Funkschnittstelle beim Mobilfunk: So funkt ein Handy

Ein Handynetz besteht zum einen aus der Technik, die hinter dem Sendemast zum Einsatz kommt - der sogenannten Netzarchitektur -, aber auch aus der entscheidenden Strecke vom Sendemast zum Handy. Gerade diese Funk­schnittstelle ist entscheidend für das korrekte Funktionieren eines Mobilfunk­netzes. Wir erklären Ihnen, wie die Sprach- und Daten-Signale vom Sendemast zum Nutzer gelangen und was die Anbieter beim Aufbau neuer Sende­masten beachten müssen.

Mobilfunkstandards: GSM, UMTS, LTE

Zwei BTS-Schränke für UMTS und GSM. Über HF-Kabel wird das Signal zum Sendemast geleitet
Foto: teltarif.de In Deutschland kommen aktuell drei Mobilfunkstandards zum Einsatz: GSM (2G), UMTS (3G) und LTE (4G). Für GSM, UMTS und LTE gibt es entsprechende Erweiterungen, die sich vor allem auf die Daten­geschwindigkeit auswirken. Es handelt sich dabei um EDGE, um HSPA (3.5G) und um LTE-Advanced (4.5G). GSM, UMTS und LTE sind auf der Funkebene in der Regel drei vollkommen getrennte Netze. Theoretisch wäre die Abstrahlung über gleiche Sendeelemente möglich, praktisch wird dieses aber nur selten gemacht.

Frequenz- oder Zeit-Multiplex-Verfahren

Mobilfunk­netze arbeiten hierzulande mit einem Verfahren, das zwei mögliche Übertragungs­prinzipien einer Luft­schnittstelle koppelt: Möglich ist zum einen, dass eine Frequenz für Down- und Uplink (also Gesprächs­teile Sendemast-Handy bzw. Handy-Sendemast) zeitlich geteilt und in einem Bruch­teil einer Sekunde in die eine und in einem anderen Bruch­teil in die andere Richtung gesendet wird (Fachbegriff Time Division Duplex, TDD). Angewendet wird dieses beispiels­weise bei DECT-Telefonen. Variante zwei nennt sich Frequency Division Duplex (FDD). Hierbei hat ein Teilnehmer für die Zeit seines Gesprächs eine feste Frequenz für die Empfangs- und eine feste Frequenz für die Sende­richtung. Weiterer entscheidender Unterschied: bei FDD kommt ein Frequenz-Paar zur Anwendung, bei TDD nur eine Frequenz.

Die Kombination sieht so aus, dass ein Handy­nutzer für jede Sende­richtung zunächst einmal unterschied­liche Frequenzen nutzt. So kann es sein, dass ein o2-Kunde bei einem Gespräch seinen Partner auf der Frequenz 930,1 MHz empfängt, selbst aber auf 885,1 MHz sendet. Diese beiden Frequenzen nutzt der entsprechende o2-Kunde allerdings nicht alleine, sondern auf den gleichen Frequenzen können je nach Konfiguration des Senders noch sechs bzw. sieben weitere Gespräche stattfinden, ohne dass die Teilnehmer sich gegenseitig stören.

Der Wechsel der Zeit­schlitze und somit der Zeit­fenster in denen die Sprach-Daten übertragen werden erfolgt so schnell, dass das menschliche Gehör es nicht wahrnehmen kann. Vergleichbar ist das mit einem Kinofilm, der pro Sekunde aus 25 einzelnen Bildern besteht. Die Länge eines solchen Zeit­schlitzes beträgt 577 Micro­sekunden.

Bei GSM enthält jeder Kanal 8 Zeit­schlitze, die nacheinander auf das Medium zugreifen dürfen. Acht Benutzer teilen sich diesen Kanal, das heißt: Erst, wenn Nutzer Zwei bis Acht ihre Daten übermittelt haben, darf Nutzer Eins wieder Daten senden. Durch Kompression des Gesprochenen in den übrigen sieben Zeit­schlitzen schaffen es Handy und Netz, die komplette Sprache in diesem kleinen Zeit­rahmen zu übermitteln. Über einen solchen Zeit­schlitz werden auch Signalisierungs­daten, etwa die bei einem Gesprächsaufbau übertragenen Authen­tifizierungs-Daten, aber auch SMS übertragen.

Nicht alle Frequenzen können an einem Standort genutzt werden

Vom Sendemast aus geht das Signal dann an die Handys. Am Mast zu erkennen: Die Richtfunkschüssel für den Abtransport der Daten zum nächsten Controller.
Foto: teltarif.de Jede Zelle benötigt mindestens zwei Schlitze für diese Signali­sierungen und die Synchro­nisation der Handys mit den Basis­stationen. Nicht alle GSM-Frequenzen können an jedem Standort eingesetzt werden, da sie sich überlagern würden. Daher spricht man hier von einem Re-Use-Faktor, der unterschied­lich hoch sein kann. Das bedeutet, dass um einen Sendemast herum in Waben-artiger Form andere Masten mit jeweils anderen Frequenzen aufgebaut werden müssen und erst dann die gleiche Frequenz wieder verwendet werden darf.

Anders formuliert: Einem Netzbetreiber steht jeweils pro Mast nur ein Teil der eigentlich zur Verfügung stehenden Frequenz­menge zur Verfügung. Würde der Re-Use-Faktor nicht eingehalten, kann es zu Störungen kommen. Ausnahme: Klein- und Kleinst­sender (Picozellen), die nur wenige Meter weit strahlen, aber die Kapazität erhöhen, können auch innerhalb eines Sendemast-Radiuses aufgebaut werden, da ihre Sendeleitung so gering ist, dass sie den nächsten Sendemast nicht stören.

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