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Technik – Mobilkommunikation

Bandbreite und Übertragungsrate

Gegenwärtige Standards

Modulationsformen. Quelle: FSM

Jede Phasenänderung bedeutet bei GSM ein Bit Information und benötigt eine gewisse Bandbreite zur technischen Realisierung. Je mehr Informationen pro Sekunde übertragen werden sollen, desto schneller muss folglich die Phase verändert werden, desto mehr Bandbreite wird benötigt. Dabei gilt ungefähr folgender Zusammenhang zwischen Übertragungsgeschwindigkeit und Bandbreite: wenn beispielsweise 100 Kilobit pro Sekunde (100 kbps) an nutzbarer Information übertragen werden sollen, sind dazu etwa 200 kHz Bandbreite erforderlich; oder umgekehrt: wenn 50 kHz Bandbreite zur Verfügung stehen, so kann damit eine Übertragungsgeschwindigkeit von etwa 25 kbps erreicht werden. Doppelte Bandbreite bringt doppelte Geschwindigkeit. Bei höheren Frequenzen steht im Allgemeinen mehr Bandbreite und damit auch grösserer Speed zur Verfügung. Die Übertragungsrate kann aber auch ohne Ausweitung der Bandbreite erhöht werden, wenn eine effizientere Modulationsart eingesetzt wird, beispielsweise so, dass pro Phasenumtastung mehr als ein Bit Information übertragen werden kann. Durch kleinere Phasenveränderungen (z. B. 90° oder 45° anstelle 180°) kann dies erreicht werden. Einige Möglichkeiten sind in der Figur dargestellt (Darstellungsformat: kartesische Koordinaten mit I=cosφ und Q=sinφ; φ=Phasenwinkel). Links oben der Ausgangspunkt mit 180° (GMSK). Bei 90° können vier Phasenlagen definiert werden (sog. 4 PSK-Modulation) und somit können gleichzeitig 2 Bit Information, bei 8 Phasenlagen (8 PSK-Modulation, rechts oben) gleichzeitig 3 Bit übertragen werden. EDGE als Weiterentwicklung von GSM hat genau das realisiert. Der LTE Standard hat die Effizienz noch weiter erhöht, indem die Amplitude als zusätzlicher und weiterer Modulationsfaktor hinzugenommen wurde (sog. QAM). Unterschiedliche Amplituden haben unterschiedliche Abstände vom Koordinatenmittelpunkt. Das Verhältnis zwischen Datenrate und Bandbreite ist bei LTE um den Faktor 4 besser als bei GSM.

Breitbandtechnologien

Bandbreiten ausgewählter Funktechnologien. Quelle: FSM

Eine Technologie wird als breitbandig bezeichnet, wenn sie mehr als 1 Megabit pro Sekunde (Mbps) überträgt. Unter 100 kbps wird sie als schmalbandig angesehen. Wo genau dazwischen die Grenze gezogen wird, ist nicht exakt definiert. Im Allgemeinen ist sie näher bei 1 Mbps als bei 100 kbps. GSM arbeitet mit 200 kHz Bandbreite pro Trägerfrequenz. Das ergibt beim derzeitigen technischen Stand eine nutzbare Übertragungsrate von etwas über 100 kbps. Weil sich 8 Benutzer eine Trägerfrequenz teilen, steht jedem Benutzer nur ein Achtel dieser Übertragungskapazität zur Verfügung, also etwas mehr als 10 kbps. Ein Teil der Kapazität wird zudem auch zur Übermittlung von technischen Informationen benötigt, so dass dem Endbenutzer noch 9.6 kbps zur Verfügung stehen. GSM ist deshalb eine klar schmalbandige Technologie. LTE dagegen ist klar breitbandig. Der Standard verwendet eine Bandbreit von 20 MHz und erreicht eine Spitzendatenrate im Downlink von 300 Mbps, im Uplink von 75 Mbps.

Zukünftiger Standard

Der vorgesehene Standard LTE Advanced soll im Down- und im Uplink bis zu 1 Gigabit pro Sekunde ermöglichen. Wahrscheinlicher ist, dass 1 Gbps nur bei stationärem Gebrauch und im Downlink realisiert werden, bei schneller Mobilität aber nur 100 Mbps verfügbar sein werden. Der Uplink wird wahrscheinlich nur mit halber Datenrate arbeiten. Die Bandbreite wird bis 100 MHz betragen, also bis 5 Mal grösser sein als beim aktuellen LTE-Standard. Eine Zusammenstellung der Übertragungsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Mobilität des Nutzers findet sich in der Figur.

Bandbreiten und Reichweiten von Funkstandards. Quelle: FSM
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