzsoftware, Funkzellen und Geräte wird zunehmen. Um dieses Risiko zu reduzieren, müssen die IT-Sicherheitsteams und die Zugangskontrollen verstärkt sowie eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung beim Datenaustausch gewährleistet werden.

In der Schweiz ist das Know-how, das Wissen und die Kompetenz im Umgang mit mobilen Technologien fortgeschritten. Die intelligente und konsequente Nutzung mobiler Technologien regt die Unternehmen zu Innovation an. Damit wird die lokale Wirtschaft gestärkt und Exportchancen geschaffen.

Ausbildungsbedarf: Junge Ingenieure brauchen Perspektiven in ihrer Ausbildung. Die Nutzung eines modernen und effizienten Mobilfunknetzes muss Teil des Lehrplans sein. Die Fähigkeiten ein solches Netz zu benutzen schwindet, wenn sich der Aufbau des 5G-Netzes verzögert.

Es ist ein systemischer Ansatz (Technologie - Wirtschaft - Politik - Recht) bei der 5G-Technologie erforderlich. Es geht nicht darum, für oder gegen 5G zu sein, sondern darum, eine Lösung für den Umgang mit dem Anstieg des mobilen Datenvolumens sowie den neuen Anforderungen an den mobilen Datenverkehr zu finden, die den Problemen in den genannten Dimensionen Rechnung trägt.