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Technik – Mobilkommunikation

Informationsübertragung mit Funkwellen: Begriffe

Information

In der digitalen Welt werden Informationen binär, mit Nullen und Einsen, kodiert. Man hat sich darauf geeinigt, dass Zeichen (z.B. Buchstaben, Zahlen etc.) aus 8-stelligen Null-Eins-Folgen gebildet werden sollen. Bei 8 Stellen kann man auf diese Art 256 verschiedene Zeichen darstellen. Die „Einheit“ einer 8-stelligen binären Folge heisst 1 Byte.

Symbol

Ein Symbol ist so etwas wie ein Standard-„Informationspaket“. Wie viel konkrete Information im Paket drin steckt, ist eine Frage des Modulationsverfahrens, wie schnell das Paket unterwegs ist, bzw. wie viele „Pakete“ pro Sekunde (Symbolrate) versendet werden können, ist eine Frage der zur Verfügung stehenden Bandbreite. 

Symbolrate

Die Anzahl Pakete pro Sekunde (Symbolrate) wird vom Funkstandard festgelegt. Die Rate ist nicht (direkt) von der Trägerfrequenz abhängig. Deshalb kann ein Standard auf verschiedenen Frequenzen implementiert werden. Die Symbolrate wird von der Bandbreite bestimmt (man beachte: auch die Bandbreite ist nicht unmittelbar von der Trägerfrequenz abhängig. 10MHz Bandbreite kann man beispielsweise sowohl im 900MHz Band als auch im 2.4 GHz Band definieren und nutzen). Je mehr Bandbreite zur Verfügung steht, desto höher kann die Symbolrate sein. Grosse Bandbreiten erlauben schnellere Änderungen eines Signals als kleine Bandbreiten.

Bandbreite

Als Bandbreite wird die Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Frequenz bezeichnet, die für ein Signal genutzt werden kann. Die Bandbreite hat die Dimension der Frequenz, also Hertz. Je größer die Bandbreite, desto mehr „einzelne“ Frequenzen (Sinussignale) stehen dem Signaltechniker zur Verfügung. Je mehr Frequenzen (Bandbreite) verfügbar sind, desto schnellere „Rechtecksignale“ (Summensignal, das aus den einzelnen Frequenzen gebildet wird) stehen zur Verfügung. Mit einem Rechtecksignal können Nullen und Einsen übertragen werden. Mit anderen Worten: je grösser die Bandbreite, desto höher kann die Symbolrate sein. Bei LTE beträgt die maximale Bandbreite 20 MHz. Bei 5G soll sie, wenn später einmal Frequenzen im 2-stelligen GHz-Bereich genutzt werden (Millimeterwellen), bis 100 MHz betragen.

Bandbreitenlimiten

Antennen sind auf eine Trägerfrequenz optimiert. Ausserhalb dieser Frequenz ist der Empfang nicht mehr optimal. In der Praxis rechnet man mit einer akzeptablen Qualität, wenn 90% der Energie am Koax abgestrahlt werden. Das ist der Fall wenn die Frequenz plus/minus 2.5% der optimalen Frequenz beträgt. Damit wird die technisch sinnvoll realisierbare Bandbreite definiert: eine 100 MHz Antenne ist verwendbar für Frequenzen von 97.5-102.5 MHz, Bandbreite = 5 MHz. Bei 1 GHz beträgt die Bandbreite 50 MHz (975-1025 MHz).

Datenrate

Anzahl Information (bits) pro Zeit. Wenn man die Datenrate steigern will, kann man das über eine höhere Symbolrate und/oder über eine effizientere Modulation (Anzahl bits pro Symbol) erreichen. Bei der Symbolrate ist die Bandbreite die relevante Grenze, beim Modulationsverfahren das Rauschen bzw. das Verhältnis Signal zu Rauschen (SNR – Signal-to-Noise Ratio). Bei LTE beträgt die Datenrate um 100 Mbps, bei LTE advanced soll sie wie bei 5G eine Grössenordnung höher ausfallen, also gegen 1 Gbps betragen. Noch leistungsfähigere Standards im zweistelligen Gbps-Bereich werden folgen.

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