Die fünfte Generation der Mobilfunktechnologie, 5G, ist der nächste große Geschwindigkeitssprung für drahtlose Geräte. Diese Geschwindigkeit umfasst sowohl die Rate, mit der mobile Benutzer Daten auf ihre Geräte herunterladen können, als auch die Latenz oder Verzögerung zwischen dem Senden und Empfangen von Informationen.
5G zielt darauf ab, Datenraten zu liefern, die 10- bis 100-mal schneller sind als aktuelle 4G-Netze. Benutzer sollten mit Download-Geschwindigkeiten in der Größenordnung von Gigabit pro Sekunde (Gbit / s) rechnen, die viel höher sind als die Geschwindigkeit von zehn Megabit pro Sekunde (Mbit / s) von 4 G.
"Das ist wichtig, weil es neue Anwendungen ermöglichen wird, die heute einfach nicht möglich sind", sagte Harish Krishnaswamy, Associate Professor für Elektrotechnik an der Columbia University in New York. "Zum Beispiel könnten Sie bei Datenraten von Gigabit pro Sekunde möglicherweise innerhalb von Sekunden einen Film auf Ihr Telefon oder Tablet herunterladen. Diese Datenraten könnten Virtual-Reality-Anwendungen oder autonom fahrende Autos ermöglichen."
Neue Technologien, die mit der Umgebung des Benutzers interagieren, wie Augmented Reality oder selbstfahrende Autos, erfordern nicht nur hohe Datenraten, sondern auch eine extrem niedrige Latenz. Aus diesem Grund ist es das Ziel von 5G, Latenzen unterhalb der 1-Millisekunden-Marke zu erreichen. Mobile Geräte können Informationen in weniger als einer Tausendstelsekunde senden und empfangen und erscheinen dem Benutzer sofort. Um diese Geschwindigkeiten zu erreichen, erfordert die Einführung von 5G neue Technologien und Infrastrukturen.
Das neue Netzwerk
Seit der frühesten Generation von Mobiltelefonen arbeiten drahtlose Netzwerke auf denselben Hochfrequenzbändern des elektromagnetischen Spektrums. Da jedoch mehr Benutzer das Netzwerk überfüllen und mehr Daten als je zuvor anfordern, werden diese Funkwellenautobahnen zunehmend mit dem Mobilfunkverkehr überlastet. Zum Ausgleich möchten Mobilfunkanbieter in die höheren Frequenzen von Millimeterwellen expandieren.
Millimeterwellen verwenden Frequenzen von 30 bis 300 Gigahertz, die 10 bis 100 Mal höher sind als die Funkwellen, die heute für 4G- und WiFi-Netzwerke verwendet werden. Sie werden Millimeter genannt, weil ihre Wellenlängen zwischen 1 und 10 Millimeter variieren, wobei Radiowellen in der Größenordnung von Zentimetern liegen.
Die höhere Frequenz von Millimeterwellen kann neue Fahrspuren auf der Kommunikationsautobahn erzeugen, aber es gibt ein Problem: Millimeterwellen werden leicht von Laub und Gebäuden absorbiert und erfordern viele eng beieinander liegende Basisstationen, sogenannte kleine Zellen. Glücklicherweise sind diese Stationen viel kleiner und benötigen weniger Strom als herkömmliche Zelltürme und können auf Gebäuden und Lichtmasten platziert werden.
Die Miniaturisierung von Basisstationen ermöglicht auch einen weiteren technologischen Durchbruch für 5G: Massive MIMO. MIMO steht für Multiple-Input Multiple-Output und bezieht sich auf eine Konfiguration, die die kleineren Antennen nutzt, die für Millimeterwellen benötigt werden, indem die Anzahl der Antennenports in jeder Basisstation drastisch erhöht wird.
"Mit einer großen Anzahl von Antennen - zehn bis hundert Antennen an jeder Basisstation - können Sie viele verschiedene Benutzer gleichzeitig bedienen und so die Datenrate erhöhen", sagte Krishnaswamy. Im Labor für Hochgeschwindigkeits- und Millimeterwellen-ICs (COSMIC) in Columbia entwickelten Krishnaswamy und sein Team Chips, die sowohl Millimeterwellen- als auch MIMO-Technologien ermöglichen. "Millimeterwellen und massives MIMO sind die beiden größten Technologien, mit denen 5G die erwarteten höheren Datenraten und Latenzen erzielen wird."
Ist 5G gefährlich?
Obwohl 5G unser tägliches Leben verbessern kann, haben einige Verbraucher Bedenken hinsichtlich möglicher Gesundheitsgefahren geäußert. Viele dieser Bedenken betreffen die Verwendung der Millimeterwellenstrahlung mit höherer Energie durch 5G.
"Es gibt oft Verwechslungen zwischen ionisierender und nichtionisierender Strahlung, da der Begriff Strahlung für beide verwendet wird", sagte Kenneth Foster, Professor für Bioingenieurwesen an der Pennsylvania State University. "Alles Licht ist Strahlung, weil es einfach Energie ist, die sich durch den Raum bewegt. Es ist ionisierende Strahlung, die gefährlich ist, weil sie chemische Bindungen aufbrechen kann."
Ionisierende Strahlung ist der Grund, warum wir draußen Sonnenschutzmittel tragen, weil kurzwelliges ultraviolettes Licht vom Himmel genug Energie hat, um Elektronen aus ihren Atomen zu stoßen und Hautzellen und DNA zu schädigen. Millimeterwellen hingegen sind nicht ionisierend, weil sie längere Wellenlängen und nicht genug Energie haben, um Zellen direkt zu schädigen.
"Die einzige nachgewiesene Gefahr nichtionisierender Strahlung ist zu viel Erwärmung", sagte Foster, der seit fast 50 Jahren die gesundheitlichen Auswirkungen von Radiowellen untersucht. "Bei hohen Expositionsniveaus kann Hochfrequenzenergie in der Tat gefährlich sein und Verbrennungen oder andere thermische Schäden verursachen. Diese Expositionen treten jedoch normalerweise nur in beruflichen Umgebungen in der Nähe von Hochleistungs-Hochfrequenzsendern oder manchmal bei fehlgeschlagenen medizinischen Verfahren auf. ""
Viele der Schreie der Öffentlichkeit über die Einführung von 5G spiegeln Bedenken gegenüber früheren Generationen von Mobilfunktechnologie wider. Skeptiker glauben, dass die Exposition gegenüber nichtionisierender Strahlung immer noch für eine Reihe von Krankheiten verantwortlich sein kann, von Hirntumoren bis hin zu chronischen Kopfschmerzen. Im Laufe der Jahre gab es Tausende von Studien, die diese Bedenken untersuchten.
Im Jahr 2018 veröffentlichte das National Toxicology Program eine zehn Jahre lange Studie, in der Hinweise auf eine Zunahme von Tumoren des Gehirns und der Nebennieren bei männlichen Ratten gefunden wurden, die der von 2G- und 3G-Mobiltelefonen emittierten HF-Strahlung ausgesetzt waren, jedoch nicht bei Mäusen oder weiblichen Ratten. Die Tiere wurden viermal höheren Strahlungswerten ausgesetzt als dem für die Exposition des Menschen zulässigen Höchstwert.
Viele Gegner der Verwendung von RF-Wellen-Cherry-Pick-Studien, die ihre Argumentation stützen, ignorieren häufig die Qualität der experimentellen Methoden oder die Inkonsistenz der Ergebnisse, sagte Foster. Obwohl er mit vielen der Schlussfolgerungen, die Skeptiker über frühere Generationen von Mobilfunknetzen haben, nicht einverstanden ist, stimmt Foster zu, dass wir weitere Studien zu den möglichen gesundheitlichen Auswirkungen von 5G-Netzen benötigen.
"Jeder, den ich kenne, einschließlich mir, empfiehlt mehr Forschung zu 5G, da es mit dieser Technologie nicht viele toxikologische Studien gibt", sagte Foster.
Für die Befürworter von 5G glauben viele, dass die Vorteile, die 5G für die Gesellschaft bieten kann, die Unbekannten bei weitem überwiegen.
"Ich denke, 5G wird einen transformierenden Einfluss auf unser Leben haben und grundlegend neue Dinge ermöglichen", sagte Krishnaswamy. "Was diese Art von Anwendungen sein werden und welche Auswirkungen dies hat, können wir derzeit nicht mit Sicherheit sagen. Es könnte uns überraschen und wirklich etwas für die Gesellschaft verändern. Wenn uns die Geschichte etwas gelehrt hat, dann wird 5G es tun." sei ein weiteres Beispiel dafür, was Wireless für uns tun kann. "
