Die Geschichte des Mobilfunks

Historische Entwicklungen in der Physik

Die drahtlose Kommunikation zwischen zwei entfernten Punkten, also das was wir heute Mobilfunk oder mobile Kommunikation nennen, begann im Jahr 1879 mit der Vorführung des Phänomens der elektromagnetischen Wellen durch David Edward Hughes an der Akademie der Naturwissenschaften. Ein paar Jahre später reproduzierte der Physiker Heinrich Rudolf Hertz die Maxwell'sche Theorie und damit die Beobachtungen von David Edward Hughes: Ein Oszillator erzeugte einen Funken, der in einem Empfänger in der Nähe wiederum eine Spannung erzeugte.
Aus diesem physikalischen Phänomen heraus entstand auch der heutige Name der Funktechnik, obwohl heute von keinem Mobilfunkgerät Funken erzeugt werden.
Im Jahr 1897 entwickelte Guglielmo Marconi das erste brauchbare System zur drahtlosen telegrafischen Übertragung (Morsen). Schon 1901 gelang es Guglielmo Marconi die ersten Signale über den Atlantik zu übertragen. Ab dem damaligen Zeitpunkt wurden die ersten kommerziellen Funkgeräte für Militär und Schifffahrt gebaut und genutzt. 1910 erfand Robert von Lieben die erste Elektronenröhre mit Verstärkerwirkung, die zu kleineren und leichteren Geräten ohne funkenbildende Sender führte. 1935 gab es bereits das erste Autotelefon. Das Sende- und Empfangsgerät wurde damals im Kofferraum des Autos montiert und füllte diesen Platz vollständig aus.

Mobilfunk in Deutschland - Analoge Mobilfunksysteme

Die ersten Mobilfunknetze waren analoge Mobilfunksysteme, die ihren Ursprung im amerikanische Mobilfunkstandard Advanced Mobile Phone System (AMPS) haben. Er gehört zur ersten Generation (1G) der Mobilfunknetze. Er hat mit N-AMPS und D-AMPS einige technologischen Erweiterungen erfahren.
In Deutschland war es 1952 erstmals möglich von einem mobilen Endgerät aus einen Teilnehmer im Festnetz anzurufen. Es entstanden immer mehr lokale Funksysteme die nur eine Stadt versorgte. Die Verbindung ins Festnetz bzw. umgekehrt war nur über eine Handvermittlung möglich. Die Mobilfunkgeräte konnten nur in dem dazupassenden Netz genutzt werden. In einer anderen Stadt war das dann unter Umständen nicht mehr möglich, da dort ein anderes System installiert war.

A-Netz

Aus Umständen, der ersten Mobilfunkversuche, entstand 1958 das erste öffentliche Mobilfunknetz, das landesweit funktionierte. Dieses Mobilfunknetz wird als A-Netz bezeichnet und basierte auf einer handvermittelten Verbindungsaufnahme. Jede Basisstation war für jedes Funktelefon nutzbar.
In den Funktelefonen waren noch Röhrenverstärker eingebaut. Die Geräte waren sehr groß und kosteten rund 15.000 DM. Während dem Telefonieren musste der Motor laufe, damit die Autobatterie nicht leer wurde.

B-Netz

1972 wurde das B-Netz in Deutschland, Österreich, Niederlande und Luxemburg eingeführt. Es unterstützte die vollautomatische Vermittlung von kommenden und gehenden Gesprächen, sowie Roaming zwischen den beteiligten Ländern. Man war kaum erreichbar, weil der Anrufer wissen musste, wo sich der Teilnehmer sich befindet. Um telefonieren zu können musste man sich mit einem Radio-ähnlichen Gerät eine freie Frequenz suchen, um das Fräulein vom Amt anrufen zu können, die einen dann mit dem gewünschten Teilnehmer verbinden konnte.
Es gab nur wenige Funkstationen. Deshalb war es schwierig einen freien Funkkanal zu finden. Insbesondere in Ballungszentren. Um einen freien Funkkanal zu bekommen, musst man an einem Radio-ähnlichen Gerät den automatischen Suchlauf mit einer Taste auslösen. Man musste sehr lange warten und viel Geduld haben, bis eine Verbindung aufgebaut war.
Für Anrufe ins Mobilfunknetz musste der Anrufer zwingend den Aufenthaltsort bzw. die Ortsvorwahl wissen mit der das Mobilfunkgerätes erreichbar werden konnte. Die Rufnummer setzte sich aus der Ortsrufnummer, der Vorwahl "05" und der Mobilfunknummer zusammen. Um einen Teilnehmer zu erreichen, hatte jeder Teilnehmer zusätzlich eine Eurosignal-Rufnummer.
Insgesamt hatte das B-Netz 27.000 Teilnehmer. Die Grundgebühr war 270 Mark im Monat plus Funkkanalzuschlag.
Der Frequenzbereich lag zwischen 148 und 163 MHz. Die Signale waren FM-moduliert. Die Gespräche waren nicht verschlüsselt. Mit einem normalen Funkempfänger konnte man alle Gespräche abhören.

C-Netz

Am 1. Mai 1986 wurde dann das C-Netz in Deutschland eingeführt. Es beherrschte die automatische Weitervermittlung (Handover) eines Mobilgerätes zwischen den Funkzellen der Basisstationen. Die vollautomatische Mobilitätsverwaltung aktualisierte ständig den Standort des Mobilfunkgerätes, so dass eingehende Anrufe ohne manuelle Vermittlung an ihr Ziel weitergeleitet werden konnte.
Die Benennung der Mobilfunknetze nach A, B, C und so weiter entspricht keiner besonderen Bedeutung. Es handelt sich um einen Zufall.
Während das B-Netz eine länderübergreifende Mobilfunktechnik war, war das C-Netz nur auf Deutschland beschränkt. In den 80er Jahren entstanden in Europa sehr viele dieser zueinander inkompatiblen Mobilfunksysteme.

Netz A-Netz B-Netz C-Netz
Einführung 1958 1972 1.5.1986
Abschaltung 1977 2.1.1995 31.12.2000
Teilnehmer ca. 10500 ca. 27000 ca. 850000
Frequenzen um 150 MHz bei 80% Flächendeckung B1 148,40 - 149,14 MHz (Downstream)
B1 153,00 - 153,74 MHz (Upstream)
B2 157,60 - 158,34 MHz (Downstream)
B2 162,20 - 162,94 MHz (Upstream)
461,30 - 465,74 MHz (Downstream)
451,30 - 455,74 MHz (Upstream)
Besonderheiten manuelle Kanalsuche,
Verbindungsaufbau über Operator
Roaming mit NL, LUX und A, direkter Verbindungsaufbau mit Netzkennzahlen propritäre Mobilfunktechnik von Siemens (C-450),
vollautomatischer Verbindungsaufbau

Die 2. Generation der Mobilfunktechnik

Die 2. Generation (2G) von Mobilfunknetzen basieren auf der DCS-Technik (Digital Cellular System). Die Entwicklung der länderübergreifenden Standards DECT und GSM führten schließlich zum Durchbruch der schnurlosen Sprachübertragung und zur Entwicklung eines globalen digitalen Mobilfunknetzes.
Im Jahr 1979 wurde bereits der Frequenzbereich um 900 MHz für ein neues Mobilfunksystem festgelegt. 1982 wurde ein Arbeitsgruppe vom CEPT (Conférence Européenne des Postes et Télécommunications) eingesetzt. Diese nannte sich "Groupe Spéciale Mobile", kurz GSM, mit der Aufgabe ein europäisches Mobilfunksystem zu erarbeiten. Mit der weltweiten Verbreitung wurde aus GSM das "Global System für Mobile Communications". Die GSM erarbeitete die Spezifikation, baute das Test-Netz auf und testet die ersten Prototypen. Im Jahr 1987 einigte man sich auf die digitale Technik, die mit leichten Änderungen in den D-Netzen eingesetzt wird. In einer Absichtserklärung haben sich dann 13 Netzbetreiber aus 12 europäischen Ländern geeinigt das neue Mobilfunktnetz in Betrieb zu nehmen. In einer dreijährigen Arbeit wurde die Spezifikation überarbeitet und aktulisiert. Es entstand ein 5.000 Seiten starkes Mammutwerk.
1992 gingen 13 Netze in 7 Ländern an den Start. Darunter die beiden D-Netze (D1 und D2) in Deutschland von T-Mobile (ehemals T-Mobile) und Vodafone (ehemals Mannesmann Mobilfunk AG). Die GSM-Technik, zuverlässig und technisch ausgereift, verbreitete sich schnell erfolgreich über die ganze Welt. Ende 1993 hatten alle GSM-Mobilfunknetze über eine Millionen Teilnehmer. Ende 2000 sind es etwa 400 Millionen in 370 Netzen in mehr als 140 Ländern gewesen.
1990 wurde zusätzlich zu 900 MHz der Frequenzbereich um 1800 MHz für GSM reserviert. Auf Basis der GSM-900-Spezifikation wurde DCS-1800 (Digital Cellular System 1800) entwickelt. Der neue Standard berücksichtigte die Besonderheiten der Frequenzen um 1800 MHz für den Mobilfunk.
Die große Nachfrage der Kunden in Deutschland nach Mobilfunk-Produkten machte es erforderlich zwei weitere Netze auf Basis des DCS-1800-Standards freizugeben. Dazu startete im Sommer 1994 E-Plus mit einem dritten Mobilfunknetz in Deutschland. Am 1. Oktober 1998 zog O2 (ehemals Viag Interkom) mit einem vierten Netz nach.
Die große Konkurrenz unter den 4 Mobilfunkanbietern führte zu einem schnellen sinken der Preise für Mobilfunk-Telefonie und damit zum Durchbruch im Massenmarkt.

Weiterentwicklung

Seit dem Abschluss der Standardisierung im Jahr 1990 wurde GSM immer weiterentwickelt. So wurde nicht nur DCS-1800 für die E-Netze entwickelt, sondern auch PCS-1900, die amerikanische Variante von GSM. PCS steht für Personal Communication System und arbeitet im Frequenzbereich um 1900 MHz. Das erste Netz ging im Mai 1997 in Betrieb.
Im Jahr 1995 wurde die zweite Phase von GSM spezifiziert. Neben der Verbesserung der Sprachqualität wurden auch Leistungsmerkmale, wie z. B. Anklopfen und Faxübertragung hinzugefügt. In der anschließenden GSM-Phase-2+ wurden jährlich neue Leistungsmerkmale und Verbesserungen verabschiedet. Dazu gehören auch Datendienste und intelligente Netzfunktionen. Bis ins Jahr 2000 umfasste die Spezifikation inzwischen ca. 10.000 Seiten.
Mit der Einführung von GSM wurde erstmals auch das Thema Datenübertragung über Mobilfunk aufgegriffen. Prinzipiell war das möglich, aber mit einer sehr geringen Übertragungsrate verbunden. Schnell kam man auf die Idee, wie im ISDN mehrere Kanäle zu bündeln. Daraus entstand HSCSD und GPRS.
Zum 1. August 2000 wurde die GSM-Standardisierung dem 3GPP (3rd Generation Partnership Projects) übergeben. 3GPP ist eine Kooperation zwischen verschiedenen Standardisierungsbehörden aus Europa, USA und Asien. Das Ziel dieser Kooperation ist die Standardisierung der Mobilfunksysteme der 3. Generation (3G) und somit dem bekannten UMTS.

Die Zukunft des Mobilfunks

Es gibt sehr viele Meinungen, wie die Zukunft des Mobilfunks aussehen und funktionieren wird. Eines ist jetzt schon sicher, es wird wesentlich komplexer und nicht einfach nur ein schnelleres Übertragungsverfahren bringen, wie es beim Wechsel von GSM auf UMTS war. Zwar spielen die Übertragungstechniken LTE und WiMAX auf der Netzzugangsseite eine große Rolle. Doch in der Hauptsache werden verschiedene Konzepte, technische Ansätze und auch Dienste und Anwendungen in die 4. Generation (4G) der Mobilfunktechnik einfließen. Die Grundidee ist ein weiterentwickeltes Mobilfunknetz, dessen Endgeräte dafür sorgen "always-online" zu sein.
Die Nutzer haben gelernt, die Möglichkeiten des Internets zu nutzen. Das Internet, wie auch das Telefon, immer bei sich zu tragen, ist die zentrale Anforderung an das Mobilfunknetz der 4. Generation. Das bedeutet, dass der Nutzer zu jeder Zeit und an jedem Ort mit dem Internet verbunden ist. Dieser Wunsch der Netzteilnehmer macht es erforderlich verschiedene Mobilfunktechniken in ein Netz zu integrieren. Denn kein Zugangsnetz kann diese Anforderungen alleine stemmen. Der Kunde hat dann die Möglichkeit mit einem Endgerät und einem Tarif Zugang zu allen Netzen zu bekommen, ohne dass er sich darum kümmern muss, welche Netze verfügbar sind. Das Endgerät sucht sich immer das beste zu empfangende Netz. Der Kunde merkt davon nichts. Netzbetreiber und auch Hersteller, die diese technologische Leistung nicht erbringen können, werden in Zukunft keine Rolle spielen.
Um die unterschiedlichen Funktechniken zusammenzuführen, müssen die Zugangs- und Kernnetze der Netzbetreiber umgebaut werden. Die unterschiedlichen Funktechniken dienen dann als Zugangspunkte zum Kernnetz. Die Folge sind Netzzusammenschaltungen der Netzbetreiber. Über Kooperationen und Peerings wird den eigenen und fremden Kunden die bestmögliche Verfügbarkeit der Mobilfunknetze gewährleistet.

Bereits jetzt ist klar, dass das Internet Protocol (IP) als Vermittlungstechnik eingesetzt wird. Aus Kostengründen und der Integrierbarkeit von Datendiensten wird kein Netzbetreiber darauf verzichten können. Sogar sprachbasierte Dienste, wie Telefonie, werden über das Internet Protocol abgewickelt. Das Ziel ist es zwischen Daten und Sprache keinen Unterschied mehr zu machen. Auf Basis eines Software-gesteuerten Netzes und des Internet Protocol (IP) werden bestimmte Dienste und Anwendungen fester Bestandteil der Mobilfunknetze. Dazu zählt auch Mobile Payment und Instant Messaging.
Da sich Dienste und Anwendungen aus dem Internet wachsender Beliebtheit freuen, wird auch der Bedarf nach einem jederzeit und überall verfügbaren mobilen Datenzugang weiter zunehmen. Dies hat zur Folge, dass zukünftige Mobilfunknetze immer höhere Übertragungskapazitäten erreichen müssen.

In der Zukunft spielen Verfahren zur Steigerung von Kapazitäten und Datenraten in Mobilfunknetzen eine große Rolle. Schon jetzt ist absehbar, dass optimierte Mehrantennenkonzepte und zellübergreifende Kooperationstechniken die Schlüsseltechnologien für die nächste Mobilfunkgeneration bilden.
Um die spektrale Effizienz und die Leistungsfähigkeit der Mobilfunksystem zu verbessern wird an Weiterleitungs- und Interferenzreduktionsverfahren geforscht. Bisher müssen die theoretisch hergeleiteten Ergebnisse unter praktischen Bedingungen noch verifiziert werden.

Digitale Dividende

Im Zuge der Digitalisierung der terrestrischen TV-Ausstrahlung mit DVB-T (digitales Fernsehen) wurden Frequenzen im Bereich zwischen 790 und 862 MHz frei. Dank Kompression passen in einem alten TV-Kanal drei bis sechs Fernsehprogramme (Standardauflösung). Dabei wurden Frequenzen eingespart. Man bezeichnet diese Frequenzen als digitale Dividende, die durch die Umstellung der terrestrischen TV-Ausstrahlung von analog auf digital (DVB-T) frei wurden. Es handelt sich dabei um einen Frequenzbereich von 72 MHz am oberen Ende des bisherigen UHF-Fernsehbandes III (Kanäle 61 bis 69).
Das Frequenzspektrum unter 1000 MHz ist bei den Mobilfunknetzbetreibern besonders begehrt. Um ein großes Gebiet mit Mobilfunk abzudecken sind vergleichsweise wenige Sendemasten notwendig, im Vergleich zu den Frequenzbereichen um 1,8 und 2,6 GHz. Das bedeutet, dass in einem niedrigeren Frequenzbereich der Netzausbau mit geringeren Kosten verbunden ist. Höhere Frequenzbereich eignen sich eher für kleine Zellen in Städten und Ballungsgebieten.
Der frei gewordene Frequenzbereich wird nun für den Ausbau von schnellen Internet-Anschlüssen auf dem Land genutzt. Ziel ist es, dass Internet-Anschlüsse mit mindestens 1 MBit/s flächendeckend in Deutschland zur Verfügung stehen. Die Frequenzen wurden von Mobilfunknetzbetreibern ersteiert. Die Nutzung der Frequenzen ist mit einer Ausbauverpflichtungen für die "weißen Flecken" belegt. Also für ländliche Gebiete, die bisher nicht mit Breitband versorgt sind.

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