Mobilfunktechnik (Grundlagen)

Die Mobilfunktechnik beinhaltet Verfahren für die Verarbeitung und Übertragung von Funksignalen und Komponenten für den Betrieb eines Mobilfunknetzwerks. Die Mobilfunktechnik wird mittels stationärer oder mobiler Endgeräte für die mobile Kommunikation genutzt. Hierbei bilden zusammengeschaltete Basisstationen ein Netzwerk, das es ermöglicht jederzeit mit dem Mobilfunknetz verbunden zu sein.

Der Erfolg und das breite Interesse an der Nutzung der Mobilfunktechnik war die ständige Erreichbarkeit und Verfügbarkeit eines Mobilfunknetzes. In der Folge stieg die Mobilität stark an und das Interesse an mobilen Anwendungen und Diensten nahm ebenso stark zu. Obwohl Mobilfunktechniken vordergründig zur Übertragung von Sprache entwickelt wurden, waren die Killeranwendung im Mobilfunk immer die Datendienste. Bei GSM war es SMS, bei UMTS das mobile Internet und bei LTE das DSL-to-go-Feeling.

GSM gilt zumindest in Europa als Basistechnik mit nahezu hundertprozentiger Netzabdeckung. UMTS ist die Basistechnik für schnellen mobilen Internet-Zugang. Wobei es durch den stetig steigenden Bedarf an schnellem mobilen Internet von LTE abgelöst wird.

3GPP - 3rd Generation Partnership Project

Die 3GPP ist die Standardisierungsorganisation für Mobilfunktechniken, die in Mobilfunknetzen verwendet werden. Die 3GPP veröffentlicht Standards in Form von Releases, die die technische Entwicklung bestehender Systeme, wie GSM, UMTS, LTE und neue Systeme einführt.

Generationen von Mobilfunktechniken (ITU-Definition)

Die ITU definiert die technische Generation der Mobilfunksysteme.

Die Mobilfunksysteme der 1. Generation (1G) sind die A-, B- und das C-Netz (C-450). Alle drei Netze haben die analoge Sprachübertragung auf der Funkschnittstelle zwischen Mobilfunktelefon und Basisstation gemeinsam.

Mit GSM wurde erstmals ein digitales Übertragungsverfahren für die Sprachübertragung verwendet. Damit wurde die Kapazität der Funkschnittstelle besser ausgelastet. GSM entspricht deshalb einer Mobilfunktechnik der 2. Generation (2G). Für die Datenübertragung wurden die Erweiterungen HSCSD und GPRS eingeführt, die auch unter 2.5G eingeordnet werden). Eine weitere Erweiterung ist EDGE, unter 2.75G einzuordnen ist.

Hauptbestandteil von Mobilfunktechniken der 3. Generation (3G), z. B. UMTS, sind Datendienste, wie z. B. Videotelefonie und der mobile Internet-Zugang. Weitere Zwischenschritte sind HSPA, HSPA+ (3.5G) und LTE (3.9G).

Offiziell gilt erst LTE Advanced zur 4. Generation (4G). Die Erweiterung dazu ist LTE Advanced Pro (4.5G).

Die Zukunft der Mobilfunktechnik wird 5G (ab 2020) und 6G (ab 2030) sein.

Generation Mobilfunktechnik Datenrate
Maximal Endgerät Symbol
1G AMPS - - -
2G GSM 9,6 kBit/s 0,0096 MBit/s G / 2G
2.5G HSCSD 56 kBit/s 0,056 MBit/s -
GPRS 115 kBit/s 0,056 MBit/s G / 2.5G
2.75G EDGE 236 kBit/s 0,236 MBit/s E
3G UMTS 384 kBit/s 0,384 MBit/s 3G / U
3.5G HSPA 14 MBit/s 14 MBit/s 3.5G / H
HSPA+ 42 MBit/s bis 42 MBit/s H+
3.9G LTE (bis Cat 4) 150 MBit/s bis 150 MBit/s 4G / LTE
4G LTE Advanced (LTE-A ab Cat 6) 225 bis 500 MBit/s bis 500 MBit/s 4G+ / LTE+
4.5G LTE Advanced Pro (LTE-AP ab Cat 11) 1 GBit/s ab 600 MBit/s -
5G 5G-Mobilfunk 10 GBit/s 1 GBit/s 5G
6G 6G-Mobilfunk 100 GBit/s 1 GBit/s 6G

Mobilfunknetze

Übertragungsstrecke beim Mobilfunk

Jedes Mobilfunknetz (Mobile Network) besteht aus einigen elementaren Bestandteilen, die alle Netze gemeinsam haben. Zum Beispiel das Mobilteil meist in Form eines Mobilfunktelefons und die Basisstation. Im Prinzip ist ein Mobilfunktelefon ein schnurloses Telefon, dessen Basisstation des Zugangsnetzes (Access Network) sich nicht in unmittelbarer Nähe befindet, sondern einige Kilometer weiter weg und damit die Funkzelle bildet. Die Funkzelle ist der Funkbereich zwischen Basisstation und Mobilteil gemeint. Auf die Luftschnittstelle (Air Interface) wird in einem bestimmten Frequenzbereich mit einer Übertragungstechnik zugegriffen. In den meisten Fällen ist die Luftschnittstelle der kleinste Teil der Funkübertragung. Die Übertragungsstrecke von der Basisstation zum Kernnetz (Core Network) wird als Backhaul bezeichnet und erfolgt über Glasfaserverbindungen. Nur in ganz entlegenen Gebieten, wo weit und breit keine Kabel liegen oder deren Nutzung zu teuer ist, werden Richtfunkstrecken verwendet.
Für den Betrieb der Basisstationen und des Kernnetzes sind in der Regel die Netzbetreiber verantwortlich.
Weil ein solches Mobilfunknetz nicht für sich alleine steht, ist es mit anderen Data Networks anderer Netzbetreiber verbunden.

Mobilfunkzellen / Struktur der Mobilfunknetze

Ein Mobilfunknetz ist in Zellen aufgeteilt. Der Durchmesser einer Zelle beträgt mehrere Kilometer. In jeder Zellen hat der Mobilfunknetzbetreiber eine oder mehrere Basisstationen aufgebaut.
Bewegt sich ein Handy-Nutzer durch das Mobilfunknetz, dann bewegt er sich durch viele Zellen. Manchmal kommt es vor, dass er sich in einen Bereich einer Zelle bewegt, der sehr schlecht oder gar nicht mit Funkwellen von der Basisstation erreicht wird. Er befindet sich dann in einem Funkloch. Diese Funklöcher kommen sehr häufig vor. Was man in der Regel nicht merkt. Meistens sind diese Funklöcher ganz klein. Doch es gibt auch Funklöcher, die ganze Landstriche überziehen.
omnidirektionale und sektorisierte Basisstation
Das Handy strahlt seine Funkwellen in alle Richtungen aus. Bei den Basisstationen unterscheidet man zwischen der omnidirektionalen und der sektorisierten Basisstation.
Die omnidirektionale Basisstation steht im Zentrum einer Funkzelle und strahlt ihre Funkwellen genau wie das Handy in alle Richtungen (360° Abstrahlwinkel der Antenne) aus.
Die sektorisierte Basisstation wird zur Erhöhung der Gesprächskapazität eingesetzt. Sie strahlt ihre Funkwellen nur in einem von drei Sektoren einer Funkzelle aus.

Da der Mobilfunkkunde nicht immer innerhalb einer Zelle bleibt, kommt es vor, dass er sich an den Rand einer Funkzelle bewegt. Das Netz erkennt dann, wann es besser ist, eine neue Verbindung zu einer anderen Basisstation aufzunehmen. Das Netz entscheidet dann anhand der Verbindungsqualität, welche Basisstation für eine Verbindung besser geeignet ist.
Die Verbindungsqualität zu den Basisstationen wird ständig geprüft. Bei Bedarf wird die Basisstation gewechselt. Dabei wird die Verbindung zur alten Basisstation erst abgebrochen, wenn die neue Verbindung steht. Der Handynutzer merkt davon nichts. Seine Sprach- und Datenverbindungen werden unterbrechungsfrei fortgeführt.

Netzbetreiber und Service-Provider

Der Netzbetreiber ist derjenige, der das Netz aufbaut, wartet und instand hält. In Deutschland sind das die Firmen T-Mobile, Vodafone und Telefonica.
Den eigentlichen Anschluss an das Mobilfunknetz und den Kartenvertrag erhält man nicht zwangsläufig vom Netzbetreiber. Ein sogenannter Service-Provider kauft von den Netzbetreibern Minuten und Anschlüsse (Rufnummern) ein und schaltet die SIM-Karte frei und verschickt auch die monatliche Gebührenabrechnung.
Durch die Mittler- bzw. Händlerfunktion zwischen Nutzer und Netzbetreiber entstehen sehr viel Tarife und Tarifoptionen, die auf unterschiedliche Kundenbedürfnisse zugeschnitten sind.
Der Kunde kann sich so den für sich günstigsten Tarif heraussuchen, wenn er in der Lage ist mit der Unübersichtlichkeit der Angebote klar zu kommen.

SIM-Karte - Subscriber Identity Module (Micro-SIM / Nano-SIM)

Die SIM-Karte ist eine kleine rechteckige Karte, auf der sich ein Chip befindet, auf dem alle wichtigen Daten des Besitzers und seines Handys gespeichert sind. Jede Karte hat eine weltweit einmalige Kennung, mit der sich das Handy am Mobilfunknetz anmeldet. Auf SIM-Karten werden vor allem die Zugangsinformationen des Mobilfunk-Anbieters gespeichert.
Auf dem Chip befindet sich auch der vierstellige Sicherheitscode, die Personal Identity Number (PIN), den der Benutzer eingeben muss, wenn sich das Handy am Mobilfunknetz anmeldet. Die PIN schützt vor unberechtigten Zugriffen fremder Nutzer mit dieser SIM-Karte auf das Mobilfunknetz. Die PIN selber hat mit dem Mobilfunknetz jedoch nichts zu tun. Es ist nur eine lokale Sicherheitsmaßnahme, die aber nicht den Zugriff auf das Handy verhindert.
Die SIM-Karte kann von einem Mobiltelefon herausgenommen und in ein anderes eingesetzt werden, so das die zugewiesene Rufnummer über ein anderes Mobiltelefon genutzt werden kann. Voraussetzung ist, dass das Gerät nicht per SIM-Lock gesperrt ist.

Im Zuge der Miniaturisierung der Mobilfunkgeräte wurde auch die SIM-Karte verkleinert. Die Micro-SIM entspricht in etwa der Hälfte einer SIM-Karte. Um aus einer herkömmlichen SIM-Karte eine Micro-SIM zu machen gibt es Stanzgeräte.

Die Nano-SIM ist eine stark verkleinerte SIM-Karte und zu den bisherigen SIM-Versionen kompatibel. Das ETSI spricht offiziell vom "vierten Formfaktor" (4FF) mit den Abmessungen 12,3 mm x 8,8 mm x 0,67 mm. Damit ist die Nano-SIM in etwa so lang wie die Micro-SIM breit ist. Es bleibt lediglich der Chip mit einer sehr dünnen Umrandung übrig. Mit der Nano-SIM können die Smartphone-Hersteller ihre Geräte noch flacher und kompakter bauen.
Vom eigenhändigen Zuschneiden, wie es bei der Micro-SIM üblich war, sollte man die Finger lassen.

Typischerweise ist der Mobilfunkanschluss an die SIM-Karte gebunden. Es gibt jedoch Bestrebungen die SIM als Funktion Software-basiert zu realisieren. Eine Implementation ist die eSIM.

Multi-SIM-Karte

Multi-SIM ist die Möglichkeit mit einem Mobilfunkvertrag mehrere SIM-Karten zu verwenden. Für alle SIM-Karten gilt der gleiche Vertrag und die gleiche Rufnummer. Mehrere SIM-Karten können in verschiedenen Geräten gleichzeitig genutzt werden. Während man mit dem Handy telefoniert, kann man gleichzeitig mit dem Notebook das Internet nutzen. Oder man hat eine SIM-Karte im Handy und die andere im Tablet.
Da alle SIM-Karten die gleiche Rufnummer haben, klingeln bei einem Anruf alle Geräte gleichzeitig. Bei abgehenden Telefonaten wird die gleiche Rufnummer übermittelt. Alle Geräte können sogar gleichzeitig genutzt werden. Was nicht geht, dass sich die Geräte untereinander gegenseitig anrufen.
Je nach Mobilfunkbetreiber hat die Multi-SIM-Karte eine andere Bezeichnung. Bei Bedarf muss man gezielt nachfragen.

Übertragungsgeschwindigkeit im Mobilfunk

Um die genannten Übertragungsgeschwindigkeiten nutzen zu können, muss der Netzbetreiber sie explizit unterstützen. Er muss die dazugehörige Technik in seinem Netz installiert und in den dafür vorgesehenen Datentarifen freigeschaltet haben. Je nach Netzbetreiber variiert deshalb die Übertragungsgeschwindigkeit.
Auf der Nutzerseite muss ein entsprechendes Endgerät vorhanden und der entsprechende Datentarif gebucht sein.
Die genannten Übertragungsraten bleiben dann immer noch reine Theorie. In der Praxis spielt die Entfernung zur Basisstation und die Anzahl der parallel nutzenden Teilnehmer eine Rolle. Die Geschwindigkeit sinkt mit der Entfernung zur Basisstation und der Anzahl der Teilnehmer.

Reichweite und Bandbreite im Zusammenhang

Die Übertragung von Sprache (Telefonie) und Daten (Internet) sind die Hauptanwendungsgebiete der Mobilfunktechnik. Während bei der Telefonie die Anforderungen an die Bandbreite eher gering sind, spielt die Reichweite eine viel größere Rolle. Telefonieren mit Mobilfunktechnik heißt vor allem überall erreichbar zu sein und selber jederzeit telefonieren zu können. Da sind Abstriche bei der Sprachqualität kein Problem. Es lässt sich auch unter schlechten Empfangsbedingungen durchaus kommunizieren.
Reichweite und Bandbreite im Vergleich
Bei der Datenübertragung ist ungünstiger Netzempfang schlecht für die Übertragungsgeschwindigkeit. Ein schlechter Empfang führt zu einer höheren Fehlerrate. Ist die Datenübertragung gestört müssen defekte oder verlorene Daten erneut übertragen werden. Das geht zu Lasten der effektiven Übertragungsgeschwindigkeit. Zum Ausgleich wird die Übertragungsrate reduziert und somit auch die Fehlerrate. Aus diesem Grund schränkt man auch die Reichweite (Funkausbreitung) von Funksystemen für Datendienste ein und erhöht dadurch die Datenrate auf kurze Distanzen.
Die Bandbreite und Reichweite von Mobilfunksystemen hängt unweigerlich zusammen. Will man viel Reichweite muss man die Bandbreite einschränken und aufgrund der Reichweite müssen sich viele Teilnehmer die Bandbreite teilen. Will man viel Bandbreite muss man die Reichweite reduzieren, damit weniger Störungen die Funkschnittstelle belasten und die Anzahl der erreichbaren Teilnehmer klein bleibt.

Sprachqualität im Mobilfunk

Viele unterschiedliche Faktoren haben auf die Sprachqualität im Mobilfunk Einfluss. Die verwendeten Hardwarekomponenten, wie Mikrofon, Hörkapsel, DSP und das Gehäusematerial und Gehäuseform spielen eine entscheidende Rolle. Und auch die Software im Mobilfunktelefon beeinflusst die Sprachqualität.
Betrachtet man die Nutzungsumgebung eines Mobilfunktelefons, so wird es in der Regel in Umgebungen mit einer Vielzahl unterschiedlicher Geräuschkulissen eingesetzt. Jede Umgebung hat dabei ihr ganz eigenes Geräuschspektrum, das manchmal sehr laute Hintergrundgeräusche erzeugt. Mobilfunktelefone müssen in der Lage sein diese störenden Geräusche auszublenden oder stark zu unterdrücken. Je besser das gelingt, desto besser ist die Verständlichkeit der Sprache.
Gleichzeitig wächst, bei der intensive Nutzung des Mobilfunks, die Forderung nach einer besseren und konstanteren Sprachqualität. Doch bessere Mikrofone und Hörkapseln, sowie die Optimierung des Gehäuses verteuern die Produkte.
Durch die Miniaturisierung entsteht eine immer komplexere Elektronik. Denn die Elektronik muss das leisten, was die Akustik des Gehäuses nicht leisten kann. Das bedeutet, die Rechenleistung und somit auch der Energieverbrauch steigen.

Frequenzen im Mobilfunk

Diese Tabelle ist ein grober Überblick, der weder vollständig noch korrekt sein muss.

2G/3G 4G 5G 6G
700 MHz
800 MHz
900 MHz
1.500 MHz
1.800 MHz
2.100 MHz
2.300 MHz
2.600 MHz
3,4 - 3,6 GHz
3,6 - 3,8 GHz  
26 GHz
31,8 - 33,4 GHz
40,5 - 43,5 GHz

Das Frequenzspektrum unter 1.000 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.

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