Mobilfunknetze

Was sind Funknetze?
Ein Funknetz wird mit Hilfe von Basistationen in Form von meist auf (Hoch-)Hausdächern platzierten Sendemasten errichtet. Eine Basistation hat eine begrenzte Reichweite und deckt somit nur einen bestimmten Teilbereich des Funknetzes ab - eine sogenannte Funkzelle. Hält sich ein Benutzer außerhalb solcher Funkzellen und damit außerhalb des Funknetzes auf ("Funkloch"), so hat sein mobiles Endgerät keinen Empfang und steht nicht zur Kommunikation zur Verfügung.

Es kommt häufig vor, dass der Benutzer mit seinem mobilen Endgerät während eines Gesprächs oder einer Datenübertragung das Einzugsgebiet einer Basistation verlässt und eine andere Funkzelle betritt. Die Zuständigkeit für das mobile Endgerät muss dann von der einen Basistation zur anderen übertragen werden, ohne dabei die Verbindung zu unterbrechen oder zumindest vom Benutzer unbemerkt - dieser Vorgang wird als Handover bezeichnet. Es gibt jedoch auch andere Gründe für Handover, z. B. ein zu schwaches Signal der aktuellen Zelle oder eine zu hohe Auslastung derselben.

Die physikalische Grundlage des Mobilfunks bildet der Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums (von ca. 0,8 MHz für GSM bis hin zu knappen 6 GHz für WLAN). Damit es zu keinen Interferenzen kommt, werden den Funkstandards eigene Frequenzbereiche zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus teilen sich die größten nationalen Telekommunikationsanbieter die Frequenzbereiche des jeweiligen Standards auf und errichten ihre eigenen Netze. Je nach Funktechnik und Anbieter kommuniziert man folglich in unterschiedlichen Frequenzbereichen. Eine technische Herausforderung für mobile Endgeräte besteht u. a. darin, mit verschiedenen Frequenzbereichen umgehen zu können.

GSM - Global System for Mobile Communications
GSM ist der weltweit verbreitetste und gleichzeitig erste digitale Mobilfunkstandard. Er hat die analogen Funknetze mittlerweile komplett abgelöst. Erste GSM-Netze wurden bereits zu Beginn der 90er-Jahre errichtet. Seitdem ziehen immer mehr Länder nach, so dass im Moment in und zwischen weit über 100 Ländern mobil telefoniert werden kann. Die Weiterentwicklung wird seit dem Jahr 2000 vom 3GPP (3rd Generation Partnership Project) vorangetrieben und neben der Verbesserung der Sprachqualität und Einführung zusätzlicher Funktionen werden vor allem höhere Datenübertragungsraten angestrebt. GSM ist auf die Übertragung von Sprache spezialisiert, wofür eine geringe Übertragungsrate ausreicht und was zudem leitungsvermittelt erfolgen kann. Datenübertragungen, die z. B. durch die Nutzung der Dienste des Internets anfallen (Downloads, E-Mails usw.), sind mit GSM nicht effizient möglich.

Als logische Konsequenz daraus wurden GSM-Erweiterungen entwickelt. Zum einen der Standard HSCSD, der durch Kanalbündelung wesentlich höhere Übertragungsraten und somit bessere Verbindungsqualitäten ermöglicht und zum anderen der Standard GPRS, welcher eine paketvermittelte Übertragung und dadurch u. a. eine effizientere Nutzung der zur Verfügung stehenden Bandbreite erlaubt. Durch GPRS wurde erstmals eine volumenbasierte Abrechnung der Internetnutzung möglich, bisher erfolgte dies auf Grundlage der Verbindungszeit. Eine weitere Erhöhung der Datenübertragungsrate, auch von GPRS und HSCSD, wurde durch die Einführung von EDGE erreicht. EDGE stellt eine Verbesserung der grundlegenden GSM-Übertragungstechnik dar.

UMTS - Universal Mobile Telecommunications System
Die steigende Verfügbarkeit multimedialer Inhalte im WWW erfordert die Gewährleistung noch höherer Datenübertragungsraten. Aus diesem Grund wird seit Ende der 90er-Jahre UMTS als geplanter Nachfolger von GSM entwickelt. Dafür wurde vor allem die für die Übertragung über die Luftschnittstelle zuständige Funktechnik (Wideband CDMA) verbessert. Auch UMTS arbeitet paketorientiert und macht sich dafür das Internet-Protokoll (IP) zunutze.

Mittlerweile sind große Teile Deutschlands vom UMTS-Netz abgedeckt. Doch trotz der neuen technischen Möglichkeiten durch die schnellere Übertragungsgeschwindigkeit wollen sich UMTS-Geräte bisher nicht so recht etablieren - was wohl am hohen Preis der Tarife und der Geräte selbst liegt.

Trotz der vergleichsweise hohen Übertragungsraten von UMTS (Siehe Tabelle 1) reichen diese für bandbreitenhungrige Videoinhalte nicht aus. Als Folge dessen wurde UMTS mit den Erweiterungen HSDPA und HSUPA aufgerüstet (ähnlich der GSM-Erweiterung EDGE) - ersteres für den Empfangs- (Downlink), letzteres für den Sendevorgang (Uplink). Durch eine effizientere Kodierung und effektivere Lastverteilung werden schnellere Antwortzeiten und momentan (Entwicklungsstand: 2007) Datenübertragungsraten im mittleren DSL -Bereich erzielt (ca. 3000 Kbit/s), die Entwicklung ist jedoch noch nicht abgeschlossen.

WLAN - Wireless Local Area Network
Auch WLAN bietet gute Voraussetzungen für eine mobile Kommunikation. Da der häufig verwendete Frequenzbereich um die 2,4 GHz an keine Lizenz gebunden und somit frei empfangbar ist, entstehen durch die Nutzung eines öffentlichen WLAN-Zugangs keine zusätzlichen Kosten. Da zur Kommunikation VoIP verwendet werden kann ist WLAN somit und auch aufgrund der hohen Übertragungsraten ein ernsthafter, zumal meist günstigerer UMTS-Konkurrent - allerdings mit stark begrenzter Reichweite. Hinzu kommt, dass außer Laptops bisher erst wenige mobile Endgeräte WLAN-fähig sind. Außerdem existiert eine Vielzahl an VoIP-Lösungen, die teilweise untereinander nicht kompatibel sind.

WIMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access
Seit Jahren als kabelloser DSL-Nachfolger angepriesen, schreitet die Verbreitung von WIMAX sehr schleppend voran. Seit etwa Mitte des Jahres 2005 existieren jedoch die ersten kommerziellen Angebote. WIMAX ermöglicht höhere Datenübertragungsraten und eine höhere Reichweite als WLAN und bietet zudem Dienstgütefunktionen an, die eine höhere Sprachqualität garantieren. Allerdings verwendet WIMAX lizenzpflichtige Frequenzbereiche - für den Kunden ein wirtschaftlicher Nachteil gegenüber WLAN. Noch kann WIMAX also nicht als Ersatz fürs GSM- oder UMTS-Mobilfunknetz dienen - dazu muss erst dessen Verbreitung weiter voranschreiten.

Kurzstreckenübertragung
Ursprünglich wurde zur Übertragung von Daten über kurze Distanzen (<1 Meter) Infrarot (IrDA) verwendet. Vor allem wegen dieser geringen Reichweite wird es nach und nach durch den Industriestandard Bluetooth ersetzt. Bluetooth bietet, je nach Leistungsklasse, Reichweiten bis zu 100 Meter und verwendet wie WLAN Frequenzen des lizenzfreien 2,4-GHz-Bandes. Bluetooth eignet sich gleichermaßen für Gespräche als auch für Datentransfers. Es kommt vor allem bei der spontanen Vernetzung mobiler Endgeräte (" Piconet ") zum Austausch von Kontaktinformationen oder als Ersatz für Kabelverbindungen zwischen Peripheriegeräten und einem Rechner zum Einsatz.
Mit Bluetooth 2.0 wurde eine Version eingeführt, die dank verbesserter Technik (EDR) höhere Datenübertragungsraten z. B. zur Übertragung von Audio- und Videodateien ermöglicht. Ein weiterer Versionssprung zu Bluetooth 2.1 brachte vor allem Verbesserungen im Stromverbrauch und der Sicherheit. Die neueren Versionen sind dabei abwärtskompatibel zur ursprünglichen Version.

Mit UWB (Ultra-Wideband, umgangssprachlich auch Wireless USB) wird bereits die nächste Weiterentwicklung der Übertragungstechnik von Bluetooth spezifiziert: Ultrabreitbandfunk. Damit sollen Verbindungskabel im Nahbereich endgültig überflüssig gemacht werden. Auch hochwertiges Audio- und Videomaterial soll z. B. zwischen DVD-Player und Fernsehgerät problemlos übertragen werden können. Allerdings wird dabei auf lizenzgebundene und somit kostenpflichtige Frequenzen zurückgegriffen.

	Downlink in kbit/s ¹	Uplink in kbit/s ¹	Paketorientiert bzw. asymmetrisch	Leitungsorientiert bzw. symmetrisch	Netzabdeckung in Deutschland
GSM	< 10	< 10	X (SMS)	X	Komplett
GPRS	< 50 (< 180 mit EDGE)	< 15 (< 100 mit EDGE)	X	X	Komplett
HSCSD	< 50 (< 180 mit EDGE)	< 30 (< 100 mit EDGE)	-	X	Abnehmend wegen UMTS
UMTS	< 380 (< 3000 mit HSDPA)	< 60 (weit mehr mit HSUPA)	X	X	Größtenteils
WLAN	ca. 3000 - 16000	im (niedrigen) Mbit-Bereich	X	-	nur in (Groß-)Städten
WIMAX	1000 - 10000 (wird ständig erhöht)	wie Downlink	X	-	Noch im Aufbau
IrDA	9,6 - 16000 (je nach Kategorie)	wie Downlink	X	-	-
Bluetooth 1.x	asymmetrisch: ca. 723 symmetrisch: ca. 433	asymmetrisch: ca. 60 symmetrisch: ca. 433	X	-	-
Bluetooth 2.x	bis zu ca. 2170	wie Downlink	X	-	-
UWB	ca. 100000	wie Downlink	X	-	-

Tabelle 1: Vergleich der verschiedenen Funkübertragungsstandards.

¹ Diese Angaben sind auf die in der Praxis gängigen Geschwindigkeiten bezogen (nicht auf die unter idealen Bedingungen theoretisch möglichen). Grundsätzlich hängen die Übertragungsraten zum einen stark vom Endgerät und zum anderen von der Nähe zur Basisstation, der Basistation selber und von der Anzahl weiterer Teilnehmer im Netz ab.