Grundlagen Mobilfunk

3GPP - 3rd Generation Partnership Project

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

Generationen von Mobilfunksystemen (ITU-Definition)

Mobilfunksysteme der 1. Generation (1G) sind das A-, B- und das C-Netzes (C-450) gewesen. 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 einem Mobilfunksystem der 2. Generation (2G). Auf dem Weg zum Mobilfunksystem der 3. Generation (3G) wurde für die Datenübertragung HSCSD und GPRS eingeführt, die auch unter 2.5G eingeordnet werden, als ein Zwischenschritt zwischen GSM (2G) und UMTS (3G). In vielen Dokumentationen wird EDGE bereits zur 3. Generation gezählt, wenn auch dieser Datendienst in Verbindung mit GSM nicht an UMTS heranreicht. Eher wäre EDGE unter 2.75G einzuordnen. Hauptbestandteil von Mobilfunksystemen der 3. Generation (3G) sind Datendienste, wie z. B. Videotelefonie und der mobile breitbandige Internet-Zugang. Auf dem Weg zur 4. Generation (4G) von Mobilfunksystemen kommen noch mehrere Zwischenschritte mit HSPA, HSPA+ (3.5G) und LTE (3.9G). Die Zukunft der Mobilfunktechnik wird LTE Advanced (4G) sein.

Generation	Technik	Übertragung	Bandbreite
1G	AMPS	analog, leitungsvermittelt	-
2G	GSM	digital, leitungsvermittelt	9,6 kBit/s
2.5G	HSCSD	digital, leitungsvermittelt	57,6 kBit/s
2.5G	GPRS	digital, paketvermittelt	115 kBit/s
2.75G	EDGE	digital, paketvermittelt	236 kBit/s
3G	UMTS	digital, paketvermittelt	384 kBit/s
3.5G	HSPA	digital, paketvermittelt	14,4 MBit/s
3.9G	LTE	digital, paketvermittelt	150 MBit/s
4G	LTE Advanced	digital, paketvermittelt	1 GBit/s

Mobilfunknetze

Übertragungsstrecke beim Mobilfunk
Die Mobilfunknetze entwickeln sich weltweit zu Multi-Mobilfunknetzen, die von GSM (GPRS, EDGE) über UMTS (HSPA) auch LTE beherrschen. Egal welches Mobilfunksystem, alle bestehen aus einigen elementaren Bestandteilen, die alle Systeme gemeinsam haben. Zum Beispiel das Mobilfunktelefon und die Basisstation. In den meisten Fällen ist dieser kleine Teil der Übertragungsstrecke zwischen Mobilfunktelefon und Basisstation die einzige Funkübertragungsstrecke. Die Übertragungsstrecke von der Basisstation zum Kernnetz wird als Backhaul bezeichnet und erfolgt über leitungsgebundene E1/E3-Verbindungen oder Glasfaserverbindungen. Nur in ganz entlegenen Gebieten, wo weit und breit keine Kabel liegen oder deren Nutzung zu teuer ist, werden Richtfunkstrecken verwendet.
Im Prinzip ist ein Mobilfunktelefon ein schnurloses Telefon, dessen Basisstation sich nicht in unmittelbarer Nähe befindet, sondern einige Kilometer weiter weg.
Für den Betrieb der Mobilfunknetze sind in der Regel die Netzbetreiber verantwortlich. Die neigen jedoch dazu, den Betrieb ihrer Mobilfunknetze an die Mobilfunk-Ausrüster abzugeben. Die Ausrüster übernehmen dabei das komplette Netzmanagement.

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 Funklächer, 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, E-Plus und O2.
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. Die Auswahl an Tarifen der unterschiedlichsten Anbieter ist jedoch groß. Jeder Provider bietet seine Leistungen (Sprache, Daten, SMS) zu unterschiedlichen Preisen an. So kann eine Änderung des Kommunikationsverhaltens zu einer teureren Gebührenrechnung führen als ursprünglich geplant. Aus diesem Grund Allnet-Flatrates sehr beliebt.

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.
Für das UMTS-Netz gibt es eine spezielle SIM-Karte, die U-SIM. Es ist eine verbesserte SIM-Karte mit mehr Speicherplatz und Funktionen.
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.

MultiSIM-Karte

MultiSIM 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 MultiSIM-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.

DSS - Dynamic Spectrum Sharing

Das Frequenzspektrum für eine Mobilfunktechnik muss bisher fest in den Basisstationen zugewiesen werden. Das heißt, jede Basisstation von GSM, UMTS und LTE hat ihre eigene Frequenz. Allerdings schwankt die Auslastung mit dem Tag- und Nachtrhythmus der Nutzer, was zur Folge hat, dass Übertragungskapazität auf der einen Frequenz brach liegt und eine andere Frequenz überlastet ist.

Die Idee ist eine dynamische Spektrumaufteilung vorzunehmen, wobei die Kapazität um bis zu 50 Prozent steigen kann. Das heißt, melden sich viele LTE-Geräte an einer Basisstation an, aber nur wenige GSM-Geräte, dann werden die zur Verfügung stehenden Frequenzen dynamisch LTE zugeteilt. Auf diese Weise gestaltet sich der Übergang von GSM auf UMTS und LTE viel flexibler.

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