Nokia 6650 (2003), eines der ersten UMTS-fähigen Mobiltelefone. Bild: Wikimedia Commons, gemeinfrei.

Im vorigen Teil der Mobilfunkserie haben wir gelernt, wie man bei EDGE die Luftschnittstelle von GSM weiter ausreizte und Datenraten bis über 1 Mbit/s erreichte. Der EDGE-Ausbau war noch kurz vor 2010 in vollem Gange, obwohl der Nachfolger UMTS zu dieser Zeit längst zur Verfügung stand, aber die Netzbetreiber scheuten die hohen Kosten für die Umrüstung auf eine komplett neue Radiotechnologie – und hatten sich zuvor ziemlich verzockt. Davon handelt Teil 6 der Serie.

 

3. Generation

UMTS, das Universal Mobile Telecommunications System, ist das erste Mobilfunknetz, das von Beginn an weltweit startete und damit den Namen “universal” zu Recht trug (na ja, auf die Erde beschränkt – GSM war ja schon “global”, das musste man natürlich mit “universal” toppen). Es wurde von der International Telecommunication Union (ITU), einer Organisation der Vereinten Nationen zur Festlegung von Telekommunikationsstandards und Nachfolgeorganisation der CCITT, am Ende der 90er Jahre als einer der Standards (neben dem amerikanischen CDMA2000) für Netze der 3. Generation empfohlen, startete aber auch in Amerika, Asien (das erste Netz war FOMA in Japan), Ozeanien und Europa. UMTS verwendet deshalb eine Vielzahl von Funkfrequenzen weltweit und spezifiziert drei verschiedene Kanalzugangsverfahren. Daher gibt es immer noch ein paar untereinander inkompatible “UMTS-Dialekte”. Jedoch ist das in Europa verwendete W-CDMAFDD-Verfahren in allen Ländern verfügbar, und moderne Handys beherrschen für jede Region der Welt mindestens ein verfügbares Frequenzband.

 

Unerwartete Mehreinnahmen zur Tilgung von Staatsschulden…

Da das UMTS-Netz parallel zum GSM-Netz hochgezogen werden sollte, aber mit dessen Luftschnittstelle (fortan GSM-EDGE Radio Access Network oder GERAN genannt, während die UMTS-Luftschnittstelle unter Universal Terrestrial Radio Access Network oder UTRAN firmiert) inkompatibel war, mussten neue Bänder reserviert werden. In Europa und Australien war dies das 2100-MHz-Band. Während die ursprünglichen GSM-Frequenzen in Deutschland vom Staat noch kostenlos vergeben bzw. ausgeschrieben worden waren, war man 1997 bereits dazu übergegangen, weitere GSM-Frequenzen an die Meistbietenden zu versteigern. Bei der Auktion der deutschen UMTS-Frequenzen im Juli/August 2000 kam es dann zu einem Showdown. Zu ersteigern waren 12 Frequenzduplex-Unterbänder sowie 5 Zeitduplex-Unterbänder1. 11 Konsortien bewarben sich, 4 stiegen früh aus, und 6 erhielten schließlich den Zuschlag für jeweils rund 16,5 Milliarden DM – eine Gesamtsumme von 99,4 Milliarden DM oder 50,8 Milliarden Euro. Eigentlich hätte man bei 68,5 Milliarden schon aufhören können, weil alle außer 6 Bewerbern schon ausgestiegen waren und für jeden somit 2 FDD-Unterbänder (und für alle bis auf einen ein TDD-Band) zur Verfügung standen, aber T-Mobil und Mannesmann strebten jeweils unbedingt ein drittes FDD-Unterband an, das ihnen die Mitbieter nicht abtreten wollten, und so endete es bei knapp 100 Milliarden mit der gleichen Aufteilung wie zuvor bei 68,5.

Finanzminister Hans Eichel freute sich über “unerwartete Mehreinnahmen zur Tilgung von Staatsschulden” – und der Kunde durfte fluchen, weil die Firmen das Geld wieder hereinholen mussten, was überteuerte Minuten- und Roaming-Gebühren sowie einen um Jahre verzögerten Netzaufbau zur Folge hatte. Zwei der Lizenznehmer gaben ihre Lizenzen später wieder zurück: Die Mobilcom ging durch die UMTS-Kosten beinahe insolvent und veräußerte ihre UMTS-Standorte an E-Plus, und ein “Group 3G” genanntes Konsortium aus der spanischen Telefonica Moviles, der finnischen Sonera und der britischen Orange (Netzname Quam) scheiterte schon daran, ein virtuelles GSM-Netz auf der Basis von E-Plus zu errichten und baute nie ein UMTS-Netz auf, was gegen die Lizenzauflagen verstieß, so dass die Lizenz wieder entzogen wurde. Die übrigen Lizenzen gingen an T-Mobil (heute Telekom), Mannesmann Mobilfunk (heute Vodafone), E-Plus Hutchison (später E-Plus, 2014 im O2-Netz aufgegangen) und VIAG Interkom (heute O2).

Denn auch der Netzaufbau kostete einen zweistelligen Milliardenbetrag. Erst 2004 wurden dann die Basisstationen in Betrieb genommen, und auch nur in ausgewählten großstädtischen Zentren. Man hoffte, die Kundschaft mit neuen Diensten wie Videotelefonie ins Netz zu locken. Ich erinnere mich an einen Besuch bei 3 (Hutchison 3G) in Italien (die auch in Österreich, Schweden und Großbritannien reine UMTS-Netze aufbauten), in deren Werbekampagne man damals vollkommen auf das Streaming von Fußballspielen auf kleine Handy-Bildschirme setzte. Was offensichtlich nicht zog, denn bei einem späteren Besuch bewarb die Kampagne dann keinen Fußball mehr, sondern leicht bekleidete Damen…

Ein HTC XDA II (2003). Er beherrschte nur GSM, aber seine UMTS-fähigen Nachfolger brachten den Durchbruch für UMTS. Bild: Wikimedia Commons, Tatoute, CC BY-SA 3.0.

Ein HTC XDA II (2003). Er beherrschte nur GSM, aber seine UMTS-fähigen Nachfolger brachten den Durchbruch für UMTS. Bild: Wikimedia Commons, Tatoute, CC BY-SA 3.0.

Der Durchbruch für UMTS kam schließlich mit den Smartphones, mit denen man im regulären Internet browsen konnte. Die Windows-Mobile-Geräte (z.B. von HTC und Asus) entstanden ca. 2003 aus der Fusion von Personal Digital Assitants (PDAs) und Mobiltelefon; sie waren aber noch etwas umständlich mit Stiften zu bedienen. 2006 kam das Blackberry mit auschiebbarer Tastatur heraus und gelangte unter Geschäftsleuten zu einer gewissen Verbreitung. Der endgültige Durchbruch für das Smartphone kam dann mit dem iPhone (welches in Deutschland in der ersten Version nur EDGE unterstützte). Nokia und Sony-Ericsson setzten damals noch auf gewöhnliche Handys mit Symbian-Betriebssystem. Und dann kam Google mit dem offenen Android und machte das nach, was Microsoft mit dem für alle Hersteller verfügbaren Windows beim PC vorgemacht hatte. Der Rest ist Geschichte.

Die UMTS-Lizenzen waren nur auf 10 Jahre zugeteilt. Die spätere Auktion der LTE-Frequenzen im Jahre 2010 brachte dann gerade noch 4,4 Milliarden Euro ein. Im kommenden Mai gibt es wieder Frequenzen für das kommende Jahrzehnt und das künftige 5G-Netz zu ersteigern, aber der Reihe nach…

 

In die Breite gehen

UMTS versprach in seinem ersten Standard (Release 1999, R99) eine Datenrate von 384 kbit/s pro Nutzer (die in späteren Releases auf bis zu 42,2 Mbit/s ausgebaut wurde). Wie packt man so viele Daten auf den Kanal? Der Trick ist: mehr Bandbreite. Unter Bandbreite versteht man die Breite des Frequenzbereichs, der zur Modulation zur Verfügung steht. GSM-Kanäle haben 200 kHz Bandbreite (genutzt werden 135 kHz, der Rest ist Sicherheitsabstand zur Vermeidung von Nachbarkanal-Interferenz). Eine BTS hat maximal 8 Kanäle, macht in Summe 1,6 MHz. UMTS verwendet 5 MHz Bandabstand (genutzt werden 3,84 MHz). Da ist also schon einmal mehr Platz vorhanden. Wir haben bei der Besprechung von GMSK den Begriff Bandbreiteneffizienz kennengelernt und dass man mit einem Wellenzug ein Symbol darstellen kann, also 1 Symbol/Hz. 3,84 MHz erlauben also 3,84 MSymbole/s (die gebräuchliche Einheit für Symbol/s ist das Baud, also 3,84 Mbaud).

Jede Zelle hat in UMTS die gesamte Bandbreite zur Verfügung hat. Bei GSM wurde jeder Zelle ein Satz eigener Kanäle zugeteilt, der fein selektiert wurde, so dass die Kanäle aller in Funkreichweite befindlicher Zellen ja nicht mit ihren Kanälen in Konflikt geraden konnten, weil dies Störungen verursacht hätte. In UMTS ist alles anders: da wird die Kollision bewusst provoziert. Warum funktioniert das bei UMTS, was bei GSM ein Ding der Unmöglichkeit wäre? Und wozu soll das gut sein? Weil ein anderes Kanalzugangsverfahren verwendet wird: CDMA (Code Division Multiple Access). Der Name könnte aufmerksamen Lesern aus Teil 1 dieser Serie bekannt vorkommen – in den Vereinigten Staaten gab es ein 2G-Netz, das CDMAone hieß und genau dieses Verfahren verwendete, aber nur auf 1,25 MHz Bandbreite. Bei UMTS wurde CDMA zu Breitband-CDMA (Wideband CDMA, W-CDMA).

FDMA vs. CDMA: in FDMA werden die Sender im Trägerband schmalbandig in benachbarten Frequenzen angeordnet, ohne Überlappung. Bei CDMA wird das ganze Trägerband genutzt und die einzelnen Signale sind breitbandiger. Es wird pro Hz Bandbreite weniger Leistung aufgewendet, in der Summe über das Signal jedoch die gleiche Leistung. Ein Störsignal betrifft bei FDMA ein einzelnes Nutzsignal in großem Ausmaß, bei CDMA alle in nur geringem Maß. Bild: Autor, gemeinfrei.

FDMA vs. CDMA: in FDMA werden die Sender im Trägerband schmalbandig in benachbarten Frequenzen angeordnet, ohne Überlappung. Bei CDMA wird das ganze Trägerband genutzt und die einzelnen Signale sind breitbandiger. Es wird pro Hz Bandbreite weniger Leistung aufgewendet, in der Summe über das Signal jedoch die gleiche Leistung. Ein Störsignal betrifft bei FDMA ein einzelnes Nutzsignal in großem Ausmaß, bei CDMA alle in nur geringem Maß. Bild: Autor, gemeinfrei.

 

Pseudorauschen

Bei GSM haben wir zwei Methoden kennengelernt, wie man Bandbreite an die Teilnehmer vergeben kann: Zeitmultiplex-Zugang (Time Division Multiple Access, TDMA), indem man den Teilnehmern gewisse periodisch wiederkehrende Zeitschlitze zuteilt, sowie Frequenzmultiplex-Zugang (Frequency Division Multiple Access, FDMA), indem man jeder Zelle mehrere Frequenzkanäle gibt, über die sie mit verschiedenen Teilnehmern kommunizieren kann.

Generierung von CDMA: Der ursprüngliche Datenstrom (Bitdauer Tb) wird mit einer höherfrequenten pseudozufälligen Scrambling Code (Chipdauer Tc) überlagert. Es entsteht eine codierte Kanalchipfolge, die der Empfänger mit dem passenden Scrambling Code wieder in den ursprünglichen Datenstrom umwandeln kann. Bild: Wikimedia Commons,Marcos Vicente, CC BY-SA 4.0.

Generierung von CDMA: Der ursprüngliche Datenstrom (Zeile 1, Bitdauer Tb) wird mit einer höherfrequenten pseudozufälligen Scrambling Code (Zeile 2, Chipdauer Tc) überlagert. Es entsteht eine codierte Kanalchipfolge (Zeile 3), die der Empfänger mit dem passenden Scrambling Code wieder in den ursprünglichen Datenstrom umwandeln kann. Bild: Wikimedia Commons, Marcos Vicente, CC BY-SA 4.0.

Bei CDMA arbeitet man hingegen mit einem sogenannten “Spreizcode” (Scrambling Code), dem das CDMA-Verfahren das “C” verdankt. Man multipliziert das Nutzsignal aus 0en und 1en mit einer Folge von Pseudozufallsbits, deren Rate bei UMTS 4- bis 512-mal höher ist als die zu übertragende Nutzdatenrate. Man nennt sie daher Chips (engl. für “Späne”), um klar zu machen, dass es sich nicht um komplette Bits handelt, sondern zerstückelte Bits. “Pseudozufall” heißt hier, dass die Folge alle statistischen Eigenschaften einer echten zufälligen Abfolge von 1en und 0en hat, tatsächlich aber mit einer strengen mathematischen Vorschrift exakt berechnet wird, d.h. sie sieht zufällig aus, ist es aber überhaupt nicht. Solche Zufallsgeneratoren füttert man normalerweise mit einem Startwert, und dann spucken sie in unendlicher Folge einen Wert nach dem anderen aus, und mit dem selben Startwert erhält man natürlich auch wieder dieselbe Folge. Wenn die Folge gut ist, dann wiederholt sie sich erst nach langer Zeit, in der Größenordnung ihrer Länge (irgendwann muss sich jede Folge aus endlich vielen Ziffern zwangsläufig wiederholen), z.B. eine Folge von 32 Bits erst nach 232 = 4,3 Milliarden Werten. Und wenn sie mit den richtigen Startwerten auch immer schön eindeutige und unverwechselbare Teilfolgen erzeugt, dann nennt man diese “orthogonal” und kann damit mehrere Datenströme codieren, ohne dass die sich ins Gehege kommen.

Beispielsweise könnte eine Nutzdatenrate von 1920 kbit/s mit einem bestimmten Scrambling-Code von 7680 kcps (Kilo-Chips pro Sekunde; das ist 4 mal 1920 kbit/s, also 4 Chips pro Bit) überlagert werden, so dass eine gespreizte Folge von Bits entsteht, die paarweise als QPSK-Werte mit 3,84 Mbaud auf den Kanal gesendet werden kann und sich dort entsprechend breit machen wird (3,84 MHz Bandbreite verbrauchen). Man spricht deshalb auch von einem Spread-Spectrum-Verfahren. Verschiedene adressierte Endgeräte erhalten nun verschiedene Scrambling Codes. Wenn man den Kanal dann insgesamt abhört, hört man nur ein weißes Rauschen (“weiß” heißt hier, dass alle Frequenzen  gleich “laut” sind). Nur wenn ein Empfänger den richtigen Scrambling-Code hat, kann er die Nutzbits genau dieses Codes wieder extrahieren und alle anderen Signale sind nur Hintergrundrauschen für ihn.

Man kann sich das ungefähr so vorstellen, als sei man Gast auf einer internationalen Konferenz, wo in der Kaffeepause alle möglichen Leute aus aller Herren Länder im Vorraum zusammenstehen und in verschiedensten Sprachen miteinander reden, was insgesamt eine Menge Lärm erzeugt. Zwei Konferenzteilnehmer, die die gleiche Sprache sprechen, können sich dann trotzdem verständigen, weil sie die Wörter fremder Sprachen der anderen Teilnehmer ausblenden können.

 

CDMA zeichnet sich durch folgende Charakteristika aus:

  • Bei FDMA ist die Frequenz und bei TDMA die Zeit die zugeteilte Radioressource, bei CDMA der Scrambling Code.
  • Es gibt keine feste Zahl von Teilnehmern, die irgendwelche festen Kanalzuteilungen vollkommen verbrauchen könnten – man hat genug Codes, um theoretisch beliebig viele Teilnehmer auf den Kanal zu bringen.
  • Ein Teilnehmer kann auch mehrere Scrambling Codes gleichzeitig verwenden und so mehr Radioressourcen erhalten.
  • Das Verfahren ist sehr robust gegenüber schmalbandigen Störungen, wie sie durch andere Funksignale oder Störquellen entstehen. Man sendet gewissermaßen “darum herum”.
  • Das Verfahren ist abhörsicher – man muss den Scrambling Code kennen, sonst kann man nichts empfangen. Es wurde ursprünglich zur Verschleierung von Übertragungen entwickelt.
  • Die Teilnehmer nehmen Sendungen an andere Teilnehmer als Rauschen wahr. Je mehr Teilnehmer auf dem Kanal sind, desto mehr Rauschpegel ist vorhanden und es wird zunehmend schwieriger, einer bestimmten Sendung zu folgen. Wenn die Interferenz zu groß wird, kann man jedoch die Nutzdatenrate drosseln, z.B. halbieren, dann hat man doppelt so viel Zeit, doppelt so viele Chips (und empfangene Energie pro Bit), um jedes Bit zu erkennen. CDMA kann deshalb sehr flexibel mit der Nutzbitrate umgehen und bei sehr viel Verkehr auf dem Kanal jedem Teilnehmer entsprechend weniger Nutzdatenrate erlauben. Es können im Downlink zum Endgerät bis zu 512 Chips pro Bit verwendet werden, was 15 kbps entspricht. Im Uplink verwendet UMTS R99 BPSK mit maximal 256 Chips pro Bit, was auch 15 kbps ergibt. Das reicht zur Übertragung von Sprache.
  • Das Verfahren behandelt nur dann alle Teilnehmer fair, wenn sie beim Empfänger etwa mit dem gleichen Pegel ankommen. Deswegen müssen die Endgeräte ihre Sendeleistung erhöhen, wenn sie weiter entfernt sind. Wenn die fernsten Endgeräte ihre Leistung maximiert haben, aber nähere Endgeräte die ihrige noch erhöhen können, dann schrumpft die Zelle, denn sie sieht nur noch die lauten, näheren Endgeräte – man spricht von “Zellatmung”.

 

Weich und weicher

Da jedes Endgerät das gesamte UMTS-Unterband abhorcht, empfängt es auch mehrere benachbarte Zellen, und auch hier sind deren Signale Hintergrundrauschen, solange das Endgerät nicht ihren Scrambling Codes folgt. Da das Endgerät aber auch gleichzeitig mehreren Scrambling Codes folgen kann, kann es auch gleichzeitig mehrere Zellen parallel abhören und von diesen den gleichen Datenstrom mehrfach erhalten. Das schützt vor Abschattungen (etwa wenn man in Häuserschluchten mit dem Auto unterwegs ist), verbessert die Signalqualität (mehr empfangene Leistung) und es ermöglicht neue Arten von Handovern. Bei GSM sprach man von der Serving Cell, die das Endgerät bediente, bei UMTS ist es ein Serving Set, eine Menge von Zellen. Wird nur eine von diesen gegen eine andere Zelle ausgetauscht, weil deren Signal stärker ist, nennt man dies einen Soft Handover. Wechselt man nur von einem Sektor der gleichen Basisstation zu einem anderen, dann wird es noch weicher, man nennt dies einen Softer Handover. Dabei muss nur minimal in das Routing der Daten eingegriffen werden.

Harte Handover gibt es auch:  oben wurde ja beschrieben, dass jeder deutsche Netzbetreiber zwei Unterbänder zugeteilt bekam, d.h. zwei UMTS-Frequenzen. Wenn man zwischen diesen wechselt, ist der Handover hart, weil man auf eine bislang nicht verbundene Frequenz wechseln muss. Und wenn man zwischen Zellen wechselt, die zu einem anderen Vermittlungsknoten gehören (Radio Network Controller – nächstes Mal!), dann ebenso, weil hier der Ruf nun einen anderen Weg durch das Vermittlungsnetz nehmen muss.

Das Kanalzugangsverfahren wie auch das Handoververfahren ist bei UTRAN also ein völlig anderes als bei GERAN. Deswegen verwendet UTRAN anstelle von BTS und BSC neue Netzwerkknoten, die mit neuartiger Technologie untereinander und an das bestehende Kernnetz aus MSCs und SGSNs/GGSNs angeschlossen wurden. Wie der Netzaufbau aussieht und wie man bei UMTS auf den Kanal kommt und Sprache bzw. Daten überträgt, ist Thema des nächsten Artikels.

 

Abkürzungen

BPSK Binary Phase Shift Keying (binäre Phasenumtastung)
BTS Base Transceiver Station (Basisstation)
BSC Base Station Controller
CCITT Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique
CDMA Code Division Multiple Access (Codemultiplex-Kanalzugang)
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
FDD Frequency Division Duplex (Frequenzduplex für Uplink und Downlink)
FDMA Frequency Division Multiple Access (Frequenzmultiplex-Kanalzugang)
FOMA Freedom of Mobile Multimedia Access (japanisches UMTS-Netz)
GERAN GSM-EDGE Radio Access Network
GMSK Gaussian-filtered Minimum Shift Keying
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile Communications (Mobilfunkstandard)
ITU International Telecommunication Union
LTE Long Term Evolution (Mobilfunkstandard)
PDA Personal Digital Assistant (Kleinstrechner, Palmtop)
QPSK Quaternary Phase Shift Keying (quaternäre Phasenumtastung)
R99 UMTS Release 1999 (erste freigegebene Version der Spezifikation)
TDD Time Division Duplex (Zeitduplex für Uplink und Downlink)
TDMA Time Division Multiple Access (Zeitmultiplex-Kanalzugang)
UMTS Universal Mobile Telecommunications System (Mobilfunkstandard)
UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network
W-CDMA Wideband Code Division Multiple Access (Codemultiplex-Kanalzugang)

 

1 Der UMTS-Standard erlaubt auch einen Zeitduplex-Betrieb (Time-Division Duplex, TDD), bei dem Uplink und Downlink abwechselnd und zeitlich variabel konfigurierbar über die gleiche Frequenz übertragen werden. TDD-Netze sind in einigen Städten im Lokalbereich in Betrieb, um die Netzversorgung von fest installierten Funkmodems zu gewährleisten. Im Mobilfunkbereich wird TDD in Deutschland nicht eingesetzt.

Kommentare (16)

  1. #1 Captain E.
    20. September 2018

    Ab wann kamen eigenlich die Fraktalantennen auf? Meines Wissens konnte man erst mit dieser Technologie die Antennen komplett ins Gehäuse quetschen, so dass das abgebildete frühe UMTS-Gerät eher noch keine gehabt haben dürfte. Erfunden wurde die Fraktalantenne 1995, weswegen eine Verwendung vermutlich erst im neuen Jahrtausend hat stattfinden können.

    https://de.wikipedia.org/wiki/Fraktalantenne

  2. #2 Ingo
    20. September 2018

    Ich moechte einfach nur mal Kommentieren um zu sagen “Coole Artikelserie”

  3. #3 Alderamin
    20. September 2018

    @Captain E.

    Das dürfte mit der Einführung von MIMO (Multiple Input/Multiple Output) in Release 8 (Spezifikation Ende 2008, EInführung im Netz also 2009) der Fall gewesen sein, denn dabei werden mehrere Kopien des gleichen Signals über mehrere Antennensegmente versendet, was einerseits hilft, die Effekte stehender Funkwellen (Fast Fading) zu kompensieren und andererseits den Funkstrahl mit mehr Leistung kurzfristig auf bestimmte Teilnehmer auszurichten. Die fraktalen Antennen laufen im Fachjargon unter “Smart Antennas“.

    Fast Fading oder Multipath Fading entsteht, wenn das Funksignal durch Reflexionen an Objekten auf mehreren Wegen den Empfänger erreicht. Es kommt dann zu im Raum stehenden Interferenzenmustern, wie man das beim Licht kennt. Dieser Effekt tritt fast überall auf, man merkt das z.B. daran, dass der vom Handy angezeigte Pegel sich schon ändert, wenn man es um nur 10 cm seitlich verschiebt, dann gerät man z.B. von einem Ort konstruktiver Interferenz zu einem Ort mit destruktiver Interferenz.

    Wenn man sich z.B. im Auto durch so ein Muster hindurchbewegt, dann kann der Pegel binnen Bruchteilen von Sekunden um bis zu 30 dB (Faktor 1000) rauf und runter gehen. Wenn man das Signal aber per MIMO durch 2 oder 4 Antennen ausstrahlt, die seitlich versetzt sind, dann mitteln sich die Interferenzmuster aus. Nennt sich auch “Antennendiverisität”.

    Kennt man auch von WLAN-Routern.

  4. #4 Ingo
    20. September 2018

    Das Thema “Antennenbau” laesst sich fuer mich immer noch schwer vom Thema “Magie” unterscheiden.

    Wieso zum beispiel eine simple Yagi-Antenne oder eine Planarantenne eine Richtfunkwirkung hat ist mir relativ schleierhaft.
    Fraktale Antennen sind dort nocheinmal eine hoehere Stufe der Magie.

    Eventuell kann man das ja mal auf die Artikelwunschliste setzen 🙂

  5. #5 Alderamin
    20. September 2018

    @Ingo #2

    Danke. Wird zwar in Summe von deutlich weniger Lesern geklickt, als meine Astro-Artikel, aber das zahlreiche positive Feedback motiviert mich, die Serie weiter zu führen. UMTS braucht noch einen Artikel über die Netzarchitektur, dann könnte ich noch was zu HSPA und MIMO schreiben, dann kämen zwei Artikel zu LTE (Zugangsverfahren und Architektur) und dann noch einer oder zwei zu 5G.

    Aber ich schreib’ als nächstes mal wieder was zur Astronomie. Da tun sich auch interessante Dinge. Gaia war lange nicht mehr dran.

  6. #6 Alderamin
    20. September 2018

    @Ingo #4

    Wieso zum beispiel eine simple Yagi-Antenne oder eine Planarantenne eine Richtfunkwirkung hat ist mir relativ schleierhaft.

    Bei Planarantennen: Phasenversatz. Wenn eine Funkwelle eine Fläche schräg trifft, dann trifft sie die eine Kante zuerst, dann wandert der Einschlagpunkt seitlich bis zur gegenüber liegenden Kante. Das ist genauso, wenn eine Meereswelle schräg auf einen Strand aufläuft.

    Wenn man die Fläche in Segmente zerlegt, werden diese also mit Zeitversatz von einem Wellenberg oder -tal getroffen. Man muss nun einfach den Zeitversatz in den Segmenten kompensieren (indem man das Signal bei den Segmenten, die früh getroffen werden, mehr verzögert gegenüber denen, die später getroffen werden), dann addieren sich die verzögerten Signale der Segmente so, als ob die Welle frontal aus 90°-Richtung zur Planarantenne eingelaufen wäre. Und so wird die Antenne auf die schräg einlaufende Welle ausgerichtet.

    Die Verzögerungen lassen sich blitzschnell über elektronische Phasenschieber verändern, und so die Antenne sehr schnell in der Richtung umschalten. Zuerst hörte ich von dem Prinzip beim Patriot-Raketenabwehrsystem, welches mit einer planaren Radarantenne mehrere Ziel gleichzeitig verfolgen kann – mit einem rotierenden Radar-Sender, wie man sie von Flughäfen oder Schiffen kennt, wäre das viel zu langsam. Aber auch im Mobilfunk und beim Satelliten-TV wird die Technik eingesetzt.

    Yagi-Antennen nutzen Interferenz der Wellen aus, die an den Querstäben entstehen, welche Signale aus der Richtung senkrecht vor der Antenne positiv verstärken. Jeder Stab schwingt mit und erzeugt eine um eine halbe Wellenlänge zur einlaufenden Welle versetzte Welle. Wenn die Abstände auf die Wellenlänge abgestimmt sind, überlagern sich alle Wellen maximal beim eigentlichen Empfangssegment, was aber nur für die eine Richtung gilt, die senkrecht zu den Stäben steht. Daher die Richtwirkung.

    Ja, wäre ein Thema für einen zukünftigen Artikel, danke für den Vorschlag. Aber nach der Mobilfunkserie. Erinnere mich gerne nochmal auf der “Schreib doch mal was zu…” -Seite dran (Link oben rechts).

  7. #7 Ingo
    20. September 2018

    @Alderarmin #6

    > Ja, wäre ein Thema für einen zukünftigen Artikel,
    > danke für den Vorschlag. Aber nach der
    > Mobilfunkserie. Erinnere mich gerne nochmal
    > auf der “Schreib doch mal was zu…” -Seite dran
    > (Link oben rechts).

    done

  8. #8 HF(de)
    20. September 2018

    Ich schließ mich Ingo #2 an: klasse Serie.

  9. #9 schorsch
    20. September 2018

    Das ‘Universal’ in UMTS steht m. W. nicht für den Anspruch dieses Standards, im ganzen Universum Gültigkeit zu erlangen, sondern dafür, dass UMTS – im Gegensatz zu GSM – von vorneherein nicht speziell für Telefonie, sondern universell für beliebige Datendienste konzipiert worden ist.

  10. #10 Alderamin
    20. September 2018

    @Schorsch

    Kann durchaus sein. Ich kann mich auch daran erinnern, dass das “Universal” mal für die Aussicht stand, ein Netz zu errichten, das alle möglichen Kommunikationsnetze in einem vereinigt (also etwa auch Satellitentelefonie). Hat sich dann aber etwas anders entwickelt.

  11. #11 uwe hauptschueler
    21. September 2018

    Die Täter täuschen durch die im Display angezeigte Rufnummer vor, von der Polizei zu sein (z.B. 110 oder Nummer der örtlichen Polizeidienststelle).

    Q.: Faltblatt der Polizei zu Telefonbetrug
    Funktioniert so was auch bei Mobiltelefonen, wenn ja, wie?

  12. #12 Alderamin
    21. September 2018

    @uwe hauptschueler

    Das nennt sich Call ID Spoofing. Im normalen Netz geht das nicht, aber bei Nebenstellanlagen (Telefonanlage einer Firma, Schule oder dgl.) oder Voice Over IP-Systemen (VoIP) kann man unter Umständen eine angezeigte Identität einstellen, die nicht der Rufnummer entspricht, was natürlich verboten ist. Erlaubt und möglich ist, innerhalb des zugewiesenen Nummernvorrats eine Nummer auszuwählen, z.B. wenn man nicht möchte, dass die Rufnummer eines Mitarbeiters, der einen Kunden einer Firma von seinem Platz aus anruft, für den Kunden sichtbar ist. Dem kann man dann z.B. die Nummer der Zentrale oder des Sekretariats anzeigen.

    Da aber immer auch die echte Rufnummer mit übertragen wird, kann an den Netzgrenzen (z.B. vom Internet ins Festnetz oder Mobilfunknetz) geprüft werden, ob solch wichtige Nummern wie die der Polizei missbräuchlich verwendet werden, und das wird mit großer Sicherheit auch getan. Aber es kann sicher nicht jede Kombination auf Plausibilität geprüft werden, so warnt etwa auch die Telekom davor, dass manchmal die Nummern von Ämtern, Behörden und Unternehmen vorgetäuscht würden. Eine örtliche Polizeidienststelle könnte sich durchaus vortäuschen lassen, die 110 eher nicht (die wird aber vermutlich auch nicht angezeigt, wenn die Polizei Dich wirklich anruft, denn dann ist es ja immer eine lokale Dienststelle; der Notruf funktioniert nur in einer Richtung).

    Also ja, das geht, auf jeden Fall aus dem VoIP-Netz, und auch auf dem Handy kann Dir eine falsche Nummer angezeigt werden. Du kannst aber nicht Dein Handy so umfunktionieren, dass es anderen eine Fake-Nummer anzeigt.

  13. #13 Jan
    24. September 2018

    Ich kann mich auch nur bedanken für deine tollen Artikel auf diesem Block. Auch wenn mich diese Artikelserie über Mobilfunknetze nicht so interessiert, versuche ich doch sie zumindest im Groben zu lesen. Das Beste an deinen Artikel ist meiner Meinung das du auch viele Hintergrundinformationen lieferst und auch versuchst Dinge zu Ende zu erklären. Hoffentlich hast du noch lange Zeit und Lust auf diesen Block.

    Ich weiß nicht ob du es irgendwo schon einmal erwähnt hast, aber wie zufrieden bist du denn mit den Seitenaufrufen/Interesse an deinen Artikeln bzw. dem Block an sich? So wie erwartet oder eher weniger/mehr?

    Grüße

  14. #14 Alderamin
    24. September 2018

    @Jan

    Tja, ich wusste anfangs ja gar nicht, was ich so erwarten dürfte, insofern habe ich selbst erst gelernt, was man hier erwarten kann. Ich bin eigentlich zufrieden, wenn’s über 1000mal gelesen wird. Mein Ariane-Artikel hat nun schon fast 5000 Leser gehabt, und der über den kleinen Asteroideneinschlag sogar über 11000, da war ich sehr verblüfft, wie oft der schon am Tag der Veröffentlichung geklickt wurde.

    Dieser Artikel hier hat bisher noch keine 250, das enttäuscht schon ein wenig bei der Arbeit, die man da reinsteckt. Ich dachte, mehr Leute interessieren sich dafür, wie UMTS funktioniert. Ich gebe aber zu, das Thema ist aufgrund der vielen Abkürzungen und Fachbegriffe ziemlich komplex, ich bin da wohl zu sehr ins Detail gegangen. Der erste Artikel über GSM ist zumindest noch gut gelesen worden, die folgenden hatten dann nur 1/2 bis 1/3 so viele Leser.

    Man kann natürlich sagen, sch*** auf die Klicks, aber einerseits ist das eine Bestätigung für gute Arbeit und andererseits muss man hier auch eine gewisse Mindestzahl von Klicks bekommen, um den kleinen Obulus einstecken zu können (der ist wirklich klein und rechtfertigt den Aufwand des Schreibens überhaupt nicht, aber irgendwie freut man sich dann doch, wenn man den Gummipunkt einstecken kann, was bisher jeden Monat gelang).

    Ich hab’ ja mal für Heise einen Artikel geschrieben, der hatte ein zweistelliges Vielfaches der Klicks, die ich hier normalerweise bekomme. Und brachte mir hier auch sehr viele neue Leser.

    Ich mach’ jetzt erst mal wieder ein paar Astronomie-Artikel, dann geht’s mit dem Mobilfunk weiter.

  15. #15 Talstein
    Berlin
    28. September 2018

    First of all: Tolle Blogserie!
    Auch wenn ich leider nur die Hälfte davon verstehe (als Laie solch ein komplexes Thema binnen 10 Minuten zu durchblicken, sollte jedoch auch ein Ding der Unmöglichkeit sein), finde ich dieses Themengebiet hochinteressant und bringe dir einen riesen Respekt entgegen, dass du dich damit so perfekt auskennst und dein Wissen mit uns teilst.

    Beim letzten Teil dieser Serie bist du im Kommentarbereich ja bereits kurz der Frage nachgegangen, wie es denn um die biologischen Auswirkungen steht.

    Hierzu meine Fragen:

    1. Wie hoch ist beispielsweise die Strahlungsintensität unmittelbar vor einer solchen GSM BTS Sektorantenne?

    2. Gibt es eine Übersicht (Diagramm), welche den Zusammenhang zwischen Strahlungsintensität und Einwirkdauer beschreibt, sprich wie lange sollte man welcher Intensität höchstens ausgesetzt sein?

  16. #16 Alderamin
    28. September 2018

    @Talstein

    1. Wie hoch ist beispielsweise die Strahlungsintensität unmittelbar vor einer solchen GSM BTS Sektorantenne?

    GSM-Antennen senden mit einigen 10 W, je nach Zellgröße. Hier habe ich eine Formel gefunden (Folien III.5-6), mit der für eine typische UMTS-Antenne mit 10 W ein Sicherheitsabstand von 3,2 Metern (für alle drei Sektoren am Mast: 5,5 m) vorgeschrieben wird. Bei GSM mit 60 W wäre der Abstand 2,5 mal so groß. Dies ist der Abstand, innerhalb dessen sich gemäß (sehr konservativer) Emissionsvorschriften niemand aufhalten soll. Dort liegt die Einstrahlung bei 10 W/m².

    Deswegen muss sich aber niemand Sorgen machen, der eine Antenne auf dem Dach hat, die strahlen nämlich so gut wie gar nicht nach unten, sondern fast waagerecht, man will die Leistung ja in der Fläche gut verteilen. Die Strahlung nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab, in 50 m Entfernung von der Antenne hat man also nur noch 1/100 der Einstrahlung, 0,1 W/m² für die oben erwähnte UMTS-Antenne.

    Hier gibt es noch eine Analyse der Leistungen. In fast allen Fällen ist die individuelle Einstrahlung durch Mobiltelefone weitaus größer als die durch Basisstationen. Erst wenn man alles auf die Fläche und die Gesprächsminuten herunter rechnet (Basisstationen senden die ganze Zeit, Handys fast ausschließlich beim Telefonieren), dann ist die Leistung pro Fläche und Zeiteinheit der Basisstationen größer als die der Handies. Das ist aber wiederum ein hunderttausendmal kleinerer Wert (einige Mikrowatt pro Quadratmeter) als derjenige während der Benutzung des Geräts, das man direkt an den Kopf hält, die wiederum weitaus höher ist, als die einer Basisstation auf dem Nachbargebäude.

    Die Bundesimmissionsschutzverordnung schreibt für den Hochfrequenzbereich die hier aufgelisteten Feldstärken vor. Für GSM 900 m Wellenwiderstand der Luft von 377 Ohm ergibt sich dafür eine Leistungsdichte von 4,5 W/m². Da ist man im Mittel also millionenfach drunter. Die stärksten HF-Immissionen werden in der Nähe von Rundfunksendern gemessen, die senden mit mehreren 10 Kilowatt, 1000-fach mehr Leistung als Mobilfunkstationen.

    2. Gibt es eine Übersicht (Diagramm), welche den Zusammenhang zwischen Strahlungsintensität und Einwirkdauer beschreibt, sprich wie lange sollte man welcher Intensität höchstens ausgesetzt sein?

    Habe keines gefunden, aber eine Zusammenfassung von Studien, die verschiedenste Effekte auf den Menschen betrachtet haben. Im allgemeinen werden Einflüsse erst bei einigen absorbierten W/kg Körpergewicht messbar.

    Anders als Schäden durch ionisierende (radioaktive) Strahlung, die ja durch hochenergetische Partikel Schäden im Erbgut verursacht, welche bei geringerer Intensität seltener, aber immer noch mit der gleichen Energie einschlagen, akkumuliert sich der Effekt durch HF-Strahlung nicht, er sorgt für eine augenblickliche Erwärmung des Körpers und hohe Feldstärken können sich auf die Funktionen von Zellen auswirken (Nervenzellen kommunizieren z.B. auch über elektrische Potenziale). Deswegen spielt die Feldstärke oder Leistung eine große Rolle, die Einwirkzeit unterhalb einer gewissen Leistung hingegen kaum (man kann zwar einen Braten durch einige Minuten Einstrahlung von 600 W in der Mikrowelle aufheizen, aber bei 1 W würde man in der 600-fachen Zeit immer noch einen kalten Braten haben, weil er ja simultan auch wieder Wärme abstrahlt). Daher ist es, wenn überhaupt, schädlicher, einer großen Leistung kurzfristig ausgesetzt zu sein, als einer geringen über eine lange Zeit, auch wenn die absorbierte Energie beidesmal die gleiche ist. Hält man die vorgeschriebenen Sicherheitsabstände von wenigen Metern zu den Funkmasten ein, dann hat man nichts zu befürchten.