4. Mobilfunk. Die Netze - von GSM zu LTE (advanced) Funkzellen und Sendeanlagen

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1 4. Mobilfunk Wer ein Handy nutzt, möchte möglichst an jedem Ort erreichbar sein. Doch längst steht für viele das Telefonieren nicht mehr alleine im Vordergrund: Mit modernen mobilen Endgeräten, wie Smartphones, Tablet-PCs und Pads, sind inzwischen Anwendungen wie Video-Telefonie, Surfen im Internet sowie Herunterladen von Fotos, Musik und Videos gang und gäbe. Anwendungen wie Video-Telefonie, das Surfen im Internet und in sozialen Netzwerken sowie das Herunterladen von Fotos, Musik und Videos fordern immer mehr Leistung von den Mobilfunknetzen. Auch in Zukunft müssen diese daher weiter wachsen und ausgebaut werden um zusätzliche Kapazitäten zu schaffen. Die Netze - von GSM zu LTE (advanced) Damit Mobilfunk funktioniert, bedarf es einer umfassenden technischen Infrastruktur. Diese wird von den Mobilfunknetzbetreibern bereitgestellt: In Deutschland unterhalten vier Mobilfunknetzbetreiber jeweils eigene GSM-, UMTS- sowie die noch im Ausbau befindlichen LTE-Netze, inkl. der Erweiterung LTE-Advanced (Long-Term- Evolution-Advanced). Bei GSM und UMTS handelt es sich um Mobilfunkstandards, die in über 232 Ländern und Regionen der Welt verwendet werden. Weltweit gibt es mehr als fünf Milliarden Menschen, die eine dieser Mobilfunktechniken nutzen. Der 2010 eingeführte Standard LTE ist die erste Mobilfunktechnik, die weltweit einheitliche Standards nutzt. Bei GSM und UMTS herrschen in Amerika, Europa und Asien Unterschiede. Funkzellen und Sendeanlagen Das Erfolgsgeheimnis des modernen Mobilfunks ist seine ausgeklügelte Technologie. Sie gewährleistet eine hohe Übertragungsqualität bei flächendeckend guter Erreichbarkeit. Dies ermöglicht der zellulare Aufbau der Mobilfunknetze. Sie bestehen aus zahlreichen nebeneinanderliegenden, wabenartig vernetzten Funkzellen. Jede Funkzelle verfügt über eine Sende- und Empfangsstation, die sogenannte Mobilfunkbasisstation. Antennenmasten einer Mobilfunkbasisstation Die ortsunabhängige Erreichbarkeit per Mobiltelefon beruht auf dem Prinzip, dass ein Gespräch immer zwischen einem Handy und einer nahegelegenen Mobilfunksendeanlage des Netzbetreibers aufgebaut wird. Diese Basisstation versorgt eine räumlich begrenzte Funkzelle mit Empfang und gleichzeitig registriert sie, welche Handys des eigenen Netzes in ihrem Versorgungsbereich eingeschaltet sind. Anhand dieser Information kann jedes 1 4-1

2 Handy vollautomatisch überall auf der Welt innerhalb von Sekunden gefunden und angerufen werden. Funkwellen Die physikalische Voraussetzung für das mobile Telefonieren sind hochfrequente elektromagnetische Funkwellen. Sie dienen gewissermaßen als Transportmedium, weil sie die Informationen mit Lichtgeschwindigkeit vom Handy zur nächstgelegenen Basisstation befördern können. Dazu werden Sprache und Daten digitalisiert, in kleine Einheiten zerlegt und dann in Funkwellen umgewandelt. Übertragungsweg Die Mobilfunkbasisstation empfängt die Funksignale eines Handys und leitet sie über Kabel- oder Funkverbindungen an eine entfernte Vermittlungsstelle des Netzbetreibers weiter. Von dort werden die Gespräche zum Empfänger weitergeleitet und die Verbindungsabläufe gesteuert. So funktioniert der Übertragungsweg beim Mobilfunk Beim ersten Hinsehen scheint der Übertragungsweg beim mobilen Telefonieren unkompliziert zu sein: Die digitalen Funksignale werden von einem Handy zum anderen oder aber vom Handy zum Festnetztelefon gesendet. In der Praxis allerdings durchlaufen die Gespräche und Daten eine Reihe von Zwischenstationen, bevor sie beim Empfänger ankommen. Der Übertragungsweg beim Mobilfunk beinhaltet die Strecke vom Mobiltelefon zur Mobilfunksendeanlage derjenigen Funkzelle, in der sich der jeweilige Handy-Nutzer befindet. Von dort müssen die Informationen zum Teil über große Entfernungen zu der Mobilfunkzelle weitergeleitet werden, in der sich der Empfänger aufhält. Dies erfolgt über Funkvermittlungsstellen. Funkvermittlungsstellen Die Mobilfunkbasisstation nimmt das Funksignal eines Handys und damit die zu vermittelnde Information über ihre Empfangsantenne auf. Dann gibt sie diese über herkömmliche Kabelverbindungen oder über Richtfunk an die Funkvermittlungsstelle, das Mobile Service Center, weiter. Hier werden die Gespräche vermittelt und der gesamte Gesprächsablauf vom Ruf bis zum Gesprächsende gesteuert. Auch Dienste wie die Rufweiterleitung, Anklopfen oder Mehrfachgespräche führt das Mobile Service Center aus. Dazu gehört auch das Erfassen der Rechnungsdaten. Bei der Funkvermittlungsstelle wird das Gespräch entweder an das herkömmliche Festnetz oder an eine andere Funkvermittlungsstelle übergeben, die das Gespräch an die nächstgelegene Basisstation weiterleitet, von wo es das Empfänger-Handy erreicht

3 Richtfunkstrecken Die Datenübertragung zwischen den Basisstationen und den Funkvermittlungsstellen erfolgt entweder über Kabelverbindungen oder über Richtfunkstrecken. Mit Hilfe des Richtfunks lassen sich Signale im Gigahertz-Bereich senden und empfangen. Das geschieht mit kreisförmigen Parabolantennen. Gesendet wird im Mikrowellenbereich zwischen 2 GHz und 60 GHz. Da bei Richtfunkstrecken immer eine direkte Sichtverbindung erforderlich ist, werden die Daten oft über so genannte Richtfunkrelais weitergeleitet, die häufig gemeinsam mit Basisstationen auf einem Dach oder Mast montiert sind. Die Richtfunkrelais empfangen und verstärken die Mikrowellensignale und senden sie dann weiter zum nächsten Relais. Hierbei sind die maximalen Entfernungen frequenzabhängig. Bei Frequenzen von 2 GHz können sie zwischen 40 km und 100 km liegen. Bei höheren Frequenzen verringert sich die Reichweite und liegt bei 10 GHz bei maximal 30 km. Handover Genauso wie die Handys mobil sind, so wird auch der mobile Übertragungsweg dynamisch angepasst. Das heißt die Strecke der Informationsübermittlung verändert sich je nach Standort von Sender und Empfänger. Wechselt ein Mobilfunkteilnehmer während eines Gesprächs die Funkzelle, schaltet das System automatisch auf die angrenzende Funkzelle um (Handover) und beendet die Verbindung zur alten, ohne dass der Handy-Nutzer etwas davon bemerkt. Um zu entscheiden, wann eine Weitergabe einer Verbindung erforderlich ist, wird die Übertragungsqualität gemessen. Der Zellenwechsel wird dann eingeleitet, wenn ein bestimmter Schwellenwert unterschritten ist beziehungsweise ein Wechsel der Funkzelle eine Verbesserung der Übertragungsqualität erwarten lässt. Welche Frequenzen nutzt der Mobilfunk in Deutschland? Zum Austausch von Informationen zwischen Handys und Basisstationen nutzt die moderne Mobilfunktechnik elektromagnetische Felder. Sie übermitteln Sprache und Daten. Zum Transport dieser Informationen sind jedem Mobilfunkstandard bestimmte Frequenzbereiche zugewiesen. Jeder Frequenzbereich ist in zwei Frequenzbänder unterteilt. Auf dem unteren Frequenzband erfolgt die Übertragung der Daten vom Handy zum Sender. Dies ist der sogenannte Uplink. Auf dem oberen Frequenzband werden die Daten vom Sender zum Mobiltelefon übertragen. Dabei handelt es sich um den Downlink

4 Frequenzbereiche Dem GSM-Mobilfunkstandard sind in Deutschland die Frequenzbereiche von 890 bis 915 MHz und von 935 bis 960 MHz (GSM 900) sowie von 1710 bis 1785 und von 1805 bis 1880 MHz (GSM 1800) zugeordnet. Die UMTS-Netze nutzen die Frequenzen von 1920 bis 1980 MHz sowie von 2110 bis 2170 MHz. Für die LTE- Mobilfunknetze wurden von der Bundesnetzagentur Frequenzen in den Bereichen 800 MHz, 1,8 GHz, 2 GHz und 2,6 GHz vergeben. Digitale Bündelfunksysteme für die professionelle Nutzung (zum Beispiel für die Polizei) belegen die Frequenzbereiche zwischen 380 und 400 MHz sowie zwischen 410 und 450 MHz. Die verfügbaren Frequenzen für Funkanwendungen sind eine physikalisch beschränkte Ressource. Daher müssen die vorhandenen Frequenzen effizient genutzt werden. Dies ist vor allem dann eine Herausforderung, wenn die Zahl der Nutzer zunimmt. Da eine Mobilfunkbasisstation immer nur eine begrenzte Anzahl von Verbindungen bewältigen kann, müssen die Funknetze weiter ausgebaut werden. Dieser Ausbau der Netze erfolgt durch die Aufteilung einer bestehenden Funkzelle in mehrere kleine neue Zellen. Bessere Auslastung durch UMTS und LTE Eine bessere Nutzung der Frequenzressourcen konnte durch die Steigerung der Datenübertragungskapazität erreicht werden. Mit UMTS wuchs die Kapazität einer Mobilfunkzelle durch das besonders effiziente Übertragungsverfahren um 30 bis 60 Prozent. Mit LTE wird die Ausnutzung der Frequenzen noch weiter verbessert, wobei die Vorteile von LTE vor allem in einer besseren Aufteilung der Zellen und der Reduzierung der Verzögerungen bei der Datenübertragung liegen. Wie sind Funkzellen und Mobilfunknetze beschaffen? Mobilfunknetze sind die Grundlage der mobilen Kommunikation. Sie bilden gewissermaßen die Basisinfrastruktur, die das Telefonieren mit dem Handy ermöglicht. Die Mobilfunkbetreiber haben die Netze mittlerweile so gut ausgebaut, dass die Menschen die moderne Mobilfunktechnik nahezu überall in Deutschland nutzen können. Heute sind eine hohe Qualität der Sprach- und Datenübermittlung sowie ausreichend vorhandene Übertragungskapazitäten zum Standard geworden. In Deutschland gibt es vier Mobilfunknetze von drei Betreibern, die auf der Basis des GSM-Standards (Global System for Mobile Communications) betrieben werden. Für die UMTS-Technologie (Universal Mobile Telecommunications System) wurden ebenfalls vier Mobilfunknetze errichtet. Sowohl GSM-Netze als auch UMTS-Netze verfügen prinzipiell über die gleiche Struktur. Jedes Mobilfunknetz ist geografisch in viele aneinandergrenzende Gebiete unterteilt - die so genannten Funkzellen. Man spricht daher auch vom zellularen Aufbau der 4 4-4

5 Netze. Die Aufteilung in Funkzellen von begrenzter Größe ermöglicht es, die beschränkte Anzahl verfügbarer Funkkanäle optimal zu nutzen. Denn die Menge an verfügbaren Funkfrequenzen ist beim Mobilfunk durch die staatliche Lizenzvergabe stark begrenzt. In einem Mobilfunknetz werden daher dieselben Frequenzen (bei GSM) bzw. Codes (bei UMTS) in ausreichendem räumlichen Abstand wieder verwendet. Funkzellen und ihre Beschaffenheit Die einzelnen Funkzellen sind in der Regel wabenförmig und erstrecken sich über das gesamte Bundesgebiet. Sie verfügen über unterschiedliche Größen. So reicht der Durchmesser der Zellen von unter 100 Metern in Innenstädten, wo sie unter Umständen nur ein paar Häuser oder einen U-Bahnhof versorgen, bis zu mehreren Kilometern auf dem Land. Jede dieser Funkzellen wird von einer fest installierten Sende- und Empfangsanlage versorgt der so genannten Mobilfunkbasisstation. Die Basisstationen bilden gewissermaßen die Knotenpunkte der Mobilfunknetze. Alle Netzbetreiber in Deutschland nutzen derzeit rund Basisstationen. Im Rahmen der ersten Ausbaustufe der UMTS-Netze sind etwa weitere Basisstationen hinzugekommen. Der laufende LTE Netzausbau benötigt weitere, allerdings werden Standorte natürlich typischerweise mehrfach belegt. Während sich die Zellgrößen bei GSM nicht verändern, haben die Mobilfunkzellen bei UMTS eine andere Charakteristik: Sie atmen. Ihre räumliche Ausdehnung ist abhängig von der Zahl der Teilnehmer, die in einer Zelle mobil telefonieren. Eine stärkere Nutzung verkleinert dementsprechend die nutzbare Zelle

6 Anforderungen an die Struktur von Mobilfunknetzen In der Praxis leitet sich die Zellenstruktur aus den zahlreichen Einzelanforderungen ab, die an ein modernes Mobilfunknetz gestellt werden. Dies sind zum Beispiel eine ausreichende Übertragungskapazität, die hohe Qualität der Sprach- und Daten- Übertragung bei geringen Fehlerraten und eine flächendeckende Nutzbarkeit, die möglichst auch die Versorgung innerhalb von Gebäuden umfasst. Jeder Sender einer Mobilfunkzelle kann im Übrigen nur eine begrenzte Anzahl an Nutzern versorgen. Der in den vergangenen Jahren ständig gestiegene Bedarf an Übertragungskapazitäten hat dazu geführt, dass die Betreiber die Zahl der Mobilfunksender und damit auch der Funkzellen erhöht haben. Dadurch ist es möglich, die im Netz zur Verfügung stehenden Frequenzen (bei GSM) bzw. Codes (bei UMTS) häufiger wieder zu verwenden. Funkzellen, in denen die gleichen Frequenzen bzw. Codes zum Einsatz kommen, müssen allerdings genügend weit voneinander entfernt sein, damit es nicht zu gegenseitigen Störungen, so genannten Interferenzen, kommt. Angepasst an die örtliche Nachfrage werden innerhalb eines Mobilfunknetzes große und kleine Zellen zusammengefügt. Auf diese Weise können etwa so genannte Hochlastgebiete wie Innenstadtbereiche, Flughäfen oder Bahnhöfe gezielter und effizienter versorgt werden. Beim Zuschnitt der Zellen ist zudem zu berücksichtigen, dass die Auslastung, über den Tag, die Woche oder das Jahr gesehen, zum Teil sehr stark schwankt. Kleinere Funkzellen können darüber hinaus auch die Übertragungsqualität verbessern. Wenn die Zellen geografisch eng begrenzt sind, wird die Möglichkeit verringert, dass es zu Abschwächungen und Ablenkungen des Funksignals kommt. Natürliche Hindernisse oder Gebäude, aber auch Witterungseinflüsse können daher verhältnismäßig schnell zu so genannten Abschattungen führen, durch die die Informationsübermittlung gestört wird. Übertragungsgeschwindigkeit im Vergleich GSM (2G) UMTS (3G) LTE Mobilfunk- Technik GPRS EDGE UMTS HSDPA HSUPA (3,5G) HSPA+ (3,5G) LTE (4G)* LTE Advanced (4,5G)* Downlink 53,6 236, ,8 MBit/s 3,6 MBit/s 7,2 MBit/s 14,4 MBit/s 21,1 MBit/s 42,2 MBit/s bis 100 MBit/s bis 1 GBit/s Uplink 13,4 (26,8 ) 118,4 (236,8 ) 128 (384 ) 1,8 MBit/s 3,6 MBit/s 5,8 MBit/s 5,8 MBit/s (11,5 MBit/s) bis 50 MBit/s bis 500 MBit/s Latenzzeit ca. 500 ms und mehr ca.300 bis 400 ms ca.170 bis 200 ms ca.60 bis 70 ms ca. 5 ms ca. 5 ms 6 4-6

7 Zusammenfassung Mobilfunk Generationen von Mobilfunknetzen Erst analog dann digital 1G Sammelbegriff für alle analogen Netze (verbreitet war das C-Netz als Kfz Festeinbau) 2G 3G GSM inkl. GPRS und Edge (D-Netz und E-Netz) UMTS 3,5G HSDPA, HSUPA und HSPA+ 4G* LTE 4,5G* LTE advanced 5G für ca geplanter LTE Nachfolger, Überlegungen zur Standardisierung laufen * Achtung: gemäß Standard IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications- Advanced) der ITU-R wird LTE als 3,9G und LTE advanced als 4G bezeichnet