Technik – Mobilkommunikation
Allgemein
Ist ein Handy eingeschaltet, sendet es periodisch kurze Signale aus, anhand derer die Basisstation das Mobiltelefon identifizieren und lokalisieren kann. Zum Herstellen einer Verbindung legt die Basisstation die technischen Kommunikationsparameter (z.B. Frequenz, Sendestärke, Sende-Zeitfenster) fest und teilt diese dem Handy mit. Das Mobilteil synchronisiert sich dann diesen Vorgaben entsprechend mit der Basisstation. Die Endgeräte (Smartphones, Tablets, etc.) werden durch eine auf adressierten Informationspaketen basierten Versandart (4G, 5G) voneinander unterschieden (siehe Grafik; Quelle: www.explainthatstuff.com). Bei allen Standards gilt zudem: hört der Benutzer nur zu, dann wird überhaupt nicht gesendet (sogenannter DTX-Modus; discontinuous transmission) um Batterie zu sparen.
3G
Beim UMTS-Standard (3G) wird jedem Mobiltelefon im Einzugsgebiet einer Basisstation ein eigener „Erkennungscode“ zugeteilt (dieses Zugriffsverfahren nennt sich CDMA – Code Division Multiple Access). Die Codierung ist so etwas wie die Adresse des Absenders. Das Gespräch wird in viele kleine Stücke aufgeteilt, wobei jedes mit der Adresse versehen ist. Die Pakete werden nun so versendet, dass die freien Kanäle bzw. das verfügbare Spektrum möglichst optimal genutzt wird. Alle Nutzer können die Kapazität sozusagen „gleichzeitig“ nutzen. Die paketweise Versendung verhindert, dass sie sich gegenseitig stören. Die Pakete eines spezifischen Mobiltelefons können von der Basisstation mit Hilfe des Codes (der Adresse) aus dem Gesamtsignal herausgefiltert und separat verarbeitet werden. Weil die Endgeräte nicht zeitlich gestaffelt werden, muss ein 3G-Handy nicht gepulst senden, sondern es sendet „kontinuierlich“, aber paketorientiert. Die Leistung wird dabei in sehr kleinen Schritten und sehr schneller Folge den aktuellen Empfangsbedingungen angepasst.
4G
Der LTE-Standard (4G) ist eine Weiterentwicklung des UMTS-Standards. Er ist ebenfalls paketbasiert, nutzt aber das Frequenzspektrum besser aus, weil sich die einzelnen Pakete frequenzmässig überlagern dürfen, ohne dass dabei Information verloren gehen. Dieses spezielle Verfahren wird OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) genannt.
OFDM ist u.a. entwickelt worden, um das fading-Problem zu verringern. Statt eine schnelle Folge vieler kurzer Signale mit Hilfe einer grossen Bandbreite zu verschicken, wird die Bandbreite in Teilbänder aufgestückelt und die Informationen werden auf diesen Teilbändern mit kleiner Bandbreite (und damit auch tiefer Symbolrate) dafür aber gleichzeitig versendet. Es können dabei einfache oder komplexe Modulationsverfahren zum Einsatz kommen. Man kann sich OFDM akustisch vorstellen: Die Information die es zu versenden gilt wären z.B. die Töne, C-E-G-B. Man habe nun eine Sekunde (Symbolrate) zur Verfügung, um die Töne zu versenden. Statt sie in schneller Folge nacheinander zu spielen bzw. zu übertragen, kann man sie auch als Akkord, den man eine Sekunde lang hält, kommunizieren. In der Funktechnik ist es leichter, einen solchen Akkord aus einem „verunreinigten“ Signal heraus zu erkennen als die schnelle Folge der Einzeltöne. Genau so wie sich die Töne durch ihre akustische Frequenz (Tonhöhe) unterscheiden, unterscheiden sich die Bänder durch ihre elektromagnetische Frequenz (technisch: sie stehen orthogonal aufeinander) und sind damit detektierbar. W-LANi, 4G und 5G verwenden OFDM.
5G
5G verwendet grundsätzlich dieselbe Modulations- und Zugriffstechnik wie 4G. Der grösste Unterschied betrifft die Bandbreite (und damit die Geschwindigkeit/Datenrate), die bei 5G höher ist als bei 4G.