Funknetze / Funksysteme

Basisstation

Eine Basisstation ist eine technische Einrichtung innerhalb eines Funknetzes oder Funksystems. Die Basisstation ist der Übergang von einer leitungsgebundenen Übertragungstechnik zu der Funkübertragungstechnik. Von dort aus werden die Daten über die Luft zum Endgerät des Funkteilnehmers übertragen.

Funkzelle

In der Funktechnik definiert die Funkzelle den räumlichen Bereich innerhalb der die Basisstation die Funkteilnehmer versorgen kann. Innerhalb der Funkzelle steht die Basisstation meist in der Mitte oder die Basisstation leuchtet eine bestimmte Richtung aus. Am Rand der Funkzelle wird die Übertragungsqualität immer schlechter. Deshalb überschneiden sich in Funknetzen die Bereiche der einzelnen Funkzellen immer ein wenig.
In einem Bereich mit vielen Endgeräten pro Basisstation muss die Versorgung aller Endgeräte gesichert sein. Durch gezielte Größenauslegung einer Funkzelle lässt sich einer Überlastung durch zu viele Endgeräte entgegenwirken. In der Regel erhöht man die Dichte der Basisstation bzw. Funkzellen und schränkt deren Versorgungsbereich, z. B. durch Signalstärke, Funkrichtung und Frequenznutzung, ein.

Netzabdeckung und Versorgungsbereich

Die Netzabdeckung gibt an, wie viel Prozent der Gesamtbevölkerung eines Landes das Mobilfunknetz nutzen könnte.
Häufig wird die Netzabdeckung mit der geografischen Reichweite eines Funknetzes verwechselt. Die Fläche, die durch alle Basisstationen versorgt wird, wird als Versorgungsbereich bezeichnet. Beim Empfang von Funksignalen innerhalb von Gebäuden spricht man von der Inhouse- oder Inhaus-Versorgung.
Funk-Endgeräte können nur Verbindungen herstellen, wenn sie eine Funkverbindung zu einer naheliegenden Basisstation aufbauen können. Die Stärke von Funksignalen (elektromagnetischen Wellen) wird durch Metall, Betondecken und -wände reduziert. In Gebäuden ist deshalb der Empfang von Funksignalen schwächer. Je höher im Frequenzbereich, desto größer ist die Dämpfung für Funksignale in Gebäuden. Jedes Hindernis, vor allem metallhaltige Materialien, verhindert die Ausbreitung der Funksignale. Während in Gebäuden der Empfang noch gut ist, kann der Empfang unter Tage, z. B. in Kellern und Tiefgaragen schlecht oder unmöglich sein.

Frequenzspektrum

Das Frequenzspektrum ist in verschiedene Bereiche eingeteilt. Man spricht auch von Funkbändern. Diese Funkbänder haben eine bestimmte Größe, besser gesagt Breite. Man spricht deshalb auch von der Breite des Bandes oder der Bandbreite. Das ist die Anzahl der zur Verfügung stehenden Frequenzen.
Bei der Einteilung des Frequenzspektrums unterschiedet man zwischen lizenzbehafteten und und lizenzfreien Frequenzbändern. Lizenzbehaftete (licensed) Frequenzbänder ermöglichen eine bessere Übertragungsqualität durch feste Nutzerzuteilung und einen besseren Investitionsschutz. Die Markteintrittsbarrieren sind deutlich höher, weil Lizenzen Kosten verursachen und Bedingungen an die Lizenzvergabe geknüpft sind. Lizenzfreie (licence exempt) Frequenzbänder ermöglichen eine schnelle Markteinführung und geringe Kosten.

Funk-Frequenzbänder

Die ersten Funktechniken blockierten einen großen Teil des Frequenzspektrums. Deshalb konnte immer nur ein Sender senden. Die anderen mussten warten. Mit der Einführung der Röhren wurde es erstmals möglich mit schmalbandigen Oszillatoren genau definierte Frequenzen zu erzeugen oder zu empfangen. Das gleiche Prinzip kommt auch heute noch zur Anwendung, wenn wir am Radio den gewünschten Radiosender (Frequenz) einstellen. Die Koexistenz mehrerer Funksysteme funktioniert also nur dann, wenn alle sich exakt an die Wellenpläne halten und nur auf der Frequenz oder in dem Frequenzband senden, das ihnen zugewiesen ist.
Die folgenden Bezeichnungen stammen noch aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs.

Bezeichnung Frequenz
VHF-Band 0,1 - 0,3 GHz
UHF-Band 0,3 - 1,0 GHz
L-Band 1 - 2 GHz
S-Band 2 - 4 GHz
C-Band 4 - 8 GHz
X-Band 8 - 12 GHz
Ku-Band 12 - 18 GHz
K-Band 18 - 24 GHz
Ka-Band 24 - 40 GHz
mm-Band 40 - 100 GHz

Nutzung der Bandbreite

Ein Funknetz ist ein "Shared Medium". Das bedeutet, dass sich alle Teilnehmer, die auf das Medium Luft zugreifen, die Übertragungsstrecke teilen müssen. Funksysteme sorgen dafür, dass die verfügbare Bandbreite dynamisch unter den Benutzern aufgeteilt wird. Dazu greift man üblicherweise auf zwei verschiedene Verfahren zurück. Entweder dürfen die Teilnehmer die volle Bandbreite abwechselnd nutzen oder die gesamte Bandbreite wird aufgeteilt und jeder Teilnehmer darf ein Stück davon nutzen. Die Bandbreite ist also variabel und fällt auch im Optimalfall geringer aus als bei den kabelgebundenen Netzen.
In einem WLAN nach IEEE 802.11 bekommt jeder Teilnehmer nur für eine bestimmte Zeit die volle Bandbreite zur Verfügung gestellt. Alle anderen Teilnehmer müssen dann warten. Nach einer bestimmten Zeit wird die Freigabe entzogen und ein anderer Teilnehmer ist dann an der Reihe. Dabei wird nach dem Motto verfahren, wer zuerst kommt, der malt zuerst. In der Regel ist die Bandbreite hoch genug und der Ablauf schnell genug, damit keine merkliche Verzögerung auftritt.
In einem Mobilfunknetz sieht die Sache dann schon wieder ganz anders aus. Hier bekommt kein Teilnehmer die komplette Bandbreite zur Verfügung gestellt, sondern nur einen kleinen Teil. Die verfügbare Bandbreite wird in Kanäle aufgeteilt. Davon ist der größte Teil für Sprachverbindungen reserviert. Der Rest wird für Datenverbindungen zur Verfügung gestellt. Die Sprachverbindungen werden bevorzugt behandelt, weil das Mobilfunknetz für die Sprachübertragung und deren Verfügbarkeit optimiert ist. Datenübertragung ist eigentlich nur eine Nebenbei-Funktion, die aber immer wichtiger wird. Trotzdem stehen nur dann Datenkanäle zur Verfügung, wenn die Bandbreite einer Mobilfunkzelle durch Sprachverbindungen nicht vollständig ausgelastet ist. Die Netzbetreiber planen die Mobilfunkzellen so, dass ein solches Szenario im Regelfall nicht vorkommen kann. Insbesondere an Orten, wo es zu einer hohen Konzentration von Menschen kommen kann, sind immer genug Reserven vorhanden. Ein Netzbetreiber kann es sich kaum erlauben eine voll ausgelastete Funkzelle zu haben. Ein Image- und Umsatzverlust wäre die Folge.

Abhängigkeit von Übertragungsgeschwindigkeit und Entfernung zur Basisstation

Der Abstand der Teilnehmer zur Basisstation in einer Funkzelle hat erheblichen Einfluss auf die zu Verfügung stehende Übertragungsgeschwindigkeit. Je näher sich ein Teilnehmer bei einer Basisstation befindet, desto höher ist die Übertragungsgeschwindigkeit für den Teilnehmer. Dieses Prinzip gilt für jedes Funknetz. Dahinter verbirgt sich der Effekt, dass mit zunehmendem Abstand zur Basisstation die Funksignale schwächer werden. Zum einen wird die Signalstärke geringer, zum anderen verformt sich das Signal bis zur Unkenntlichkeit. Dem gleichen Problem unterliegen die Signale auf einem Kabel. Weil sich die Umgebungsbedingungen auf einem Kabel wegen der Ortsfestigkeit kaum ändern, lassen sich bei einer bestimmten Beschaffenheit und Länge des Kabels, eine Bandbreite und damit eine Übertragungsgeschwindigkeit definieren, die in der Praxis nur geringfügig unterschritten wird. Auf dem Übertragungsmedium Luft kommt es dagegen ständig zu unvorhersehbaren Veränderungen. Deshalb ist eine Garantie für eine bestimmte Übertragungsgeschwindigkeit mit einer bestimmten Funktechnik praktisch unmöglich.

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