Mobilfunkanbieter nutzen verschiedene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums – also verschiedene Frequenzbereiche – für die Übertragung von Mobilfunksignalen.
Physikalisch ist eine Frequenz definiert als Zahl der Schwingungen pro Sekunde. Die Einheit der Frequenz ist Hertz (Hz). Ein Kilohertz (kHz) entspricht tausend, ein Megahertz (MHz) einer Million und ein Gigahertz (GHz) einer Milliarde Schwingungen pro Sekunde. Benannt wurde die Maßeinheit nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz (1857-1894).
Frequenzbereiche sind eine knappe Ressource. Grundsätzlich „gehört“ das elektromagnetische Spektrum der Allgemeinheit. Der Staat, in Deutschland vertreten durch die Bundesnetzagentur, erteilt den Netzbetreibern eine zeitlich begrenzte Lizenz zur Nutzung. Diese wird bisher mit Versorgungsauflagen erteilt. In den letzten Jahren üblich waren zudem Auktionsverfahren für die Zuteilung von Frequenzblöcken beziehungsweise -bereichen.
Seit der 2015 durchgeführten Frequenz-Auktion, deren Zuteilungen ab 2017 in Kraft traten, werden die Lizenzen in Deutschland technologieneutral erteilt. Welchen Funkstandard (2G/GSM, 4G/LTE oder 5G) ein Netzbetreiber in welchem Frequenzbereich nutzt, liegt somit in seiner eigenen Entscheidung. Diese hängt von der jeweiligen Netz- und Ausbauplanung sowie der Einschätzung ab, welche Mobilfunkangebote die Mobilfunkkunden in welchem Umfang nutzen werden.
Unterschiedliche Frequenzbänder mit unterschiedlichen Eigenschaften
Die deutschen Netzbetreiber nutzen grundsätzlich die Mobilfunkfrequenzen rund um 700, 800 und 900 MHz sowie bei 1,5 GHz, 1,8 GHz, 2,1 GHz, 2,6 GHz und 3,6 GHz. Künftig kommen noch weitere Frequenzen für die Nutzung für den Mobilfunk in Betracht.
Bei Frequenzen im Bereich 700 bis 900 MHz spricht man vom sogenannten „Lowband“ – also dem „unteren“ Frequenzbereich. Aufgrund ihrer physikalischen Ausbreitungseigenschaften sind diese Frequenzen am besten für die Mobilfunkversorgung in der Fläche geeignet. Anbieter nutzen sie bevorzugt, um in ländlichen Bereichen mit weniger Basisstationen eine größere Netzabdeckung zu erreichen – oder auch, um in Städten eine Grundversorgung über größere Reichweiten bereitstellen zu können. Dabei hängen die Zellgrößen von der Topologie, der Nutzeranzahl und weiteren Merkmalen der jeweiligen Mobilfunkstandards ab.
Entscheidend für die in einem Frequenzbereich erzielbaren Datenraten ist die sogenannte „Kanalbandbreite“ – die Breite des für einen Anbieter nutzbaren Ausschnitts aus dem Spektrum. Mit der im Lowband typischerweise nutzbaren Kanalbandbreite von 10 Megahertz (pro Übertragungsrichtung) erzielt der 5G-Funkstandard Datendurchsätze um 100 Mbit/s.
Im Frequenzbereich zwischen 1,5 und 2,1 GHz spricht man vom „Midband“ – dem „mittleren“ Frequenzband. Im Midband beträgt der Radius einer Funkzelle bis zu drei Kilometer. In diesem Frequenzbereich bestimmt allerdings weniger die theoretische Reichweite die Abstände zwischen den Mobilfunkstandorten, sondern oftmals die Auslastung der einzelnen Mobilfunkzelle. Denn eine Basisstation kann nur eine begrenzte Menge an Daten gleichzeitig abführen. Deshalb müssen nicht selten neue Stationen zwischen bestehenden platziert werden, um den Bestand zu entlasten und die wachsende Nachfrage von Kundenseite zu bedienen, man spricht in diesem Zusammenhang oftmals von ‚Netzverdichtung‘ und „Kapazitätsplanung“.
Im „Midband“ steht je nach der Lizenz des Anbieters üblicherweise eine Kanalbandbreite von 20 bis 30 MHz zur Verfügung, was mit 5G etwa 200 bis 300 Mbit/s im Downlink erlaubt. Kommt zusätzlich „4×4 MIMO“ zum Einsatz, lässt sich die Datenrate in diesem Frequenzbereich auf bis zu 350 bis 450 Mbit/s steigern.
Im „Highband“ zwischen 3,4 bis 3,7 GHz sind die Radien in der Praxis auf wenige hundert Meter begrenzt. Allerdings können Netzbetreiber hier im Regelfall jeweils einen breiteren Teil des Spektrums nutzen als in den unteren Bändern – hier stehen Kanalbandbreiten zwischen 50 und 90 MHz zur Verfügung. Kombiniert mit MIMO-Technik und gegebenenfalls Beamforming erreicht 5G unter optimalen Voraussetzungen Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 1 Gigabit/s. Unter Beamforming versteht man die gezielte Richtungssteuerung von Funksignalen durch MIMO-Antennen, um die Übertragung zu bestimmten 5G-Endgeräten oder in bestimmte Bereiche effizient zu verbessern.
Vor allem wegen der höheren verfügbaren Bandbreite ist das Highband zur Entlastung des Lowbands und des Midbands sehr wichtig, die sonst bei hohem Datenverkehr beziehungsweise vielen Nutzen schnell an ihre Grenzen stoßen würden.
Das Lowband um 700 MHz und das Highband ab 3,5 GHz haben unterschiedliche physikalische Eigenschaften, was bei der Planung von Mobilfunknetzen gezielt berücksichtigt und genutzt wird.
Noch höhere Übertragungsraten lassen sich insbesondere bei 4G/LTE und 5G durch die sogenannte Carrier Aggregation erreichen. Dabei werden gleichzeitig mehrere Frequenzträger genutzt, auch über unterschiedliche Frequenzbereiche hinweg, um höhere Datenraten und Kapazitäten im Mobilfunknetz zu ermöglichen.