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Technik – Mobilkommunikation

Zugriffstechniken: Kommunikation zwischen Basisstation und Endgerät

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 Synchronisation ist nicht fix, sondern wird von der Basisstation verändert, bei älteren Standards (etwa 2G) vergleichsweise selten, bei neuen Standards  (4G/5G) permanent um die Kapazität optimal zu nutzen. Die Endgeräte (Smartphones, Tablets, etc.) werden durch zeitlich Staffelung (GSM), frequenzmässige Trennung (frühere Analogtelefone) oder über eine auf adressierten Informationspaketen basierten Versandart (UMTS, LTE, 5G) voneinander unterschieden (siehe Grafik; Quelle: www.explainthatstuff.com; Beschreibung in den nachfolgenden Abschnitten). Bei allen Standards gilt zudem: hört der Benutzer nur zu, dann wird überhaupt nicht gesendet (sogenannter DTX-Modus; discontinuous transmission) um Batterie zu sparen.

GSM

Bei GSM senden und empfangen Mobiltelefone nicht kontinuierlich, sondern in sehr kurzen Zeitintervallen (Pulsen) von einer halben Tausendstelsekunde und 7 Mal so langen Pausen dazwischen (dieses Zugriffsverfahren nennt sich TDMA – Time Division Multiple Access). Aufgrund dieser Charakteristik spricht man hier auch von gepulster Strahlung (Grafik; Quelle: BAG). Ein GSM-Mobiltelefongespräch ist also nicht – wie in der Analogtechnik – ein kontinuierliches Signal, sondern es setzt sich zusammen aus vielen sehr kurzen Sendeimpulsen. Das Gespräch hört sich jedoch ganz "normal" an. Die Stückelung ist nicht hörbar – vergleichbar mit der Stückelung eines Films in Einzelbilder, die man auch nicht einzeln sieht (sie verschmelzen zu einem kontinuierlichen visuellen Strom). Neuere Mobilfunkgenerationen verwenden diese Zugriffsart nicht mehr. In den Pausen können andere Mobiltelefone bedient werden (insgesamt können also auf einem Frequenzband bis zu 8 Teilnehmer „gleichzeitig“ telefonieren). Sodann wird die Sendeleistung des Handys laufend reguliert, damit das Gerät nur so viel Energie braucht, wie für eine einwandfreie Verbindung notwendig ist. Bei gutem Empfang wird weniger abgestrahlt als bei schlechtem.

UMTS

Beim UMTS-Standard 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 UMTS-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.

LTE

Der LTE-Standard 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 (siehe unter fading) 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-LAN / WiFi, LTE und New Radio bzw. 5G verwenden OFDM.

5G bzw. New Radio (NR)

Die neueste Mobilfunkgeneration verwendet grundsätzlich dieselbe Modulations- und Zugriffstechnik wie LTE. Der grösste Unterschied betrifft die Bandbreite (und damit die Geschwindigkeit/Datenrate), die bei 5G höher ist als bei LTE. Zunächst rechnet man mit einer etwa 10 Mal höheren Datenrate. Diese kann später, wenn Frequenzen im zweistelligen GHz-Bereich verfügbar sind, weiter gesteigert werden.

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